中石化分公司150万吨/年催化重整装置重整氢增压机组先进控制解决方案--控制网

中石化分公司150万吨/年催化重整装置重整氢增压机组先进控制解决方案
企业:北京康吉森自动化设备技术有限责任公司 日期:2018-07-28
领域:DCS 点击数:285

本项催化重整氢增压缩机组先进控制解决方案,实现了压缩机组的全自动智能优化运行,配合该装置工艺过程先进控制(APC),根据先进控制的参数自动对压缩机组工艺参数进行调整,效益提高显著。除降低压缩机组的运行成本(能耗)和操作成本(实现全自动运行)外,通过对循环氢压缩机和重整氢增压机实现优化协调运行,提高了产品(芳烃产物和副产氢气)的收率,真正实现节能和降耗智能化运行,对全国20余套大型和特大型催化重整装置的压缩机自动化控制产生了标志性的效果。

1 背景

催化重整装置是石油炼制和石油化工生产过程中非常重要的加工生产设施。生产装置以炼油装置(如加氢裂化装置)生产出的重质石脑油,经过催化重整反应,产出高辛烷值汽油和芳烃原料,同时副产大量富氢气体,可以作为石油炼化企业成本低廉的氢源。特别是近年来聚酯类产品的需求旺盛,石化生产企业纷纷加大聚酯原料(芳烃)产能的投资,建成和建设了一大批大型和特大型催化重整装置。据统计,国内近年建成100万吨/年及以上的催化重整装置超过20余套,目前单套最大产能已达320万吨/年。世界前10大催化重整装置也大部分在中国建设。重整氢增压机组是装置的核心设备之一,压缩机将装置副产的富氢气体升压后送往氢气提纯处理装置。如果压缩机组停止运行,大量的富含氢气的气体将被送入火炬燃烧放空,造成环境污染和浪费所产出的气体产品,致使下游用氢装置降低处理量以至停产。进而影响整个炼化一体化企业的物料平衡。

典型的催化重整装置压缩机组的布置如图1所示。

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图1 催化重整装置压缩机示意图

循环氢压缩机将氢气压缩后在反应器实现循环,保证催化重整反应的连续进行,同时带走反应器中的热量,对反应深度进行控制。重整氢增压机则将装置副产的氢气压缩后送至界区外用户。

为保持催化重整装置运行的稳定,大型催化重整装置重整氢增压机组通常采用汽轮机(或变频电机)驱动的离心式压缩机。装置产出的富氢气体是随着装置加工量和原料特性的变化而变化的,由于离心式压缩机固有的喘振流量的限制,在装置产出气体量较低时,压缩机需要在最低工作转速下工作,压缩机入口压力需要由压缩机的回流阀(防喘振阀)实现控制;而当外输氢气受阻时,入口压力又要靠入口前的放火炬阀实现控制。在催化重整的工艺设计上通常有一套完整的分程控制方案对该压缩机组的入口压力实施控制。

长期以来,在压缩机控制系统软件配置和现场调试条件限制等原因影响下,按照催化重整工艺包的入口压力分程控制方案很难实现自动控制,全国大多数催化重整装置中重整氢增压机的操作基本依赖操作人员的手动调节,操作强度大,压缩机组运行中有较多的能耗浪费。同时由于循环氢压缩机和重整氢增压机处于串联运行状态,为稳定装置运行,工艺操作人员往往加大装置循环氢的流量,而这将降低反应温度,也降低了催化重整装置的产品收率。

2 目标与原则

通过完善压缩机控制应用软件的配置和现场精调,实现重整增压机组在各种工况下的全自动运行。装置工艺操作人员只需根据催化重整装置的运行状况,远程设定压缩机入口压力(高分罐压力),压缩机组控制系统根据工况变化自动协调并调整机组转速和防喘振阀的开度,保持入口压力稳定。在实现智能化(自动化)优化运行的同时,实现压缩机组运行效率的提高,即节能增效运行。同时工艺操作人员可以自由地根据装置先进控制(APC)的要求,根据反应温度和反应深度的要求,调整循环氢的流量,重整氢增压机将自动调整外输氢气量实现装置的先进控制。

3 项目实施与应用

3.1 项目规划

在机组控制系统的应用控制软件的配置中,将原工艺专利商对于压缩机机入口压力(催化重整装置高分罐压力)控制与机组转速和一段防喘振控制之间的固定分程控制改为动态分程控制。

