应用3C控制系统对重整产氢增压机的改造及分析

秦卫龙

（中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东青岛266500）

某炼化企业连续重整装置是主要生产装置，处理能力为150×104t/a，采用UOP 第3 代超低压连续重整反应与再生工艺技术。在连续重整装置中，产氢增压压缩机K-202 的控制系统采用“3 分程”控制方式来控制重整产物分离罐D-201 的压力，即D-201 压控的0～33.3%输出信号控制K-202的1 级防喘振阀开度，33.4%～66.6%控制K-202 的转速，66.7%～100%控制1 级分液罐D-202 顶放空阀的开度。控制系统的目的在于实现压缩机运行的全面监控、联锁保护和ESD 紧急安全联锁功能［1］。系统投用后，由于K-202转速的测量灵敏度差，安全裕度过大，1 方面导致K-202 转速无法自动控制，常处于手动状态，影响装置的平稳运行；另1 方面导致K-202 防喘振阀处于常开状态并且开度过大，压缩机的能耗过高。

国内某聚丙烯装置的透平压缩机组也曾遇到过类似的问题：压缩机入口压力自动控制回路不能投用；防喘振阀无法完全关闭，开度较大，造成压缩机的运行能耗高等等。后进行实际现场测试喘振线，并且实施解耦控制等方法解决了问题［2］。

针对K-202 运行问题进行分析，借鉴其它装置的优化改造经验，利用装置大检修期间对K-202进行了应用3C控制系统的改造。

1 流程简述

装置的氢气系统设置2 台压缩机组，除K-202外，还有1 台循环氢压缩机K-201。基本流程为，原料进行重整反应后生成的油气混合物在D-201内分液后，顶部富氢气体大部分经K-201 循环返回至反应系统，少部分送至增压机K-202 进行1、2级压缩，再经脱氯后进氢气管网。

2 工艺控制要求

由工艺角度考虑，D-201压力关系到重整反应系统的压力，所以必须保持稳定，外送氢气量不能有大幅度波动。

重整产氢量主要与原料油处理量和性质、反应苛刻度以及催化剂性能等因素有关。在正常生产过程中，原料油性质和催化剂性能变化很小，可忽略不计。因此当处理量及苛刻度一定，并且短时间内的催化剂性质视作不变，则产氢量可以认为是1 个定值（装置富氢气体产量约为600 Nm3/t精制油）。重整装置的处理量及苛刻度需根据全厂生产实际情况进行调度，因此不能作为调节手段，D-201的压力只能通过调整K-202的排气量来调节，也就是通过调整K-202 的转速或其各级出入口防喘阀使其排气量等于重整产氢量。

由于K-201、K-202 都是离心式压缩机，都必须避开喘振工况。喘振是离心式压缩机特有的现象，与压缩机的设备结构、压缩气体的性质以及具体工况等条件有关。其它条件固定不变的情况下，压缩机运行时存在1 个最低入口流量，也就是喘振流量，当压缩机的入口流量比喘振流量低时，压缩机就会产生喘振现象［3，4］。

为防止喘振，就需要设置专门控制系统，目前普遍的做法是在压缩机的各级出入口之间的跨线上设置防喘振控制阀，当压缩机入口流量比喘振流量低时，防喘振阀自动打开，从而提高压缩机的入口流量，使之高于喘振流量，从而使压缩机脱离喘振工况［5］。由于K-201 的出口气体部分进入反应系统并随反应产物进入D-201 从而返回至入口，其流量远远超出K-201 的喘振流量，所以不需要防喘振控制系统。但是K-202 无返回入口的气体流程，所以在其1、2级出入之间均设置了防喘振控制阀。综上所述，K-202 的1、2 级入口流量需同时大于或等于重整产氢量和喘振流量才能满足工艺和机组安全运行要求。

3 改造前控制方案

3.1 改造前防喘振控制方案

初始设计的K-202 的防喘振控制方案为：当K-202 的1、2 级入口流量比喘振流量低时，防喘振控制器会在自动控制下将防喘控制阀打开，将部分出口气返回至入口以提高入口流量使之大于喘振流量；当K-202的1、2级入口流量大于喘振流量时，在保证机组入口流量大于喘振流量的情况下将防喘阀慢慢关闭直至完全关闭。

根据K-202 的初始设计参数以及正常运行的操作数据，其1级入口喘振流量约为9×104Nm3/h，2级入口喘振流量约为7.5×104Nm3/h。由前所述，K-202 的压缩气量需同时大于或等于重整产氢量和喘振流量才能满足工艺和机组安全运行的要求，假定本装置含氢气体产量恒定为600 Nm3/吨精制油，则仅当重整进料量高于150 t/h（装置设计负荷的84%）时，重整产氢量才能高于9×104Nm3/h，这时1级防喘振阀理论上才可能全部关闭，因此如果装置处于低负荷运行状态下，防喘阀开度较大会造成较大的能量损失。

