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        無級氣量調節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)重整裝置中的設計及實現(xiàn)

        2017-08-24 20:07:08孫偉
        科技創(chuàng)新與應用 2017年21期
        關鍵詞:負荷

        孫偉

        摘 要:無級氣量調節(jié)系統(tǒng)實際應用的關鍵,在于它與過程控制的有機結合。文章敘述無級氣量調節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)再接觸部分的應用,著重介紹再接觸控制過程、無級氣量調節(jié)系統(tǒng)的設計,以及通過DCS組態(tài)在壓縮機K202A上實現(xiàn)無級氣量調節(jié)控制。

        關鍵詞:超弛控制;負荷;分程點

        中圖分類號:TH16 文獻標志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)21-0101-03

        1 概述

        連續(xù)重整裝置是煉油系統(tǒng)二次加工的關鍵裝置,是清潔、高辛烷值汽油調和的重要組份,同時也是煉油加氫裝置氫氣的主要來源。增壓機作為連續(xù)重整的關鍵設備,其平穩(wěn)運行對煉油系統(tǒng)氫氣管網(wǎng)壓力的平衡至關重要。

        該裝置連續(xù)重整工藝再接觸部分采用美國UOP公司第二代連續(xù)重整工藝技術,它的基本控制要求是:在保證重整反應系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的前提下向加氫裝置提供氫氣。其中三臺增壓機選用往復式壓縮機。原機組采用兩段式壓縮三返一回流控制,既級間回流調節(jié)。其壓縮機負荷采用0%、25%、50%、75%、100%手動梯級控制。這種方式調節(jié)速度慢,系統(tǒng)壓力波動大,耗費大量能源,且無法實現(xiàn)根據(jù)實際工況連續(xù)自動加載、降載,不能避免開機時快速升壓和大比例回流等干擾因素對機組及系統(tǒng)壓力的沖擊,影響壓縮機機組和系統(tǒng)流程的穩(wěn)定。

        2 超馳控制原理

        重整再接觸部分采用美國UOP公司工藝技術,而重整產(chǎn)物分離罐壓力的恒定是整個重整反應系統(tǒng)壓力恒定的標志。其控制過程較為復雜,采用分程+超馳控制,其目的是保證重整反應系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。它是通過氫氣增壓機K202A、B、C及控制重整再接觸部分的三個容器:重整產(chǎn)物分離器D201、1號再接觸罐D202(操作壓力0.75MPa)和2號再接觸罐D203(操作壓力1.98MPa)的壓力來實現(xiàn)的。在保證反應系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的前提下,使物料與氫氣接觸,并根據(jù)氫氣管網(wǎng)的需求量平穩(wěn)的供氫。

        2.1 超馳控制過程

        在工藝正常工況下:由于壓縮機的排量大于重整反應產(chǎn)氫量,因此PV2016C為關閉狀態(tài)。整個系統(tǒng)的壓力調節(jié),首先是在重整產(chǎn)物分離罐D201至2#再接觸罐D203之間,通過調節(jié)后一級高壓氫氣返回線調節(jié)閥,內部互相調節(jié)和補償以維持系統(tǒng)壓力的平衡。工藝氫氣流則是由前向后逐級輸送,通過D204壓力,控制調節(jié)閥PV2042的開度向氫氣管網(wǎng)供氫。當系統(tǒng)壓力異常超高,調節(jié)閥PV2042的開度已全開仍不能穩(wěn)定系統(tǒng)壓力時,工藝氫氣流將按以下壓力關聯(lián)回路逐級逆向排放。

        PIC2042壓力異常超高,調節(jié)器輸出低信號至低信號選擇器PY2038B,增加PV2038開度,直至全開。

        PIC2038壓力異常超高,調節(jié)器輸出低信號至低信號選擇器PY2016B,增加PV2016A開度,直至全開。

        PIC2016壓力異常超高,打開PV2016C至一定開度。

        再接觸部分的超馳控制原理圖如圖1所示。

        2.2 DCS控制組態(tài)的設計實現(xiàn)

        正常工況下,調節(jié)器PIC2016、PIC2038和PIC2042的輸出經(jīng)過低信號選擇器PY2016B和PY2038B選擇后,壓縮機一段回流閥PV2016A及二段回流閥PV2038分別由調節(jié)器PIC2016及PIC2038控制。根據(jù)管網(wǎng)氫氣的需求量,由調節(jié)器PIC2042控制調節(jié)閥PV2042向管網(wǎng)提供氫氣。其控制方案中的主要干擾因素是管網(wǎng)氫氣需求量的變小或重整產(chǎn)氫量的增大。