工艺专利商原来的固定分程控制方式如图2所示。

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图2 固定分程控制方式

高分罐压力(重整氢增压机入口压力)控制总量程中0~33%为压缩机运行在最小工作转速,由一段防喘振阀(1-2,代表0~100%防喘振阀的开度)控制入口压力;33%~60%(4-3)由机组转速控制(最小工作转速至最大工作转速);60~100%(6-5)由压缩机入口前的放空阀控制。在理想状态下,一段防喘振阀将在压力控制量程33%时全关,33%-60%之间由机组转速实现调节。在实际装置中,由于压缩机选型和工艺参数变化的原因,固定分程控制几乎是不可能实现这种控制方式的,需要用户采用手动方式控制。这也是此类机组难于实现自动控制的主要原因。

解决方案是采用动态分程的模式实现优化控制。

由于压缩机组的转速和防喘振阀的开度都会影响到压缩机入口压力:

转速升高,入口压力降低

转速降低,入口压力升高

防喘振阀开度增加,入口升高

防喘振阀开度减小,入口压力下降。

当两种控制动作同时发生时,会产生相互干扰,振荡。因此在机组控制应用软件中必须采取协调控制,消除控制动作之间的耦合作用。

在动态分程模式下,机组控制系统根据实测到的压缩机喘振线设定安全的防喘振控制线,实现汽轮机转速及防喘振阀的协调(解耦)控制和压力超驰控制,充分利用压缩机的各个控制回路协调控制机组的主要工艺参数。在保证机组安全的前提下,通过防喘振阀和转速控制的协调控制实现入口压力的自动控制同时保持压缩机的防喘振阀在该工况下的最小开度(或全关),实现节能优化运行。在工艺气体温度较高(分子量较大)时,防喘振阀将在33%的“固定”分程点之前全部关闭;工艺气体温度较低(分析量较小)时,防喘振阀将在“固定”分程点右侧才能关闭,以保证机组不发生喘振。

3.2 解决方案的实施

在装置大修停车和大修后的开车期间实现改造和精调。从而使机组不同负荷下都能自动满足工艺操作对压缩机工艺参数的调整。工艺操作可根据工况调整入口压力设定点,机组控制系统自动调节汽轮机转速和防喘振阀的开度(如果需要),实现全自动无人为干预的优化运行。

创新性地采用了新的压缩机控制模型,并根据此模型完善了机组控制应用软件。

在大修机组停车前,康吉森工程师对机组进行了喘振线验证,保证防喘振控制的控制基准。重新计算了该压缩机的防喘振曲线。

在停车阶段,康吉森工程师完成了控制软件组态的更新;对压缩机控制系统相关的现场仪表(变送器、防喘振阀和调速机构)进行了校准和调校,以保证控制精度。

在机组开车以后根据工艺扰动的情况,调整控制系统的控制参数,提高控制系统在工况变化时的抗干扰能力,对机组控制系统进行精调。

优化解决方案实施的难点在于在控制系统的精调阶段需要业主与调试工程师的紧密配合,在工况变化时可以调整控制系统的参数,有时甚至需要人为制造一些小的扰动对控制系统的响应进行验证,以实现良好的控制效果。在双方的密切配合下,优化解决方案得以顺利实施。

4 效益分析

中国石化石家庄炼化催化重整装置重整氢增压机的此项优化解决方案在2017年10月正式实施以后,按规划要求,机组可以根据工艺操作要求实现全自动操作,既保证安全又实现优化高效运行。得到了以下几方面的效果:
投用了压缩机入口压力性能控制,稳定了高分罐的压力,工艺装置运行更加稳定;

实现了全工况下,包括入口温度剧烈变化等特殊工况下的全工况压缩机自动控制;

在同等工况下压缩机防喘振阀实现全关,使压缩机始终工作在最佳性能区间;

实现了节能减排,装置高负荷工况下同比平均每小时减少5吨蒸汽消耗,每年可为用户节约蒸汽消耗约3万吨以上;

随着高分罐压力的稳定,工艺操作人员可以更好地控制催化重整装置的产品收率,提高芳烃原料和副产氢气的产率,即在同等进料量下,产出更多的产品。

根据测算:根据标定的原料性质,在实现先进控制(APC),通过降低循环氢的流量,适当提高反应温度(按提高5oC计算)可提高4%的芳烃原料收率和1.2%的氢气收率,而实际循环氢压缩机和重整氢增压机总体蒸汽耗量基本不变。在当前石化产品利润较高的市场环境下,增加收率所带来的效益增加是十分可观的。

此项成果对国内大型和特大型催化重整装置的压缩机组智能化节能运行有着标志性的示范效应。此解决方案具备大规模实际推广的条件并取得良好的经济效益。

摘自《自动化博览》2018年7月刊

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