连续重整催化剂再生控制系统闭锁料斗控制研究

章雷

[摘    要]采用UOP CycleMax工艺的催化剂再生控制系统CRCS，其补偿阀MV是一个典型的斜坡控制回路，针对因连续重整装置工况变化出现的补偿阀控制效果不理想，闭锁料斗缓冲区与再生催化剂二次提升气管线之间差压波动大的问题，分析斜坡控制曲线原理和特征，通过CRCS自适应算法优化斜坡控制曲线，快速把再生催化剂循环速率的扰动降至最低。

[关键词]UOP;CycleMax;CRCS;斜坡控制;补偿阀;平衡阀;自适应算法

[中图分类号]TE96 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–03

Research on Lock Hopper Control of CRCS in Continuous Reforming Unit

Zhang Lei

[Abstract]The UOP CycleMax technology is adopted by the Catalyst Regeneration Control System， which the Makeup Valve is a typical ramp control loop. Since the unsatisfactory control effect of the Makeup Valve due to the variations of CCR， the pressure fluctuates between the Lock Hopper Surge Zone and the Regeneration Catalyst Secondary Lift Gas Line. In response to the problem， the principles and characteristics of Ramp Table are analyzed， and the Ramp Table optimized via the CRCS adaption algorithm to quickly minimize the disturbance of the regenerated catalyst cycle rate.

[Keywords]UOP;CycleMax;CRCS;ramp control;compensation valve;balance valve;adaptive algorithm

镇海炼化120万t/a连续重整装置采用美国UOP公司的第三代CycleMax工艺，该装置原料为常减压直馏石脑油、加氢裂化重石脑油，经过重整反应，生产辛烷值（RON）为102的汽油组分，以及脱己烷油和苯等芳烃原料，并副产氢气、戊烷馏分及液化石油气等产品。重整反应会导致重整催化剂表面缓慢积炭，从而影响催化剂的活性、选择性和稳定性，为确保催化剂始终在初活性的状态下和原料油接触反应，CycleMax工艺用一套与反应部分密切相连又相对独立的设备组成催化剂再生单元，实现催化剂连续循环，并同时完成催化剂再生，该单元的专用控制系统称为催化剂再生控制系统（Catalyst Regeneration Control System），简称CRCS。

1 系统结构

催化剂再生控制系统由两个可编程电子系统（PES）[1]，即保护PES和控制PES组成。保护PES是具有三重化容错（TMR）技术的Triconex TS3000安全仪表系统，主要完成再生单元冷停车、热停车的安全联锁和启停顺控，及电加热器、程控阀门等设备的控制。控制PES是具有高级阀门斜坡控制功能的Moore APACS+系统，主要完成再生、待生提升线差压控制及催化剂流量控制，闭锁料斗顺序控制、补偿阀三种运行模式（差压、斜坡、自适应）控制、循环速率报警监控等。系统网络如图1所示。

2 催化剂再生单元工艺流程

正常操作条件下，经重整反应后的催化剂依靠重力作用依次从叠置式反应器流至底部收集器，在收集器内以循環氢置换催化剂所携带的烃类，然后催化剂向下流至“L”阀组，提升氮气将催化剂提升至再生器顶部的分离料斗，在分离料斗中淘析出少量粉尘至粉尘收集器。依靠重力作用，催化剂从分离料斗进入再生器，在再生器内自上而下经过烧焦区、再加热区、氯氧化区、干燥区、冷却区。冷却后的催化剂自再生器底部流出，经过氮封罐使催化剂由氧气环境切换为氢气环境后进入闭锁料斗，并依次经过闭锁料斗分离区、闭锁料斗区、闭锁料斗缓冲区，通过调节闭锁料斗上部平衡阀UV、下部平衡阀LV和补偿阀MV等阀门来控制催化剂的循环量，同时完成催化剂从低压的再生区输送回高压的反应器还原段的压力转换。催化剂依靠重力自闭锁料斗底部送至另一“L”阀组，由二次提升气将再生催化剂提升至反应器顶部的还原区，氧化态的催化剂流经还原区，用富氢气体还原成金属态，催化剂依靠重力自还原区底部流入第一重整反应器，完成催化剂自反应—待生—再生的循环[2]。

