劉衍釗，高彩霞

(1.中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101；2.青島環(huán)灣檢測(cè)評(píng)價(jià)股份有限公司,山東 青島 266101)

0 引言

某高壓加氫精密分餾裝置采用導(dǎo)熱油系統(tǒng)，由熱媒循環(huán)泵將導(dǎo)熱油送至導(dǎo)熱油爐進(jìn)行加熱，再通過(guò)供熱節(jié)點(diǎn)(重沸器)將熱量傳遞給油品等工藝介質(zhì)。導(dǎo)熱油系統(tǒng)采用閉環(huán)系統(tǒng)，所需壓力低，加熱較為均勻，具有傳熱效果好、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和節(jié)能等特點(diǎn)。由于導(dǎo)熱油爐輻射管內(nèi)的導(dǎo)熱油流速不能過(guò)低，若導(dǎo)熱油系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)，會(huì)影響傳熱系數(shù)和傳熱平均溫差的變化，導(dǎo)致傳熱效率降低，使得供熱節(jié)點(diǎn)的介質(zhì)溫度出現(xiàn)波動(dòng)[1]。對(duì)于加氫精密分餾裝置，為提高生產(chǎn)質(zhì)量，必須保證分餾階段中工藝介質(zhì)加熱過(guò)程平穩(wěn)[2]。因此，需要采用合理的控制方案，保證導(dǎo)熱油系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 導(dǎo)熱油系統(tǒng)

導(dǎo)熱油系統(tǒng)主要由儲(chǔ)油罐、熱媒循環(huán)泵、導(dǎo)熱油爐、換熱器和膨脹罐等設(shè)備組成。儲(chǔ)存在儲(chǔ)油罐中的導(dǎo)熱油通過(guò)熱媒循環(huán)泵送至導(dǎo)熱油爐加熱，再通過(guò)換熱器將熱量傳遞給油品等生產(chǎn)介質(zhì)；同時(shí)，采用膨脹罐防止導(dǎo)熱油因受熱膨脹導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)熱油系統(tǒng)超壓，并具有高位補(bǔ)壓以及系統(tǒng)補(bǔ)油等作用[3]。

常規(guī)導(dǎo)熱油系統(tǒng)工藝流程比例積分微分(proportion integrtion differentiation,PID)示意圖如圖1所示。

圖1 工藝流程PID示意圖Fig.1 Diagram of process flow PID

2 導(dǎo)熱油系統(tǒng)控制方案

導(dǎo)熱油系統(tǒng)采用閉環(huán)式循環(huán)系統(tǒng)。在生產(chǎn)中要保證整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，一般需要關(guān)注以下幾點(diǎn)。

①生產(chǎn)中換熱單元的負(fù)荷可能存在較大的波動(dòng)，如換熱器堵塞、管道泄漏、單元關(guān)停等，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)熱油系統(tǒng)壓力波動(dòng)。

②為避免導(dǎo)熱油過(guò)熱發(fā)生分解并產(chǎn)生積碳，導(dǎo)熱油爐輻射管內(nèi)的導(dǎo)熱油流速不能過(guò)低，一般不低于2 m/s；同時(shí)，對(duì)流管內(nèi)導(dǎo)熱油流速則不低于1.5 m/s。

③各供熱節(jié)點(diǎn)所需的熱能不同，需要對(duì)換熱單元導(dǎo)熱油流量進(jìn)行控制，同時(shí)避免引起導(dǎo)熱油系統(tǒng)的壓力波動(dòng)。

可以看出，以上三點(diǎn)之間相互影響、制約。如：對(duì)換熱單元進(jìn)行流量控制時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)導(dǎo)熱油流量，進(jìn)而影響導(dǎo)熱油爐內(nèi)流速[4]。

本文對(duì)導(dǎo)熱油控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)、優(yōu)化。

2.1 導(dǎo)熱油系統(tǒng)壓力控制方案

該裝置導(dǎo)熱油系統(tǒng)循環(huán)泵采用了離心泵。泵自身無(wú)變頻調(diào)速功能，需要通過(guò)調(diào)節(jié)閥改變管道特性，進(jìn)而調(diào)節(jié)循環(huán)泵的工作點(diǎn)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方案一般有以下2種。

①泵出口直接增加調(diào)節(jié)閥的直接節(jié)流控制方案。

②泵出口增加旁路回流調(diào)節(jié)閥的回流控制方案。

采用直接節(jié)流控制方案，雖然可以提高控制的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，但考慮到離心泵流量不能低于額定值的30%以及導(dǎo)熱油爐的流速限制，采用增加旁路回流調(diào)節(jié)閥的控制方案相對(duì)更加安全、可靠。

