周曉龍，林洪俊，霍光學(xué)，孫來(lái)寶

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

渣油加氫裝置具有臨氫、高壓、高溫、高H2S腐蝕的特點(diǎn)[1]，由反應(yīng)部分(包括氫氣壓縮機(jī)和循環(huán)氫脫硫設(shè)施)、分餾部分、干氣脫硫部分、低分氣脫硫部分和公用工程部分等組成[2-3]。

渣油加氫裝置的主要產(chǎn)品是加氫渣油，副產(chǎn)少量粗石腦油、脫硫干氣及脫硫低分氣。加氫渣油送至催化裂化裝置，粗石腦油送至常減壓裝置，脫硫干氣送至燃料氣管網(wǎng)，脫硫低分氣送至PSA裝置。

筆者參與設(shè)計(jì)的某渣油加氫裝置項(xiàng)目原料為減壓渣油、焦化蠟油等，核心反應(yīng)系統(tǒng)操作壓力達(dá)到20 MPa，操作溫度達(dá)到397 ℃，設(shè)置有熱高壓分離器、反應(yīng)器、新氫壓縮機(jī)、循環(huán)氫壓縮機(jī)以及反應(yīng)進(jìn)料加熱爐等關(guān)鍵設(shè)備。

1 關(guān)鍵設(shè)備工藝特點(diǎn)與控制要求

渣油加氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備的工藝特點(diǎn)與控制要求介紹如下：

1)熱高壓分離器液位控制。熱高壓分離器是高壓反應(yīng)部分與低壓分餾部分的分界設(shè)備，熱高壓分離器液位測(cè)量介質(zhì)為渣油，黏度高，難以測(cè)量[4]。為避免熱高壓分離器液位減空，導(dǎo)致高壓氣體竄入低壓設(shè)備，需嚴(yán)格控制熱高壓分離器液位，因此熱高壓分離器等高壓容器的液位監(jiān)控成為了裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。熱高壓分離器液位通過(guò)控制熱高分至熱低分管道控制閥而實(shí)現(xiàn)，液位控制閥不僅靜壓高，而且前后壓差大。

2)新氫壓縮機(jī)級(jí)間壓力遞推控制。系統(tǒng)反應(yīng)壓力由新氫壓縮機(jī)補(bǔ)充新氫維持，由于渣油加氫系統(tǒng)壓力較高，新氫壓縮機(jī)采用多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)。新氫多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)的級(jí)間壓力遞推控制[5]成為了系統(tǒng)壓力控制穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3)加氫反應(yīng)器溫度控制。反應(yīng)溫度過(guò)高導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多的反應(yīng)熱，反應(yīng)熱的增加會(huì)加快反應(yīng)速度，從而釋放更多的熱量，如果不能及時(shí)控制反應(yīng)器溫度，勢(shì)必引起反應(yīng)器床層飛溫，嚴(yán)重時(shí)損壞催化劑及反應(yīng)器。需通過(guò)嚴(yán)格控制反應(yīng)器輸入熱量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器溫度穩(wěn)定的效果。輸入熱通過(guò)控制反應(yīng)原料溫度實(shí)現(xiàn)，第一反應(yīng)器入口溫度通過(guò)控制反應(yīng)加熱爐燃料氣流量實(shí)現(xiàn)，后續(xù)串聯(lián)的反應(yīng)器入口溫度通過(guò)控制注入反應(yīng)器的冷氫流量實(shí)現(xiàn)。

4)循環(huán)氫壓縮機(jī)防喘振控制。循環(huán)氫壓縮機(jī)作為反應(yīng)系統(tǒng)氫氣循環(huán)的心臟，為氫氣循環(huán)提供動(dòng)力。循環(huán)氫出口壓力決定了反應(yīng)系統(tǒng)的壓力。渣油加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)一般由蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，多級(jí)離心式壓縮機(jī)，機(jī)組復(fù)雜。喘振是造成壓縮機(jī)組故障、管線振動(dòng)的重要原因，影響長(zhǎng)周期運(yùn)行。防喘振控制對(duì)于循環(huán)氫壓縮機(jī)平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行十分關(guān)鍵[6]，但也會(huì)影響壓縮機(jī)的效率，如何安全、高效優(yōu)化控制非常重要。

