化工厂蒸汽平衡的控制方案研究

彭琳

(中国五环工程有限公司，武汉 430223)

蒸汽平衡事关化工厂的安全稳定运行与节能，蒸汽平衡可分为静态平衡和动态平衡[1]。静态平衡是根据全厂蒸汽用户用汽量、工艺余热锅炉和蒸汽透平的能力，确保在正常工况下，全厂蒸汽用汽得到满足且无过剩蒸汽放空，其他稳定工况下主要用汽设备用汽得到满足且蒸汽放空最少；动态平衡是通过分析影响蒸汽管网的因素，预先确定处理蒸汽管网波动及事故工况的方案，保证蒸汽管网的稳定可控。

建立蒸汽平衡方案的步骤： 确定主要蒸汽用户；根据全厂用汽情况确定各压力等级蒸汽规模；根据各工况下全厂蒸汽用量分析确定设备方案；根据系统动态分析和设备方案确定控制方案；通过动态模拟检验、优化控制方案。笔者结合某化工项目，重点研究了蒸汽平衡中的减温减压器[2-4]、放空阀等设备的控制方案。

1 蒸汽平衡的建立过程

该项目以天然气为原料，包括合成装置(天然气压缩、脱硫、转化、CO转化、CO2脱除、甲烷化、氨合成等)，尿素装置(尿素合成、高压分解、中低压分解、真空浓缩)，造粒等工序，生产能力为合成氨50 kt/a、尿素80 kt/a。

1) 该项目主要的蒸汽用户，详见表1～表3所列。

表1 合成氨装置主要蒸汽用户

2) 通过分析表1～表3主要的蒸汽用户及压力等级，确立了表4所列的蒸汽压力等级方案。

表2 尿素装置主要蒸汽用户

表3 公用工程主要蒸汽用户

表4 蒸汽压力等级方案

3) 各压力等级蒸汽的产汽设备配置见表5所列。

表5 典型的设备配置方案

2 控制方案的研究[5-8]

2.1 减温减压器的设置

超高压段蒸汽主要供给合成气压缩机及氨压缩机；而高压段的蒸汽，正常情况下，来源于合成气压缩机及氨压缩机抽汽以及辅助锅炉。合成气压缩机透平抽汽产量约为107 t/h，氨压缩机透平抽汽产量约为101 t/h。正常时，各减温减压器处于全关的状态，或者各减温减压器都只留有少量蒸汽通过，以达到热备用的目的；当透平跳车时，高压段蒸汽由减温减压器来提供。

由于合成气压缩机透平和氨压缩机透平可能同时跳车，也可能分别单独跳车，那么此时减温减压器的设置可以为图1a)～b)两种方案。

图1 减温减压器设置方案示意

1) 设置1台200 t/h的减温减压器，如图1a)所示。当合成气压缩机和氨压缩机同时跳车时，通过联锁迅速开启该减温减压器内的减温减压阀(通常不超过1 s)[9]。若只有其中1个压缩机透平跳车，则可采用跟踪透平入口的蒸汽流量，不同的透平在不同负荷下跳车时，对应的减温减压阀会有不同的开度。当反馈回来的阀门开度等于送出的阀门开度信号时，减压阀恢复压力调节。此方案需要根据阀门特性曲线，计算出阀门的开度以及对应于此时需泄放的蒸汽流量，理论上可行，而实际上的控制精度并不高。因为阀门需根据现场实际配管情况得到阀门的工作流量特性，再建立阀门工作流量特性曲线模型，在DCS中进行组态。如果组态采用折线函数或者将各种需泄放的流量对应的开度做成表格，存储在DCS中，当联锁跳车时，DCS自动提取表格中的值，得到阀门需打开的开度，实际上这样的控制精度也不理想。所以该设计方案，理论上很完美，实际操作难度大，另外由于减温减压阀门口径较大，投资也很大。