        當管網(wǎng)氫氣需求量的急劇減小:導致2號再接觸罐D203的壓力增大且超出“安全軟限”既超壓,調節(jié)器PIC2042的輸出逐漸增大,大于50%并且與正常工況下的PIC2038的輸出比較,最終經(jīng)過PY2042C反向后被低信號選擇器PY2038B選擇,去控制調節(jié)閥PV2038,即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內。待D203壓力恢復到“安全軟限”內,超弛控制自動退出并將控制權交給調節(jié)器PIC2038常規(guī)控制。

        如果由于二段回流閥PV2038的打開繼續(xù)使1號再接觸罐D202的壓力升高且超出“安全軟限”既超壓,調節(jié)器PIC2038的輸出逐漸增大,大于50%并且與正常工況下的PIC2016的輸出比較,最終經(jīng)過PY2038D反向后被低信號選擇器PY2016B選擇,去控制調節(jié)閥PV2016A,即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內。待D202壓力恢復到“安全軟限”內,超弛控制自動退出并將控制權交給調節(jié)器PIC2016常規(guī)控制。如果由于一段回流閥PV2016A的打開繼續(xù)使重整產(chǎn)物分離器D201的壓力升高且調節(jié)器PIC2016的輸出大于50%,此時由放空閥PV2016C逐漸放空。

        當重整產(chǎn)氫量增加,壓縮機負荷不足:導致重整產(chǎn)物分離器D201壓力增大,使調節(jié)器PIC2016輸出大于50%由放空閥PV2016C逐漸放空,而在50%以下則與調節(jié)器PIC2038的超弛控制部分PY2038D進行低選作為判斷是否由超弛控制的依據(jù),去控制一段回流閥PV2016A。由于壓縮機的壓縮比固定,導致1號再接觸罐D202的壓力升高,調節(jié)器PIC2038的輸出增大,使其輸出大于50%且與PIC2016的分程部分PY2016E進行低信號選擇以決定是否由超弛控制D202的壓力。如果經(jīng)過壓縮機二段的壓縮繼續(xù)使D203的壓力增加則與D202的控制方式相同。

        總之,當整個反應系統(tǒng)壓力高時,PV2016C打開部分氫氣放空,而當整個反應系統(tǒng)壓力低時,關小或關閉PV2042,減小或不向外送氫氣。而再接觸部分內部則是依靠調節(jié)壓縮機的回流量來控制級間壓力的。這對于壓縮機來說等于白白浪費電能,且壓力不易控制,操作難度大。

        3 無級氣量調節(jié)系統(tǒng)的設計

        3.1 無極氣量調節(jié)的基本原理

        它的主要工作原理是運用了“回流省功”原理,由無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)實時處理壓縮機運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù),并將信號反饋至執(zhí)行機構內電子模塊,通過液壓執(zhí)行機構來即時控制往復式壓縮機進氣閥的開啟與關閉時間,實現(xiàn)壓縮機排氣量0-100%全行程范圍無級調節(jié)。通過進氣閥的延遲關閉,使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進氣總管,壓縮循環(huán)中只壓縮了需要壓縮的氣量。該系統(tǒng)在最大限度節(jié)省能源的同時,還擁有較高的控制動態(tài)特性。根據(jù)不同的控制要求和設計,可精確控制各級的狀態(tài)參數(shù),如壓力、流量、溫度等。

        3.2 無級調量系統(tǒng)控制介入點的選擇

        反應系統(tǒng)壓力和再接觸部分壓力的穩(wěn)定與平衡最終是靠調節(jié)壓縮機一、二段回流閥的回流量實現(xiàn)的,兩個回流閥均為氣關閥。如果低信號選擇器的輸出增大則回流量減小,也就是說,需要增加壓縮機的負荷。反之,如果低信號選擇器的輸出減小則回流量增大,也就是說,需要減小壓縮機的負荷。回流量可以真實體現(xiàn)壓縮機在此工況下所需實際負荷。因此,選擇兩個低信號選擇器PY2016B和PY2038B的輸出分別作為無級氣量調節(jié)控制的介入點,無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)通過即時調節(jié)壓縮機一、二段負荷來穩(wěn)定一、二級的總入口壓力。