2 關(guān)鍵設(shè)備自動(dòng)控制方案

2.1 熱高壓分離器液位測(cè)量與控制

2.1.1熱高壓分離器液位測(cè)量

熱高壓分離器液相介質(zhì)具有黏度高、易粘附、易堵塞的特點(diǎn)，液相介質(zhì)和氣相介質(zhì)均溫度高，測(cè)量困難，導(dǎo)致該分離器難以長(zhǎng)周期運(yùn)行。因?yàn)樵擃?lèi)介質(zhì)的特點(diǎn)，儀表難以直接測(cè)量，所以選用反吹隔離差壓測(cè)量法。在測(cè)量引線中，需反吹氫氣隔離油與變送器本體膜片。

1)反吹氫氣液位測(cè)量方案主要由雙法蘭液位變送器、自力式流量控制閥和就地轉(zhuǎn)子流量計(jì)組成。在雙法蘭差壓變送器上、下膜片處均設(shè)置獨(dú)立的反吹氫氣裝置，保證變送器膜片表面與高溫黏稠渣油和高溫油氣隔離，達(dá)到膜片表面降溫及避免黏稠介質(zhì)堵塞膜片的雙重效果，滿(mǎn)足該分離器苛刻液位長(zhǎng)周期監(jiān)控需求。

為避免測(cè)量誤差，應(yīng)控制雙法蘭差壓變送器上、下測(cè)量引線反吹新氫流量。反吹氫氣管線上均設(shè)置了自力式流量控制閥及就地轉(zhuǎn)子流量計(jì)，用于調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)反吹氫氣流量，該分離器液位反吹氫氣測(cè)量液位計(jì)方案如圖1所示。

圖1 熱高壓分離器液位反吹氫氣測(cè)量液位計(jì)方案示意

2)該分離器液位計(jì)設(shè)計(jì)為2套，為減少高壓設(shè)備開(kāi)口，采用聯(lián)通管配置方案。為避免介質(zhì)反流堵塞液位計(jì)和聯(lián)通管，保證聯(lián)通管和引壓管內(nèi)的氫氣壓力微大于該分離器內(nèi)壓力，在聯(lián)通管根部設(shè)備法蘭處設(shè)置限流孔板。限流孔板的制作如圖2所示。

a)如圖2中所示，L為限流孔板注入管插入深度，應(yīng)保證限流孔板注入管長(zhǎng)度插入設(shè)備內(nèi)，為保證冷氫注入效果，注氫管端部進(jìn)行冷彎處理，保證注氫口斜向下。

b)通過(guò)反吹氫氣，使得雙法蘭沖洗環(huán)及聯(lián)通管內(nèi)充滿(mǎn)氫氣，從而達(dá)到隔離工藝介質(zhì)的目的，避免了聯(lián)通管堵塞、膜片表面粘附、測(cè)量膜盒超溫等問(wèn)題，從而保證了液位變送器長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行要求。

c)該分離器設(shè)有2套雙法蘭液位計(jì)變送器，測(cè)量結(jié)果相互對(duì)照，互為備份。

2.1.2熱高壓分離器液位控制

熱高壓分離器配置2套雙法蘭液位計(jì)變送器，1套用于液位控制回路，1套用于液位指示。一旦用于液位控制回路的變送器發(fā)生故障，另1套指示用途的變送器切換為液位控制回路用變送器。

熱高壓分離器液位通過(guò)控制該分離器底出口的控制閥實(shí)現(xiàn)，該調(diào)節(jié)選用高壓角閥。由于該位置控制閥功能非常重要，運(yùn)行工況苛刻，閥門(mén)采購(gòu)周期長(zhǎng)，因此采用2套冗余配置，一用一備，當(dāng)一臺(tái)角閥投用自動(dòng)時(shí)，另一臺(tái)角閥處于備用關(guān)閉狀態(tài)。液位調(diào)節(jié)回路采用單回路控制，高壓角閥故障位置均為F.C，液位控制器選用正作用。熱高壓分離器液位控制流程如圖3所示。

圖3 熱高壓分離器液位控制流程示意

2.2 加氫反應(yīng)器溫度監(jiān)測(cè)與控制

2.2.1反應(yīng)器床層溫度監(jiān)測(cè)