3 闭锁料斗控制流程

闭锁料斗用以调节整个反应器和再生器系统的催化剂循环速率，对闭锁料斗的控制是CRCS最重要的组成部分。闭锁料斗包括3个独立的区：分离区、闭锁料斗区和缓冲区[3];2个平衡阀：闭锁料斗区和分离区之间的上平衡阀UV、闭锁料斗区和缓冲区之间的下平衡阀LV;1个二次提升气到缓冲区的补偿阀MV;1个差压调节阀PDV;2个料位开关：高料位（LSH302）和低料位（LSL302）;1个料位计（LT302），结构见图2。

CRCS控制从再生器来的催化剂以小批量的形式通过闭锁料斗，然后利用二次提升气输送到反应器，形成催化剂循环。批量操作的循环时间指示出催化剂的循环速率，并通过闭锁料斗的催化剂流量监测整个反应器和再生器系统的催化剂循环速率。闭锁料斗有4个主要的控制功能：①以预设的模式打开和关闭2个平衡阀。②以差压、斜坡、自适应等模式控制补偿阀。③确定催化剂实际循环速率，调节再生催化剂提升线差压控制器设定值。④调节待生催化剂提升速率限制器。

闭锁料斗的循环是指周期性地给闭锁料斗区增压和降压[4]，其作用是让催化剂交替地从闭锁料斗分离区向闭锁料斗区流动，再从闭锁料斗区向闭锁料斗缓冲区流动。闭锁料斗有5个连续的运行阶段，见表1，每个阶段由一个或多个步骤组成，每个循环周期包含7个步骤。

CRCS根据测量的闭锁料斗循环时间计算催化剂循环速率。闭锁料斗循环时间是从一个闭锁料斗循环开始（增压阶段）到下一个循环开始的时间。闭锁料斗缓冲区料位低触发一个循环的开始。

实际催化剂循环（%）=

×3 600×100%

3.1 闭锁料斗循环过程中平衡阀的动作

上平衡阀UV和下平衡阀LV在增压和降压过程中按预设斜坡曲线改变开度，其余运行阶段保持全开或全关阀位。在增压阶段，上平衡阀UV由全开变为全关（STEP1），下平衡阀LV按斜坡控制模式从全关到全开（STEP2）。在降压阶段，下平衡阀LV由全开变为全关（STEP4），上平衡阀UV则按斜坡控制模式从全关到全开（STEP5）。图3为UV和LV的预设斜坡模式曲线，可以看出，在闭锁料斗循环期间UV和LV禁止同时打开。

3.2 闭锁料斗循环过程中补偿阀的动作

补偿阀MV和差压调节阀PDV并联向闭锁料斗缓冲区输送增压气体，目的是使闭锁料斗缓冲区和再生催化剂二次提升气体管线之间的差压保持不变，最大程度地把再生催化剂循环速率的扰动降至最低。补偿阀用以降低因两个平衡阀开关而引起的闭锁料斗缓冲区压力波动，它可以按三种不同模式运行，分别为：差压模式、斜坡模式和自适应模式[5]。

（1）差压模式

补偿阀在催化剂流动停止时或闭锁料斗重新启动后的前几个周期的工作模式，PDIC325差压调节器（PID）输出同时控制补偿阀MV和差压调节閥PDV。

（2）斜坡模式

补偿阀在闭锁料斗循环周期的正常工作模式，控制按照预设斜坡曲线进行。补偿阀和平衡阀一样是在增压和降压过程中按预设斜坡曲线改变开度，其余运行阶段基本保持在一个固定阀位，这时缓冲区差压主要靠PDV阀调节。