        3.3 系統(tǒng)設計方案

        K202A作為常開機組,設計使用無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng),實現(xiàn)0~100%的無級調節(jié)。另外兩臺機組互為備機,100%滿負荷運行。無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)的主控變量為K202機組的一級總入口壓力,控制壓力取樣自D201分離罐,輔控變量為二級總入口壓力,控制壓力取樣自D202接觸罐。主控變量通過分程+超馳控制影響輔控變量。無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的超馳控制系統(tǒng)互不干涉,在工藝系統(tǒng)波動超過無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)調節(jié)范圍時,超馳控制系統(tǒng)與無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)配合一起穩(wěn)定各級壓力。

        根據(jù)工藝要求,原超馳控制與無極氣量調節(jié)控制應互不干擾和藕合,它們共同完成控制任務。在工藝需要時,可以在原超弛控制和無極氣量調節(jié)控制之間切換。所謂超弛控制是指通過無極氣量調節(jié)控制手動控制壓縮機負荷,由回流閥控制壓力。所謂無極氣量調節(jié)控制是指回流閥全關,無極氣量調節(jié)控制依據(jù)實際工況自動調節(jié)壓縮機負荷來控制壓力。

        經(jīng)過計算,如果壓縮機負荷長期工作在30%以下將會使進氣溫度升高,因而導致進氣閥和排氣溫度升高。無極氣量調節(jié)控制建議溫升不應超過10℃。因此,壓縮機負荷取30%做為超弛控制和無極氣量調節(jié)控制的分界點,如圖2所示。負荷在0~30%由原超馳控制,對應回流閥0~100%的關度,此時無極氣量調節(jié)控制的負荷固定在30%。負荷在30~100%由無極氣量調節(jié)控制,此時回流閥為全關。完全利用其“回流省功”原理,根據(jù)實際工況(低信號選擇器的輸出)實時調節(jié)壓縮機負荷,以達到控制再接觸罐及系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

        超弛控制和無極氣量調節(jié)控制之間的切換,既手動模式和自動模式之間的切換,可以簡化為分程控制分程點在30%(無極氣量調節(jié)控制)~100%(超弛控制)的移動過程。為了減少在切換過程中對系統(tǒng)壓力的擾動,分程點是以2%/秒的速率移動。另外,在手動模式切換至自動模式時,應先手動調節(jié)壓縮機負荷,使其與低信號選擇器的輸出基本一致時再切換至自動模式,在控制方案中考慮到無極氣量調節(jié)控制自身(HU、CIU)故障發(fā)生時,無極氣量調節(jié)控制從控制系統(tǒng)中自動退出,并把控制權交給原超弛控制。

        控制方案在DCS操作站表示的手動模式是指:分程點移至100%,壓縮機負荷被置為100%,原超弛控制信號(低選器的輸出)直接控制回流閥,操作員可在0~100%之間手動調節(jié)壓縮機負荷。

        控制方案在DCS操作站表示的自動模式是指:分程點移至30%,如果低信號選擇器的輸出在30~100%范圍內,回流閥全關,壓縮機跟據(jù)低信號選擇器的輸出自動調節(jié)負荷(最佳控制模式);如果低信號選擇器的輸出在0~30%范圍內,壓縮機負荷被固定置為30%,回流閥閥位對應0~100%的關度。控制系統(tǒng)手、自動模式切換如圖3所示。

        4 無級氣量調節(jié)系統(tǒng)的設計

        4.1 系統(tǒng)控制功能要求

        實現(xiàn)K202A壓縮機在0~100%負荷內手動連續(xù)調節(jié)和30~100%負荷內自動調節(jié)且長期穩(wěn)定運行。

        對壓縮機K202A/B/C一、二級總入口壓力和二級總出口壓力進行自動控制,僅需輸入要求的壓力值,控制系統(tǒng)便自動跟蹤并快速穩(wěn)定其壓力。

        當無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)自身故障時可自動切除,壓縮機進入100%負荷運行,原超馳控制系統(tǒng)完全接手控制任務(與未上無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)之前的狀態(tài)完全一樣)。

        能夠實現(xiàn)K202A壓縮機的平穩(wěn)啟動、加載、切機、停機和重新投用。

        根據(jù)工藝需要可實現(xiàn)無極氣量調節(jié)控制系統(tǒng)的手動切除,K202A壓縮機平穩(wěn)恢復到原超馳控制狀態(tài)。

        實現(xiàn)無極氣量調節(jié)控制液壓油站HU和中間接口單元CIU故障聯(lián)鎖邏輯控制。

        4.2 控制功能的實現(xiàn)

        無極氣量調節(jié)控制本身不承擔任何控制任務。它本質上是一個接受4~20mA標準電流信號的調節(jié)閥,可直接用裝置現(xiàn)有的DCS進行控制。實現(xiàn)控制功能的整體控制方案由DCS組態(tài)完成。壓縮機一、二段控制方案相同,以下主要介紹一段控制方案的實現(xiàn)。