3.2 改造前压力控制方案

反应系统使用的初始压力控制方案为“3 分程”压力控制方案，原理为：D-201压力控制器输出信号处于33.3%～66.6%之间时, 控制K-202 的转速，调节K-202输送至管网的气量来调节D-201压力；当压控输出信号降至33.3%时，压缩机转速降至最低，无法继续通过降低压缩机转速降低输送气量。如果此时D-201 压力继续降低，即压力控制器输出信号在0～33.3%时，需要和1 级防喘振控制器的输出信号经过高选后来控制1 级防喘振阀的开度，通过调整压缩机1级返回量减少输送至管网的气量从而保证D-201压力稳定，同时保证1级排气量大于或等于喘振流量。此时经过1 级增压的气体直接降压返回入口，使压缩能耗上升，防喘阀开度越大，能量损失越大；当压控输出信号升至66.6%时，压缩机转速升至最高，无法再提高压缩机转速以提高输送气量，如果此时D-201 压力仍在升高，即压控输出信号在66.6%～100%时，此时只能通过开大D-202 顶放火炬阀将部分产氢放空从而保证D-201 压力稳定，因为打开放空阀将氢气排放至火炬造成大量氢气浪费，属于事故状态，正常生产不允许该阀打开，即不允许压控输出信号处于66.6%～100%之间。

3.3 改造前控制方案存在问题

装置首次开工期间投用此控制系统时发现压缩机转速自动调节存在很大风险，因此实际生产过程中K-202 转速始终处于手动控制状态，这不仅导致了操作困难，还导致了D-201 压控输出信号处于33.3%～66.6%不能自动调节K-202转速，从而失去了调节作用，而处于66.6%～100%之间又属于事故状态，因此实际生产中D-201 压控输出信号只能维持在0～33.3%之间，自动控制1 级防喘振阀开度从而控制D-201压力。

此时1级防喘振阀既作为防喘阀，又作为压控阀，造成工艺控制与防喘振控制界限不清，互相干扰，无法有效调节压缩机的运行状态。1 级防喘阀有开度会导致压缩机能耗增加。实际工况下，只能依据实际工况手动输入数值来调节K-202 转速。但由于初始设计的喘振控制计算方法不精准，一旦系统出现波动就会使K-202 容易进入喘振工况，同时喘振控制又不能做到有效调节，从而会引起D-201的压力波动，而D-201的压力波动又会影响到K-202 的运行状态，从而形成了恶性循环。因此通常维持压力控制器输出在31%左右，此时1级防喘阀开度在7%左右。

综上所述，从装置首次开工至大检修前的运行情况看，原压力控制系统存在5个问题。

（1）1、2 级防喘振控制算法不精准，防喘振阀开度大（正常运行约在7%左右），导致压缩机的能耗过高；（2）K-202 转速控制常处于手动状态，控制效果差；（3）因防喘振控制算法不精准，K-202运行进入喘振区域时，会引起D-201 的压力波动，并形成恶性循环；（4）工艺控制与防喘振控制之间界限不清晰，互相干扰，无法有效调节压缩机的运行状态；（5）1、2级喘振控制之间缺乏解耦协调，也容易造成系统整体的不稳定。

4 改造后控制方案

4.1 改造后防喘振控制方案

应用3C 控制系统对K-202 改造后，机组的防喘振控制方案依然是定流量控制，但K-202的1级防喘振阀设置为单回路控制，即只受1级防喘振控制器控制，不再受D-201 压力控制器的影响。另外在大检修后对K-202 机组进行了现场喘振测试，重新设定安全裕度并绘制了喘振曲线。结果表明，正常状态下，K-202 的1、2 级喘振流量约6.5×104Nm3/h，即当装置处理量高于108 t/h（装置设计负荷的60%）时，产氢量高于6.5×104Nm3/h，1级防喘振阀即可全部关闭，使压缩机运行高效运行区域大大扩宽，更有利压缩机的节能调节。

4.2 改造后压力控制方案

应用3C 控制系统对K-202 改造后，取消原入口压力“3 分程”控制，增设CCC S5 Vanguard 控制系统，采用“D-201 压力—D-202 压力—K-202 转速”的多串级控制方案，也就是用K-202 转速来调节氢气的外送量，从而达到控制D-201 压力的作用。同时增设超驰控制（POC），其功能是当D-202压力突然上升超过设定值时，POC 响应触发打开D-202顶压力放空阀泄压，以维持生产稳定运行。

4.3 改造后控制系统运行情况

改造后，反应系统压力控制平稳，压缩机各参数运行正常。同时，K-202 实际运行中1 级防喘振阀可完全关闭（改造前开度约7%），从而杜绝了过度回流，达到了节能降耗的目的。将改造后K-202的运行数据与改造前进行对比，当产氢量相同时，3.5 MPa蒸汽耗量减少约5～10 t/h，节能效果显著。

减少3.5 MPa 蒸汽耗量的同时，K-202 背压产生的1.0 MPa 蒸汽也减少同样的量。以3.5 MPa 蒸汽平均节约8 t/h、3.5 MPa 蒸汽150 元/t、1.0 MPa 蒸汽85 元/t，装置设计运行时间8 400 h/a 来计算，仅节约蒸汽的成本约为：

应用3C改造总费用为400×104元，仅1 a时间将投资收回后，增加装置效益约436.8×104元/a。

5 结束语

连续重整装置反应压力的控制非常重要，装置首次开工采用的控制系统存在喘振控制计算不准确、压缩机转速无法自动控制及性能控制与防喘振控制耦合性很强等问题，导致经常出现反应系统压力波动及压缩机运行能耗高等问题。装置利用停工检修期间应用3C 控制系统对增压机K-202 控制系统进行了改造，改造后反应系统压力控制稳定，同时压缩机的运行能耗大幅降低，平均节约蒸汽5～10 t/h，节能效果显著。