在增压阶段，STEP1步骤：上平衡阀UV关闭，缓冲区差压呈上升波动，补偿阀MV阀位应先关小后开大。STEP2步骤：下平衡阀LV打开，缓冲区差压快速下降，补偿阀MV阀位应先开大后关小（图4）。

在降压阶段，STEP4步骤：下平衡阀LV关闭，缓冲区差压急剧上升，补偿阀MV阀位应迅速减小并保持。STEP5步骤：上平衡阀UV打开，缓冲区差压呈下降波动，补偿阀MV阀位应开大后保持（图5）。

（3）自适应模式

补偿阀在装置生产负荷变化较大时运行该模式，由于闭锁料斗运行是个循环过程，上次循环的缓冲区压力可用于预测下次循环的缓冲区压力变化。基于当前补偿阀的斜坡控制曲线运行一个闭锁料斗循环周期后，可以得到一组PDT325的差压测量值，再以特定算法根据这组差压数据生成新的补偿阀斜坡控制曲线，降低因缓冲区压力改变引起的斜坡曲线不适应问题。当差压调节器处于手动，阀位输出接近50%时，补偿阀MV受差压调节阀PDV的干扰最小，自适应算法工作于最佳状态，算法公式如下：

—t时刻新的补偿阀斜坡曲线值

—t时刻旧的补偿阀斜坡曲线值

—可调整的常数，范围—0-32.767，幅度为0.001

为t+n时刻闭锁料斗缓冲区和再生催化剂二次提升管线之间的差压，n表示差压测量信号的时间偏移，范围—0～30 s，幅度为0.1 s

—差压调节器PDIC设定值，范围0～100%，幅度为0.1%

式（1）中所取的差压信号，为补偿阀阀位改变后秒时的测量值，换句话说，算法是根据补偿阀动作后秒的结果产生一个提前修正曲线，当下一个循环周期应用这个阀位修正曲线时，补偿阀会提前动作，以预防缓冲区的差压波动。

根据不同工况下自适应算法修正的补偿阀斜坡曲线（图6）分析，随着反应器进料量的增加，斜坡曲线会向上偏移，说明补偿阀开度逐渐增大，进入闭锁料斗缓冲区的补充气量增大，催化剂循环流量增加，反映整个反应器和再生器系统的催化剂循环速率增大，以适应反应器进料量增加，催化反应需要更多催化剂参与的工况。

4 结束语

通过对闭锁料斗斜坡控制的研究与应用，发现补偿阀的斜坡控制实际是一种先进的前馈控制，它利用闭锁料斗周期运行的特性，提前控制补偿阀增减缓冲区增压气体补充量，消除上下平衡阀开关带来的缓冲区差压波动。只要深刻理解了补偿阀斜坡控制的原理和曲线生成算法，就可以象整定PID控制回路一样，通过观察缓冲区差压的趋势，无需运行自适应模式就可以修正补偿阀斜坡控制曲线，快速把再生催化剂循环速率的扰动降至最低。在实践应用中，这种修正曲线方法效果良好，达到各项控制目标，可以实现闭锁料斗缓冲区差压闭环控制，为闭锁料斗控制系统的国产化创造了条件。

参考文献

[1] 徐庄，刘彬. CRCSAPACS+的特点及维护[J].仪器仪表用户，2015，22（3）：58-61.

[2] 蔡明件，王丁.UOP重整再生工艺CycleMax3催化剂提升控制方案分析[J].石油化工自动化，2019，55（6）：38-41.

[3] 李文仁，刘景辉.连续重整装置闭锁料斗的顺序控制[J].石油化工自动化，2003（3）：18-21.

[4] 张丹平.连续重整装置闭锁料斗控制系统研究[J].石化技术，2008，15（3）：49-51.

[5] 钟传东，熊智华，刘彦波.连续重整装置闭锁料斗迭代学习控制器的设计与实施[J].江南大学学报（自然科学版），2010，9（5）：526-530.