與壓縮機(jī)控制方案類似，采用旁路調(diào)節(jié)雖然會(huì)造成一部分能量損失，但旁路調(diào)節(jié)閥的尺寸一般小于直接節(jié)流調(diào)節(jié)閥，能夠降低成本且便于安裝維護(hù)[5]。因此，綜合考慮安全、成本、維護(hù)等多方面因素，旁路回流調(diào)節(jié)方案更適合該裝置的導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)。

旁路調(diào)節(jié)控制方案采用導(dǎo)熱油爐出口壓力調(diào)節(jié)旁路調(diào)節(jié)閥的壓力控制方案。當(dāng)熱媒循環(huán)泵送出的導(dǎo)熱油與下游各供熱節(jié)點(diǎn)的需求量不一致，反饋至導(dǎo)熱油系統(tǒng)的壓力會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)，通過(guò)旁路壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)整送至主路的導(dǎo)熱油量，將系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值處，保持主路系統(tǒng)壓力的平衡狀態(tài)[6]。

2.2 導(dǎo)熱油系統(tǒng)流量控制方案

為保證流經(jīng)導(dǎo)熱油爐的導(dǎo)熱油流量不低于規(guī)范要求的限定值，通常在導(dǎo)熱油爐出口設(shè)置流量計(jì)，用于低流量聯(lián)鎖保護(hù)。低流量時(shí)直接聯(lián)鎖關(guān)停導(dǎo)熱油系統(tǒng)，將會(huì)極大地影響裝置的正常生產(chǎn)；而若不能在低流量時(shí)及時(shí)關(guān)停，又會(huì)造成導(dǎo)熱油過(guò)熱裂解和結(jié)焦引發(fā)異常事故。

因此，該裝置導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)置了3組流量計(jì)作3取2流量低低聯(lián)鎖，關(guān)停導(dǎo)熱油系統(tǒng)，既能保證安全關(guān)斷，又可避免因流量計(jì)故障導(dǎo)致導(dǎo)熱油系統(tǒng)非正常關(guān)停。

采用旁路調(diào)節(jié)的導(dǎo)熱油系統(tǒng)控制方案如圖2所示。

圖2 采用旁路調(diào)節(jié)的導(dǎo)熱油系統(tǒng)控制方案示意圖Fig.2 Heat transfer oil system control scheme with the bypass regulation

3 導(dǎo)熱油系統(tǒng)優(yōu)化控制方案

采用導(dǎo)熱油系統(tǒng)旁路上的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)主路壓力。以此為主要控制手段，可以減少頻繁的壓力波動(dòng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但當(dāng)導(dǎo)熱油系統(tǒng)或下游供熱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，主路壓力下降，旁路上壓力調(diào)節(jié)可能會(huì)持續(xù)控制回流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，直至其處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，由于主路導(dǎo)熱油泄漏，同時(shí)旁路關(guān)閉，可能會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)導(dǎo)熱油爐的流量低于限定值，直接引發(fā)導(dǎo)熱油系統(tǒng)的聯(lián)鎖關(guān)停。

為了使導(dǎo)熱油系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，降低因下游供熱節(jié)點(diǎn)的故障直接引發(fā)的導(dǎo)熱油系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)停頻率，對(duì)該裝置導(dǎo)熱油系統(tǒng)控制方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.1 系統(tǒng)安全性能優(yōu)化

導(dǎo)熱油系統(tǒng)故障可能造成較高風(fēng)險(xiǎn)或經(jīng)濟(jì)損失。為保證其安全回路的安全完整性等級(jí)能夠滿足安全要求，將導(dǎo)熱油爐出口流量3取2低低聯(lián)鎖關(guān)停優(yōu)化設(shè)計(jì)為2取1聯(lián)鎖觸發(fā)，確保該安全聯(lián)鎖在流量低低的情況下能夠及時(shí)關(guān)停導(dǎo)熱油系統(tǒng)。

①1oo2方案。

(1)

SSTR=6×(λS)2×MMTTR

(2)

②2oo3方案。

PPFD-avg=(λDU)2×TTI2

(3)

SSTR=2×λS

(4)

式中：PPFD-avg為危險(xiǎn)失效平均概率；SSTR為安全失效概率；λDU為未檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率；TTI為維護(hù)周期；λS為安全或故障停車失效率；MMTTR為平均維修時(shí)間。