        由于控制方案較為復雜,因此采用DCS內部多個計算模塊CLAC組合編程。圖4為控制系統(tǒng)DCS模塊組織結構示意圖,其中虛線部分為原有模塊,細實線為模塊內部控制信號,粗實線為連續(xù)量控制信號。

        PY2016GA是主控模塊,其作用如下:

        根據(jù)操作員操作手動模式、自動模式實現(xiàn)分程點以2%/秒的速率在30~100%之間的移動。

        判斷無極氣量調節(jié)控制聯(lián)鎖邏輯K202ALS輸出狀態(tài),置位分程點:當狀態(tài)為1(正常)時,分程點不變化;當狀態(tài)為0(故障)時,置分程點為100%。

        當分程點在移動過程中無極氣量調節(jié)控制發(fā)生故障聯(lián)鎖時,置分程點為100%,并將移動標志復位。

        輸出實時分程點。

        PY2016GB是隨動模塊,其作用一是根據(jù)PY2016GA輸出的實時分程點,判斷低信號選擇器PY2016B的輸出值。當控制系統(tǒng)為自動模式(分程點為30%)時,如果低信號選擇器PY2016B的輸出值為0~30%,PY2016GB將控制權交給回流閥PV2016A,通過運算對應0~100%的關度,并將壓縮機負荷置為30%;如果低信號選擇器PY2016B的輸出值為30~100%,回流閥PV2016A全關,低信號選擇器PY2016B的輸出通過開關模塊PY2016SWCH直接送至下游模塊UIC1701A作線性化處理后去控制壓縮機負荷,這是無極氣量調節(jié)控制控制的最佳模式(系統(tǒng)壓力調節(jié)速度快、穩(wěn)定并節(jié)省大量電能)。二是在分程點移動過程中,PY2016GB根據(jù)分程點的實時位置與低信號選擇器PY2016B的輸出進行比較、判斷和跟隨計算,并將結果送給回流閥和無極氣量調節(jié)控制。

        PY2016MA為控制系統(tǒng)手、自動模式切換模塊。PY2016GE為控制系統(tǒng)在手動模式時,壓縮機負荷0~100%的手動輸入模塊,它的工作方式(手動和自動)由主控模塊PY2016GA控制;當PY2016MA為自動模式時,PY2016GE也為自動方式,其輸入跟蹤PY2016GB至無極氣量調節(jié)控制的輸出值,并輸出至PY2016SWCH的第二個輸入端,等待控制系統(tǒng)切換至手動模式時實現(xiàn)無擾動;當PY2016MA為手動模式時,PY2016GE為手動方式,操作員可在0~100%范圍內手動輸入壓縮機負荷。PY2016SWCH可簡化為“單刀雙擲”開關,動作由PY2016GA控制。

        K202ALS1、2、3使用計算模塊(CLAC)編程,其功能實現(xiàn)壓縮機啟動邏輯、聯(lián)鎖邏輯和時序控制。首先液壓油站HU啟動,待油壓建立后啟動主電機,延時20秒待轉速正常后,等待手動輸入壓縮機負荷值大于0%時,中間接口單元CIU ENABLE。此時,壓縮機負荷在0~30%范圍內經(jīng)過線性器UIC1701A后均被置為40%的實際負荷。

        此外,液壓油壓力低、HU和CIU故障等信號均參與聯(lián)鎖控制。有如下4種狀態(tài):

        (1)主電機運行、油站停,壓縮機負荷為100%;(2)主電機停,壓縮機負荷0%;(3)主電機運行、油站運行,但CIU為DISABLE狀態(tài),壓縮機負荷0%;(4)主電機運行、油站運行,CIU為ENABLE狀態(tài),為控制系統(tǒng)控制壓縮機負荷0~100%,這是無極氣量調節(jié)控制的正常運行狀態(tài)。

        5 結束語

        無極氣量調節(jié)系統(tǒng)的投用極大地改善了壓縮機的可操作性,滿足復雜多變的工藝需求外,還能最大限度地節(jié)省能量。有效地降低了壓縮機機組級間冷卻器的負荷,也是現(xiàn)有超弛控制系統(tǒng)的有益補充。對同類裝置的應用具有一定的參考意義。

        參考文獻:

        [1]《連續(xù)重整裝置工藝技術規(guī)程》內部資料[S].1999.

        [2]《I/A Series Electronic Documentation V8.2》FOXBORO英文資料[Z].2012.

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