宋春，許可

（中石油云南石化有限公司， 云南 昆明 650300）

中石油云南石化有限公司連續(xù)重整裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為240萬噸/年，為目前國內(nèi)同類單體最大裝置。重整裝置穩(wěn)定運(yùn)行的核心條件為重整反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，該系統(tǒng)壓力控制方案為UOP推薦的三分程控制方案，即重整循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐壓力由重整氫增壓機(jī)入口分液罐壓力控制，同時，重整氫增壓機(jī)入口分液罐壓力由重整氫增壓機(jī)轉(zhuǎn)速、重整氫增壓機(jī)一段防喘振返回、重整氫增壓機(jī)入口分液罐放空三個條件分別控制。

根據(jù)目前國內(nèi)重整裝置的運(yùn)行情況，反應(yīng)系統(tǒng)三分程控制全部投用自動的企業(yè)僅2～3家，為實(shí)現(xiàn)裝置開工后就能將三分程系統(tǒng)全部投自動，在裝置開工前，通過學(xué)習(xí)其他企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，并在試車階段進(jìn)行大膽嘗試，對UOP推薦的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了一系列改進(jìn)，最終，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制方案優(yōu)化并且一次投用成功。優(yōu)化后的控制方案具有簡單、高效、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，對連續(xù)重整裝置的平穩(wěn)運(yùn)行及裝置節(jié)能降耗具有十分重要的意義。

1 重整工藝簡介

催化重整是石油煉制主要過程之一。它是在一定溫度、壓力、臨氫和催化劑存在的條件下，使石腦油轉(zhuǎn)變成富含芳烴的重整生成油，并副產(chǎn)氫氣的過程[1]。反應(yīng)壓力是催化重整的基本操作參數(shù)，它影響產(chǎn)品收率、需要的反應(yīng)溫度以及催化劑的穩(wěn)定性。催化重整的主要反應(yīng)時產(chǎn)生氫氣的環(huán)烷脫氫和烷烴環(huán)化脫氫，從熱力學(xué)的觀點(diǎn)分析，降低反應(yīng)壓力有利于向生成芳烴的反應(yīng)平衡移動，對提高產(chǎn)品收率有利；但另一方面，反應(yīng)壓力降低后氫壓下降，會增加催化劑上的積碳速率，影響催化劑的穩(wěn)定性而縮短操作周期。因此，連續(xù)重整裝置反應(yīng)系統(tǒng)對運(yùn)行參數(shù)的要求極為苛刻，各項(xiàng)工藝參數(shù)都只能在小幅范圍內(nèi)波動，對裝置的自控率要求較高，操作壓力對重整反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要，同時為了減少裝置能耗，壓力控制及防喘振系統(tǒng)必須投到串級控制。如果反應(yīng)系統(tǒng)壓力頻繁波動，極易造成重整反應(yīng)器積碳進(jìn)而損壞反應(yīng)器內(nèi)件，同時對重整產(chǎn)氫、重整四合一爐操作等均會帶來較大影響。

2 原控制方案解析

重整產(chǎn)氫經(jīng)循環(huán)氫壓縮機(jī)增壓后，一部分氫氣返回重整反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，其余部分由重整氫增壓機(jī)增壓后，外送至氫氣管網(wǎng)，因此，重整氫增壓機(jī)的入口分液罐壓力、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)直接影響重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力。

目前，國內(nèi)該系統(tǒng)壓力控制方案大部分為UOP推薦的三分程控制方案，即重整循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐壓力由重整氫增壓機(jī)入口分液罐壓力控制，同時，重整氫增壓機(jī)入口分液罐壓力由重整氫增壓機(jī)轉(zhuǎn)速、重整氫增壓機(jī)一段防喘振返回、重整氫增壓機(jī)入口分液罐放空三個條件分別控制。當(dāng)計(jì)算參數(shù)為0%～33%時，表明重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力偏低，由重整氫增壓機(jī)一段防喘振返回，調(diào)整重整氫增壓機(jī)入口壓力，使其回升，進(jìn)而升高重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力。當(dāng)計(jì)算參數(shù)為33%～66%時，表明重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力與設(shè)定值偏差不大，由重整氫增壓機(jī)轉(zhuǎn)速控制重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力。當(dāng)計(jì)算參數(shù)為66%～100%時，表明重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力偏高，此時，逐漸打開重整氫增壓機(jī)入口分液罐放空閥，從而降低重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力，使其恢復(fù)到正常值。