但對(duì)于相同的安全或故障停車失效率λS，采用2取1方案的SSTR則遠(yuǎn)高于3取2方案，增加了系統(tǒng)的誤停車率[7]。

3.2 系統(tǒng)可靠性能優(yōu)化

為合理調(diào)整系統(tǒng)的安全性和可靠性、減少系統(tǒng)不必要的停車概率，將不參與聯(lián)鎖的1路流量計(jì)與導(dǎo)熱油系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)回路作自動(dòng)選擇控制。流量計(jì)設(shè)定低流量報(bào)警(該報(bào)警值略高于低低流量聯(lián)鎖值)。當(dāng)流量低于報(bào)警值時(shí)，旁路上調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)回路將由壓力調(diào)節(jié)切換至流量調(diào)節(jié)，通過(guò)回流保證導(dǎo)熱油流量不低于限定值。該控制方案可以在導(dǎo)熱油系統(tǒng)壓力或流量波動(dòng)的情況下，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)熱油回流量來(lái)保證系統(tǒng)的壓力和流量最小限值，避免因流量和壓力持續(xù)降低直接導(dǎo)致系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)停造成不必要的損失，保證系統(tǒng)最低運(yùn)行工況，為生產(chǎn)操作爭(zhēng)取更多的調(diào)整時(shí)間。

采用選擇控制的導(dǎo)熱油系統(tǒng)控制方案如圖3所示。

圖3 采用選擇控制的導(dǎo)熱油系統(tǒng)控制方案示意圖Fig.3 Heat transfer oil system control scheme with the selective control

4 供熱節(jié)點(diǎn)流量控制優(yōu)化方案

該導(dǎo)熱油系統(tǒng)的供熱節(jié)點(diǎn)溫度控制方案，由加熱介質(zhì)出口溫度直接控制導(dǎo)熱油量。同時(shí)，為保證供熱節(jié)點(diǎn)導(dǎo)熱油的穩(wěn)定性，將加熱介質(zhì)出口溫度(TE-201)與導(dǎo)熱油流量(FT-201)作串級(jí)控制，可有效減少系統(tǒng)干擾對(duì)供熱效果的影響[8]。

加熱介質(zhì)溫度與導(dǎo)熱油流量的串級(jí)控制方案如圖4所示。

圖4 串級(jí)控制方案示意圖Fig.4 Cascade control scheme

但在裝置運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：若某供熱節(jié)點(diǎn)(或多個(gè)供熱節(jié)點(diǎn))對(duì)導(dǎo)熱油需求量較大，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)發(fā)生滯后時(shí)，采用上述控制方案會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱油系統(tǒng)很難獲得控制平衡點(diǎn)。這會(huì)使導(dǎo)熱油系統(tǒng)發(fā)生較大的負(fù)荷波動(dòng)，影響其他供熱節(jié)點(diǎn)的溫度調(diào)節(jié)[9]。

因此，為降低供熱節(jié)點(diǎn)對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)的影響，為負(fù)荷較大的供熱節(jié)點(diǎn)增加旁路并設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥。采用加熱介質(zhì)出口溫度(TE-201)分程控制導(dǎo)熱油供熱線調(diào)節(jié)閥(TV-201A)和導(dǎo)熱油旁路調(diào)節(jié)閥(TV-201B)的控制方案。

加熱介質(zhì)溫度分程控制方案如圖5所示。

圖5 加熱介質(zhì)溫度分程控制方案示意圖Fig.5 Split control scheme for heating medium temperature

在供熱節(jié)點(diǎn)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)的情況下，導(dǎo)熱油通過(guò)旁路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)熱油總量保持不變，保證了導(dǎo)熱油系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性[10-11]。

通過(guò)仿真某供熱節(jié)點(diǎn)負(fù)荷波動(dòng)的異常工況，導(dǎo)熱油系統(tǒng)出口壓力調(diào)節(jié)仿真曲線如圖6所示。

圖6 導(dǎo)熱油系統(tǒng)出口壓力調(diào)節(jié)仿真曲線Fig.6 Simulation curves of outlet pressure adjustment of heat transfer oil system

由圖6可知：曲線B供熱節(jié)點(diǎn)采用分程控制方案對(duì)系統(tǒng)壓力的控制明顯優(yōu)于采用流量串級(jí)控制的曲線A，保證了其他供熱節(jié)點(diǎn)不會(huì)受到導(dǎo)熱油系統(tǒng)波動(dòng)的影響。實(shí)踐證明，導(dǎo)熱油系統(tǒng)優(yōu)化控制方案在實(shí)際投運(yùn)后，裝置的控制效果和產(chǎn)品收益均有明顯提升。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)和供熱節(jié)點(diǎn)控制方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行了合理分配。該方案既提高了導(dǎo)熱油系統(tǒng)的安全等級(jí)，又保證了導(dǎo)熱油系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證，對(duì)同類裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用具有積極的指導(dǎo)意義。

優(yōu)化設(shè)計(jì)所采用的控制方案均成熟可靠、易于實(shí)現(xiàn)，極大地提高了該裝置生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)操作的效率、降低了系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)概率和能量損失，對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。