环氧乙烷反应器高压蒸汽包控制方案及联锁保护

李学，崔锦福，朱彦兴

(1. 中国石油集团东北炼化工程有限公司 吉林设计院，吉林 吉林 132002；

2. 中国石油吉林石化公司 乙烯厂，吉林 吉林132002 )



环氧乙烷反应器高压蒸汽包控制方案及联锁保护

李学1，崔锦福1，朱彦兴2

(1. 中国石油集团东北炼化工程有限公司 吉林设计院，吉林 吉林 132002；

2. 中国石油吉林石化公司 乙烯厂，吉林 吉林132002 )

摘要：高压蒸汽包作为环氧乙烷(EO)反应器冷却系统的关键设备，其控制方案的作用很重要。采用高压汽包三冲量控制方案，同时在氧气混合站设置了联锁保护装置。阐述了该方案的功能及操作和执行方式。实际应用证明，该控制方案使得高压蒸汽包锅炉给水流量与出口高压蒸汽流量达到平衡，同时实现了对高压蒸汽包的水位控制；通过高压蒸汽包液位及出口高压蒸汽压力的联锁，保护了反应器及生产装置的安全，使用效果良好。

关键词：环氧乙烷高压蒸汽包三冲量控制汽包水位控制

环氧乙烷是乙烯和纯氧在反应器中通过银催化剂作用生成的，反应的同时会产生大量的热量，为放热反应，需建立反应器冷却系统对其进行冷却并回收反应产生的热量。反应器冷却系统基于热虹吸原理运行，自高压蒸汽包来的凝液从反应器底部进入，经反应器产生汽水混合物，并经反应器顶部返回高压蒸汽包进行汽液分离，高压蒸汽包产生的蒸汽送入蒸汽管网作为热量进行回收利用。

目前锅炉汽包广泛采用三冲量控制系统方案，而环氧乙烷装置高压蒸汽包则采用了前馈-串级控制系统方案，进一步提高了给水控制系统的控制质量，充分发挥了分散控制系统的高级控制功能[1]。

1控制方案

1.1三冲量控制系统方案

汽包水位三冲量控制系统如图1所示，高压蒸汽包的液位通过主回路调节器LIC-01调节，同时重置锅炉给水流量调节器FIC-02，当汽包液位增加时(突然上升) 意味着一个更剧烈的反应发生和较多的蒸汽产生。 在上述情况下需要更多的水，此时调节器错误地反应为减少给水量。为确保正确控制蒸汽流量，将蒸汽流量FIC-01作为前馈信号引入到锅炉给水串级调节副回路中，即对FIC-02的前馈控制[2]，当出口蒸汽流量增大时，直接导致更多的锅炉给水，不考虑LIC-01的作用。通常蒸汽流量和锅炉给水流量是相等的，汽包中液位会是稳定的。采用蒸汽流量前馈控制有两个优点：蒸汽流量改变时能自动改变给水流量，不需要等到液位产生偏差后再引入校正作用，有利于汽包液位的平稳控制；LIC-01作为串级调节的主回路，可以把比值度和积分时间放得稍大，以使给水流量较为平稳。

图1　控制回路示意

虽然，三冲量汽包水位控制系统能及时克服给水系统的干扰,改善控制品质，但是调节过程中还需要解决一个输入信号系统的静态匹配问题，且动态整定过程也比较复杂，因而采用前馈-串级控制方案，利用前馈使给水量及时跟踪输出量，利用串级调节副回路实现对锅炉给水量的调节，利用串级调节主回路实现对水位的调节。

1.2汽包水位影响因素分析

前馈-串级控制系统影响汽包水位的主要因素有锅炉给水流量和出口蒸汽流量。

1.2.1给水流量对汽包水位的影响

液位H对给水流量扰动响应曲线如图2所示。如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线如曲线a1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和水的温度，当进入汽包后吸收了原有饱和水中的一部分热量使得汽包内部的蒸汽产量下降，液位以下的汽液混合物的总体积也会相应减小，从而导致液位下降，如曲线b1所示。液位的实际响应曲线应是曲线a1和b1之和，如曲线c1所示。从图2中可以看出该响应过程有一段延迟时间，即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。

图2　给水流量扰动响应曲线

其传递函数可以近似表示为

(1)

式中：ε1——汽包水位的变化速度；τ——延迟时间。

其扰动传递函数如图3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的串联的形式。

图3给水扰动传递函数

1.2.2出口蒸汽流量对汽包液位的影响

液位H对出口蒸汽流量扰动响应曲线如图4所示。当汽包出口蒸汽量FT-01突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的液位平衡，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如a2所示，另一方面由于汽包出口蒸汽量的突然增加，将使汽包内气泡增多，同时由于反应器放热量维持不变，因而汽包压力下降，会导致液位以下蒸汽泡膨胀，总体积增大，从而导致汽包液位上升，如曲线b2所示。液位的实际响应曲线应该是曲线a2和b2之和，如曲线c2所示。通常情况后者的影响要大于前者，因而出口蒸汽量做阶跃增加后的一段时间内会出现液位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“虚假水位”，可以认为这是一个惯性加积分环节。其传递函数可以近似地表示为

(2)

式中：ε2——汽包液位对于蒸汽流量的上升速度；t0——“虚假水位”的延迟时间；K——常数。

2联锁保护

氧气混合站(OMS)是环氧乙烷装置反应单元氧气和乙烯进料混合装置，该装置设有十分安全可靠的联锁保护设施。

当高压蒸汽包液位LT-02液位低低和高压蒸汽包出口高压蒸汽压力PT-01压力高高时，立即触发OMS系统联锁I-OMS，对反应器进行安全联锁保护。

3结束语

通过上述方案对高压蒸汽包进行合理控制，使得高压蒸汽包锅炉给水流量与高压蒸汽包出口高压蒸汽流量达到平衡，同时实现了对高压蒸汽包的水位控制；通过高压蒸汽包液位及出口高压蒸汽压力的联锁，保护了反应器及生产装置的安全。目前该控制及联锁方案已通过实践检验，使用效果良好。

参考文献：

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

[2]俞金寿，蒋慰孙.过程控制工程[M].3版.北京：电子工业出版社，2007.

[3]王树青，戴连奎.自动控制原理[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[4]田涛.过程计算机控制及先进控制策略的实现[M].北京：机械工业出版社，2007.

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)06-0086-02

作者简介：李学(1980—)，男，吉林人，2009年毕业于东北电力大学控制工程专业，获硕士学位，现工作于中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院自控室，一直从事自控专业设计工作，任工程师。

祝广大作者、读者2015年新年快乐！万事如意！

稿件收到日期：2015-09-05，修改稿收到日期：2015-11-08。