渣油加氫反應(yīng)器一般由單層催化劑床層組成。反應(yīng)混合物的溫度沿反應(yīng)物料的流向升高，反應(yīng)器催化劑填料設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，在催化劑床層不同標(biāo)高處，按上中下三層設(shè)置。通過(guò)測(cè)量不同高度但同一圓周方位的床層溫度，測(cè)量圓周直徑按反應(yīng)器50%左右設(shè)置，測(cè)量點(diǎn)為8個(gè)，了解床層中反應(yīng)的程度。為了減少反應(yīng)器開(kāi)口以及滿(mǎn)足圓周多點(diǎn)測(cè)量位置需要，選用8個(gè)柔性熱電偶，與反應(yīng)器通過(guò)法蘭直接連接，按圓周要求布置以滿(mǎn)足測(cè)量需要。同時(shí)為了進(jìn)一步監(jiān)測(cè)反應(yīng)器溫度，在反應(yīng)器表面設(shè)置表面熱電偶，與反應(yīng)器內(nèi)溫度測(cè)量相互補(bǔ)充。表面熱電偶通過(guò)預(yù)埋在反應(yīng)器表面的螺栓與反應(yīng)器固定，外表面固定標(biāo)高與催化劑床層內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)標(biāo)高一致。反應(yīng)器溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

2.2.2第一加氫反應(yīng)器入口溫度控制

第一加氫反應(yīng)器入口溫度控制和反應(yīng)進(jìn)料加熱爐主燃料氣壓力控制構(gòu)成串級(jí)控制回路，控制主燃料氣控制閥，主燃料氣控制閥故障位置均為F.C。第一加氫反應(yīng)器入口溫度控制為主回路，控制器選用反作用；主燃料氣壓力控制為副回路，控制器選用反作用，溫度控制器輸出作為壓力控制器的設(shè)定值。

圖4 反應(yīng)器溫度測(cè)點(diǎn)布置示意

當(dāng)?shù)谝患託浞磻?yīng)器入口溫度高于設(shè)定值時(shí)，降低主燃?xì)鈮毫?，燃料氣控制閥開(kāi)度減?。划?dāng)?shù)谝患託浞磻?yīng)器入口溫度低于設(shè)定值時(shí)，提升主燃?xì)鈮毫Γ剂蠚饪刂崎y開(kāi)度增大。

2.2.3其他反應(yīng)器入口溫度控制

渣油加氫反應(yīng)器的設(shè)置一般為反應(yīng)進(jìn)料加熱爐后串聯(lián)4～5臺(tái)高壓加氫反應(yīng)器，除第一加氫反應(yīng)器入口溫度采用加熱爐燃料氣調(diào)節(jié)外，其他幾臺(tái)反應(yīng)器均采用注冷氫調(diào)節(jié)反應(yīng)器入口溫度。入口溫度調(diào)節(jié)回路采用單回路控制，注冷氫控制閥故障位置均為F.O，溫度控制器選用反作用。

2.3 新氫壓縮機(jī)級(jí)間壓力遞推控制

反應(yīng)系統(tǒng)壓力的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在冷高壓分離器上，通過(guò)控制新氫壓縮機(jī)的新氫注入量，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。根據(jù)渣油加氫裝置特點(diǎn)，新氫壓縮機(jī)采用多級(jí)壓縮式往復(fù)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)采用逐級(jí)低選遞推式的出口壓力控制方法，通過(guò)逐級(jí)返回控制閥和氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置(HYDRCOM)全程壓開(kāi)進(jìn)氣閥的開(kāi)/關(guān)集合的組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓縮式壓縮機(jī)的負(fù)荷控制。反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制流程如圖5所示。