圖1 UOP推薦重整三分程控制方案

3 重整三分程控制系統(tǒng)改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化控制邏輯

目前，該控制方案嚴(yán)格執(zhí)行0%～33%由重整氫增壓機(jī)一段防喘振返回控制，33%～66%由重整氫增壓機(jī)轉(zhuǎn)速控制，66%～100%重整氫增壓機(jī)入口分液罐放空控制，易造成單個條件調(diào)節(jié)幅度不夠，引起的氫氣系統(tǒng)壓力調(diào)整不及時，而如果將調(diào)整強(qiáng)度增大，又容易產(chǎn)生大幅波動，最終造成壓力震蕩，失去控制，需要人工調(diào)整。本項(xiàng)目計(jì)劃打破嚴(yán)格的0%～33%、33%～66%、66%～100%三個分段，由重整氫壓縮機(jī)全程參與控制，另外兩個控制條件根據(jù)計(jì)算、比選，在壓力波動較大時及時接入，從而實(shí)現(xiàn)小幅波動由單個措施控制，劇烈波動時，由兩個控制措施同時作用，進(jìn)而將重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制穩(wěn)定。

3.2 縮短控制回路

重整三分程控制方案的核心目的為控制重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力，即重整循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐壓力，按照UOP原設(shè)計(jì)方案，重整循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐壓力由重整氫增壓機(jī)入口分液罐壓力控制，同時，重整氫增壓機(jī)入口分液罐壓力由重整氫增壓機(jī)轉(zhuǎn)速、重整氫增壓機(jī)一段防喘振返回、重整氫增壓機(jī)入口分液罐放空三個條件分別控制。該控制方案流程過長，重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力通過重整氫增壓機(jī)入口壓力控制，導(dǎo)致壓力調(diào)整反饋滯后，容易產(chǎn)生振蕩。經(jīng)過分析，原UOP設(shè)計(jì)方案可以優(yōu)化為重整氫增壓機(jī)轉(zhuǎn)速、重整氫增壓機(jī)一段防喘振返回、重整氫增壓機(jī)入口分液罐放空三個條件直接根據(jù)重整循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐壓力進(jìn)行計(jì)算控制，從而縮短控制回路，使控制措施反應(yīng)更加迅速。同時，將原控制系統(tǒng)控制模塊由6個減少為5個，減輕了系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)荷，如圖2、圖3所示。

圖2 UOP推薦重整三分程控制畫面

圖3 優(yōu)化后的重整三分程控制畫面

3.3 實(shí)測機(jī)組防喘振曲線

3.3.1 離心式壓縮機(jī)喘振出現(xiàn)的原因及影響因素。離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)受到的壓力過大時，會造成喘振，具體原因有以下幾點(diǎn)：

(1)離心式壓縮機(jī)在正常運(yùn)行狀況下，轉(zhuǎn)速突然變化，當(dāng)離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速保持一定時，氣體流量與壓力之間會存在一定的相關(guān)性。如壓縮機(jī)在正常運(yùn)行狀況下產(chǎn)生的流量低于喘振流量時，很有可能會引起壓縮機(jī)發(fā)生喘振。因此，在離心式壓縮機(jī)正常運(yùn)行中，一定要確保離心式壓縮機(jī)的氣體流量超出喘振的流量。

(2)管網(wǎng)的特性發(fā)生變化。當(dāng)離心式壓縮機(jī)和系統(tǒng)管網(wǎng)同時運(yùn)行時，離心式壓縮機(jī)在特定轉(zhuǎn)速條件下產(chǎn)生的極限壓力要比系統(tǒng)壓力小得多，存在較大的壓力差，從而壓縮機(jī)出口處的流量會有所減少并且發(fā)生摒棄現(xiàn)象，最終造成管網(wǎng)內(nèi)的氣體回流，引發(fā)壓縮機(jī)發(fā)生喘振。另外，管網(wǎng)的容量對壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)有很大影響。離心式壓縮機(jī)吸入的氣體流量不足[2]，在壓縮機(jī)正常運(yùn)行中，吸入的氣體流量如果低于喘振流量時將引起壓縮機(jī)的喘振。管網(wǎng)容量增大時，壓縮機(jī)的喘振幅度也隨之增大，發(fā)生喘振現(xiàn)象會越來越嚴(yán)重，對壓縮機(jī)造成的破壞也就越強(qiáng)。

(3)介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化。通常狀況下，氣體狀態(tài)與流量有著非常密切的關(guān)系。如果將壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速固定，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力的提升會引發(fā)喘振流量的增加。而當(dāng)壓縮機(jī)管道出口處的壓力及壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速固定時，如果壓縮機(jī)進(jìn)口處的溫度升高，也會引起壓縮機(jī)的喘振。然而當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)口處壓力、出口處壓力、轉(zhuǎn)速全部固定時，如果發(fā)生氣體分量的明顯減少，也很容易引起壓縮機(jī)的喘振發(fā)生。

3.3.2 預(yù)防重整氫增壓機(jī)喘振采取的措施

(1)為防止重整增壓機(jī)轉(zhuǎn)速突變或聯(lián)鎖停機(jī)造成機(jī)組喘振，在系統(tǒng)邏輯設(shè)定中，優(yōu)化了轉(zhuǎn)速控制PID參數(shù)，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)。同時，增設(shè)聯(lián)鎖停機(jī)時防喘振閥自動全開邏輯，以便在機(jī)組停機(jī)情況下，將壓縮機(jī)出口壓力迅速引導(dǎo)至壓縮機(jī)入口，減少壓縮機(jī)出入口壓差，防止氣體在機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生回流進(jìn)而造成壓縮機(jī)喘振。