2) 设置2台100 t/h的减温减压器分别对应于合成气压缩机和氨压缩机，如图1b)所示。当合成气压缩机和氨压缩机同时跳车时，通过联锁会迅速全开这2台减温减压器的减温减压阀。若只有某台压缩机跳车，则联锁只全开对应的减温减压阀，其好处是： 减温减压阀全开时通过的蒸汽流量约等于该台跳车的压缩机透平的抽汽量，几秒钟之后(可通过模拟仿真来确定具体时间)，减温减压阀就可以切换为压力自动控制，通过高压蒸汽管网的压力来自动调节减温减压阀的开度大小，以达到高压蒸汽管网的平衡。该设计方案，控制清晰，减温减压阀的动作明确，使管网能够快速适应变化并保证管网的安全可靠。

方案二将方案一中的减温减压器改作2个大小合适的减温减压器，使得控制更加可靠与安全，但是也应注意： 作为事故旁路的减温减压器，减温减压器的蒸汽流量不应小于透平的背压排汽和抽汽的最大量。

2.2 放空阀的设置

根据需求，各个压力等级的蒸汽管网需设置必要的放空阀，在事故情况下，短期内将多余的蒸汽放空，以维持管网压力。全厂外管网根据各级管网负荷和蒸汽动力设备的情况选择合适的放空阀，其能力需能够覆盖全厂单个装置或分区最大的蒸汽需求。放空阀的口径大小及个数的设置类似于减温减压阀的设置，不再赘述。

3 应用实例

将2个减温减压器设置于超高压蒸汽管网与高压蒸汽管网之间，用于满足工艺装置正常操作、开车及压缩机组透平跳车等情况下的高压蒸汽需求，如图2所示。

图2 全厂蒸汽平衡设置方案

图2中，2个减温减压器采用分程控制，取压点设置在超高压蒸汽管网上。一旦合成气压缩机组跳车，那么U29301A减温减压阀会全开，确保100 t/h的蒸汽从超高压段泄放至高压段蒸汽；之后再切换至压力自动控制，使超高压段的压力稳定下来。若压缩机组跳车，则U29301B减温减压阀会先动作。

由于高压蒸汽管网与低压蒸汽管网之间的透平抽汽量并不大，减温减压器的设置也较简单，故只设置了1个减温减压器U29302。在高压蒸汽管网上，设置有2个放空阀29PV3004和29PV3005，用于保护高压蒸汽管网。当CO2压缩机组跳车时，放空阀29PV3005会立即全开，泄放掉50 t/h的高压蒸汽，然后转为自动控制，以维持高压蒸汽管网的压力平衡。另1个放空阀29PV3004一直设置为压力自动控制状态，同样起到维持高压蒸汽管网的压力平衡的作用。

4 结束语

除了文中讨论的减温减压器、放空阀等的设

置，安全阀、用汽设备负荷的调节等也会对全厂的蒸汽平衡产生影响[10]。蒸汽平衡是一个复杂的系统，与多个专业设计内容密切相关。文中针对蒸汽系统中控制方案的讨论，主要侧重于自控专业的设计内容，期望使工厂的蒸汽平衡的控制方案设计得合理有效，能充分地降低生产成本和能耗。

参考文献：

[1]孙宏，韩振飞.炼油乙烯工程IGCC装置蒸汽平衡浅析[J].炼油技术与工程，2008，38(09)： 4-7.

[2]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB/T 10868—2005电站减温减压阀[S].北京： 中国标准出版社，2006.

[3]白会平，牟福祥，李世虎，等.减温减压调节装置在电厂的应用分析及功能探讨[J].电气传动自动化，2009，31(04)： 62-65.

[4]张泽栋.事故减温减压器在全厂大联锁中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2013(12)： 79.

[5]徐忠，李连福.浅析广州乙烯装置的蒸汽平衡[J].乙烯工业，1999，11(03)： 25-28.

[6]曹美杰，孙静，曲径幽.海水淡化减温减压站自动控制系统研究及改进[J].冶金动力，2013(07)： 73-77.

[7]杨国锋，陈峰.煤化工项目全厂蒸汽平衡的经验总结[J].广州化工，2013，41(01)： 153-155.

[8]徐晓明.煤化工项目全厂蒸汽平衡及蒸汽系统设计[J].中国科技纵横，2011，15(01)： 371-372.

[9]田广霁.燃气-蒸汽联合循环二拖一机组大联锁保护方案的设计与应用[J].华北电力技术，2013(11)： 18-20.

[10]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动化控制设计手册[M].3版.北京： 化学工业出版社，2000.