圖5 反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制流程示意

HYDRCOM系統(tǒng)是專(zhuān)為往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置[7]，是一款高度集成的電子控制系統(tǒng)，能夠完全嵌入到工廠現(xiàn)有的DCS中。其主要原理為通過(guò)DCS中的PIC調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求輸出4～20 mA負(fù)荷控制信號(hào)，并把負(fù)荷控制信號(hào)送給HYDRCOM系統(tǒng)中間接口單元(CIU)，CIU把接收的4～20 mA的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成專(zhuān)用電子指令輸出至壓縮機(jī)各級(jí)入口進(jìn)氣閥電子液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電子液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和進(jìn)氣閥卸荷器根據(jù)負(fù)荷控制信號(hào)延遲進(jìn)氣閥關(guān)閉的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)活塞行程所壓縮的氣量，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)出口30%～100%負(fù)荷調(diào)節(jié)；當(dāng)負(fù)荷低于30%時(shí)，通過(guò)逐級(jí)返回控制閥的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。

配置了HYDRCOM系統(tǒng)后，壓縮機(jī)只壓縮實(shí)際需要的氣量，從而能夠最大限度地節(jié)約能源。當(dāng)HYDRCOM系統(tǒng)不投用時(shí)，負(fù)荷控制僅靠逐級(jí)返回控制閥實(shí)現(xiàn)，要求壓縮機(jī)出口負(fù)荷輸出越高，逐級(jí)返回控制閥開(kāi)度越小，要求壓縮機(jī)出口零負(fù)荷輸出，逐級(jí)返回控制閥全開(kāi)；當(dāng)HYDRCOM系統(tǒng)投用時(shí)，要求壓縮機(jī)出口低負(fù)荷輸出(不高于30%)，依靠逐級(jí)返回控制閥開(kāi)度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，要求壓縮機(jī)出口高負(fù)荷輸出(30%～100%)，投用HYDRCOM氣量無(wú)極調(diào)節(jié)，逐級(jí)返回控制閥開(kāi)度全關(guān)。

2.4 循環(huán)氫壓縮機(jī)防喘振控制

根據(jù)離心式壓縮機(jī)特性曲線，當(dāng)離心式壓縮機(jī)工作在某一轉(zhuǎn)速時(shí)，如果其入口流量低于某一極限值，壓縮機(jī)出入口壓縮比下降，就會(huì)出現(xiàn)出口管線壓力高于壓縮機(jī)出口壓力的現(xiàn)象，因此管道中的高壓氣體很快倒流回壓縮機(jī)，補(bǔ)充后壓縮機(jī)出口壓力又會(huì)高于出口管道壓力，壓縮機(jī)氣體又流動(dòng)至壓縮機(jī)出口管線中，如此反復(fù)進(jìn)行，引起壓縮機(jī)劇烈震蕩，稱(chēng)之為離心式壓縮機(jī)“喘振”現(xiàn)象。

為了防止喘振，循環(huán)氫壓縮機(jī)入口設(shè)置流量調(diào)節(jié)器，控制壓縮機(jī)出口返回入口管線上的防喘振控制閥。為了保證測(cè)量壓縮機(jī)入口流量的精準(zhǔn)性，入口流量進(jìn)行溫度及壓力補(bǔ)償。當(dāng)入口流量過(guò)低時(shí)，迅速調(diào)節(jié)防喘振閥開(kāi)度，增加入口流量，保證壓縮機(jī)入口流量始終大于喘振流量極限值，保證壓縮機(jī)操作穩(wěn)定。

為了減少壓縮機(jī)的能量損耗，離心式壓縮機(jī)的防喘振采用可變極限流量設(shè)定值防喘振控制。在高于喘振線一側(cè)，留有一定的安全裕量，確定為防喘振安全線，以作為流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。同時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下喘振值也不同，從而對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)防喘振流量設(shè)定值也不同。將不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的防喘振流量設(shè)定值連成線，形成壓縮機(jī)的防喘振線。該喘振線在機(jī)組出廠時(shí)給出，為了確認(rèn)該防喘振安全線的正確性，一般需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

渣油加氫裝置具有高壓、高溫的工藝特點(diǎn)，介質(zhì)易燃易爆，危險(xiǎn)性高。關(guān)鍵設(shè)備的控制又是重中之重，本文就熱高壓分離器液位控制、新氫壓縮機(jī)級(jí)間壓力遞推控制、加氫反應(yīng)器溫度控制、循環(huán)氫壓縮機(jī)防喘振控制等關(guān)鍵設(shè)備的自動(dòng)控制進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)及分析，為用戶(hù)提供安全、可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定的控制方案。