(2)在重整氫增壓機(jī)運(yùn)行過程中，管網(wǎng)特性的變化主要由重整三分程控制系統(tǒng)的防喘振閥打開或壓縮機(jī)入口分液罐的放空閥打開造成，因?yàn)樵摽刂葡到y(tǒng)為維持重整反應(yīng)壓力，需要通過上述調(diào)整來穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，但增壓機(jī)分液罐入口放空閥打開時，會迅速降低增壓機(jī)入口壓力，從而使機(jī)組進(jìn)出口壓差瞬間擴(kuò)大，增大介質(zhì)回流風(fēng)險(xiǎn)。因此，在優(yōu)化系統(tǒng)邏輯設(shè)定時，我們重新設(shè)定了重整氫增壓機(jī)一段入口壓力低限以及二段出口壓力高限，通過限定兩個壓力值，確保壓縮機(jī)進(jìn)出口壓差維持在可控范圍內(nèi)。同時，對壓縮機(jī)防喘振閥的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，使其進(jìn)行防喘振控制、重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制以及壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力高低限控制的比選，防止防喘振閥動作過程產(chǎn)生系統(tǒng)壓力波動或壓縮機(jī)喘振。

(3)重整氫增壓機(jī)介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化，主要由重整循環(huán)氫壓縮機(jī)入口空冷冷后溫度決定，當(dāng)空冷冷后溫度偏高時，重整氫氣純度下降；當(dāng)空冷冷后溫度偏低時，重整氫氣純度升高。為消除上述介質(zhì)狀態(tài)變化對壓縮機(jī)的影響，在重整循環(huán)氫壓縮機(jī)入口增設(shè)變頻空冷，使循環(huán)氫溫度維持穩(wěn)定，進(jìn)而使重整氫增壓機(jī)介質(zhì)狀態(tài)穩(wěn)定。同時，在壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)中，考慮溫度變化對機(jī)組工作點(diǎn)的影響，及時調(diào)整防喘振曲線位置。

在重整三分程控制方案中，重整氫增壓機(jī)一段防喘振返回作為一個重要的控制手段，需要時刻計(jì)算防喘振閥的開度，經(jīng)過上述優(yōu)化手段，重整氫增壓機(jī)一段防喘振閥可以實(shí)現(xiàn)同時參與壓縮機(jī)的防喘振控制和重整氫氣系統(tǒng)壓力控制，在此基礎(chǔ)上，為防止壓縮機(jī)防喘振曲線計(jì)算不準(zhǔn)確，出現(xiàn)因防喘振控制裕度過大引起的防喘振閥開度過大，增加重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制難度。在云南石化連續(xù)重整裝置開工階段，對重整氫增壓機(jī)進(jìn)行了實(shí)際工況條件下的防喘振實(shí)測，進(jìn)而得出真實(shí)的防喘振曲線，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，將防喘振曲線向左進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整，在滿足機(jī)組不喘振的前提下，增加了機(jī)組的可調(diào)整操作空間，同時大大降低了防喘振閥的開度。連續(xù)重整裝置防喘振控制系統(tǒng)及壓力控制系統(tǒng)全部投用到自動控制狀態(tài)后，連續(xù)重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力及再接觸系統(tǒng)壓力將處于穩(wěn)定操作狀態(tài)，經(jīng)過調(diào)試，壓縮機(jī)工況點(diǎn)始終運(yùn)行在喘振控制線上，距離喘振線始終留有合適的安全裕度，如圖4，重整氫增壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)行狀態(tài)，同時達(dá)到了防喘振系統(tǒng)的節(jié)能目標(biāo)。

圖4 重整氫增壓機(jī)防喘振控制畫面

4 結(jié)論

云南石化連續(xù)重整裝置三分程系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化后，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及運(yùn)行效率得到明顯提高，裝置實(shí)現(xiàn)了順利開工并且安全運(yùn)行，經(jīng)核算，重整三分程系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化投用后，僅實(shí)現(xiàn)重整氫增壓機(jī)防喘振閥全關(guān)一項(xiàng)，每年可實(shí)現(xiàn)節(jié)約生產(chǎn)成本約2700萬元。此外，重整三分程系統(tǒng)投用后，能夠穩(wěn)定重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力，防止反應(yīng)器內(nèi)件結(jié)焦，穩(wěn)定重整四合一爐及重整循環(huán)氫壓縮機(jī)操作，延長設(shè)備使用壽命，大量減少操作人員負(fù)擔(dān)，同時能夠在開工階段最大限度地減少了氫氣放火炬，在停工階段，直至壓縮機(jī)接近喘振點(diǎn)時，才停止重整氫氣外送，上述成果均能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 徐承恩主編. 催化重整工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2006.

[2] 張倩. 離心式壓縮機(jī)的喘振及防喘振控制分析[J].化工管理，2019，(20)：143-144.