分程控制在焦爐煤氣制氫裝置中的應(yīng)用

司榮雙

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

在工業(yè)生產(chǎn)中，針對復(fù)雜的工藝控制要求，使用單臺調(diào)節(jié)閥難以滿足工程應(yīng)用，需要使用2個調(diào)節(jié)閥進行分程控制。分程控制系統(tǒng)，一般將控制器輸出信號分段，每段信號控制對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥[1]。分程控制一般有2種應(yīng)用：一種是同向調(diào)節(jié)，用于提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，擴大可調(diào)比[2-4]；另一種是反向調(diào)節(jié)，在特殊工況下，用2臺調(diào)節(jié)閥控制2種不同介質(zhì)。不同分程控制方案中控制目標的工藝特性各有不同，實際應(yīng)用過程中需要深入了解工藝的控制目標要求，分析選擇更為適合應(yīng)用場景的控制方案。

1 分程控制特性

分程控制在化工流程中應(yīng)用較多，兩閥門的分程控制構(gòu)成見圖1。

圖1 分程控制系統(tǒng)圖

根據(jù)閥門不同的動作趨勢，兩控制閥的分程控制共有四種組合特性[4]，如圖2～圖5所示。其中，圖2、圖3兩閥門為反向運動。圖2中A閥為正作用，B閥為反作用，如分程控制酸(A閥)、堿流股(B閥)的流量以達到控制溶液pH值(測量值)的目標；圖3中A閥為反作用，B閥為正作用，如分別控制補氣閥(A閥)和排氣閥(B閥)以達到控制容器壓力(測量值)的目標。

圖2 A閥正作用B閥反作用

圖3 A閥反作用B閥正作用

圖4和圖5兩閥門為同向運動。其中圖4為正作用，如正常工藝流程中通過A閥控上游壓力穩(wěn)定，當A閥全開仍不能滿足穩(wěn)壓作用時，B閥開啟緊急放空，保證生產(chǎn)安全；圖5為反作用，如通過兩路調(diào)節(jié)閥控制閥后壓力穩(wěn)定，當A閥全關(guān)仍不能滿足穩(wěn)壓作用時，B閥開始關(guān)閉。控制閥同向運動，可增大可調(diào)比，適用于當控制目標的變化范圍較寬的工況。

圖4 正作用同向分程調(diào)節(jié)

圖5 反作用同向分程調(diào)節(jié)

2 分程控制在氮氣減壓系統(tǒng)的應(yīng)用

某焦爐煤氣制氫項目公用工程依托臨近焦化廠，但公用工程用氣僅有中壓氮氣，需界區(qū)內(nèi)減壓獲得低壓氮氣，以滿足壓縮機干氣密封和儀表用氣等連續(xù)用氣需求。裝置低壓氮氣正常連續(xù)量670 Nm3/h，最小用量為30 Nm3/h，考慮臨時用氣情況，最大用量可達3500 Nm3/h，氮氣減壓系統(tǒng)的可調(diào)比～117，而通常調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比為30～50，簡單控制無法實現(xiàn)。

根據(jù)分程控制特性，為擴大有效調(diào)節(jié)范圍，可選用如圖5反作用同向分程調(diào)節(jié)，流程設(shè)置見圖6。正常用氣調(diào)節(jié)閥考慮預(yù)留100%余量，A閥最大流量按1340 Nm3/h，選擇百分比特性閥，閥門可調(diào)比50；考慮最大氮氣用量以及閥門備用的原則，B閥最大流量3500 Nm3/h，選擇百分比特性閥，閥門可調(diào)比50。

圖6 氮氣減壓系統(tǒng)流程

(1)流量調(diào)節(jié)特性比較

等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，流量與控制信號呈對數(shù)關(guān)系，按照50%控制信號分程，各閥流量與控制信號關(guān)系見圖7。其中控制信號4～20 mA對應(yīng)控制閥不同開度。

圖7 50%分程點下各閥流量與控制信號關(guān)系圖

按照固定分程點，總的流量特性曲線銜接處會出現(xiàn)一突變點，如圖8所示。若需要在全程范圍內(nèi)獲得平穩(wěn)的調(diào)節(jié)性能，可將兩控制閥分程區(qū)間部分重疊消除突變[5]，點如圖8分程重疊50%流量特性曲線。

圖8 固定分程點下分程重疊流量與控制信號關(guān)系圖

由于氮氣減壓系統(tǒng)正常流量處于低流量區(qū)間，而高流量氮氣需求為臨時用量，并不需要精確控制。由于干氣密封和儀表用氣均使用低壓氮氣，因此需避免高流量臨時用氣造成低壓氮氣系統(tǒng)壓力過低的情況。在此應(yīng)用場景下，固定分程點流量曲線，更有利于下游低壓力情況下迅速補氣，因此氮氣減壓系統(tǒng)分程控制按照固定分程點考慮。

(2)固定分程點的確定需注意因素

不同分程點調(diào)節(jié)性能曲線的變化情況見圖9。

圖9 不同分程點總流量特性曲線情況

由于氮氣減壓后低壓氮氣供應(yīng)全廠儀表用氣，為避免臨時用氣造成低壓氮氣低低壓聯(lián)鎖停車，分程點不宜過低。

為低壓氮氣系統(tǒng)超壓風(fēng)險，減壓閥后設(shè)置安全閥，當分程點設(shè)置較高時，臨時用氣突然結(jié)束情況下，減壓閥相應(yīng)延遲會造成安全閥起跳。因此，分程點設(shè)置時需避免閥后壓力過高安全閥頻繁起跳。

氮氣減壓系統(tǒng)分程點最終按照50%設(shè)計，經(jīng)臨時用氣管路放空測試，臨時用氣管線在開關(guān)閥時低壓氮氣壓力能夠穩(wěn)定在0.5～0.78 MPaG之間，滿足設(shè)計工況要求。

3 結(jié) 論

相比于工藝物料，公用工程水、氣等，正常用量與最大用量差距較大，分程控制系統(tǒng)時在較大的臨時用量情況下優(yōu)先考慮響應(yīng)迅速，不必追求全控制范圍內(nèi)平穩(wěn)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。