干氣制氫裝置重要控制方案的探討

劉勇，宋雷，李勝利

（中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島266071）

制氫裝置是煉油廠中重要的組成部分，在生產過程控制中需要多種不同的控制回路。對這些回路進行精確、平穩地控制，是確保裝置安全運行，生產出合格氫氣的前提。文中重點討論制氫裝置中比較復雜的水碳比控制回路、汽包三沖量控制回路和轉化爐溫與燃料氣流量控制回路的控制方案。

1 水碳比控制

進轉化爐的水蒸氣和脫硫后原料氣流量進行水碳比控制是制氫裝置最重要的控制回路。水碳比（n（H2O）／∑n（C））是轉化時加入的水蒸氣分子的物質的量與原料氣的碳原子的物質的量之比，是制氫裝置主要的工藝控制指標之一。在整個制氫裝置控制方案中，水碳比的控制是最復雜的，控制好水碳比是轉化操作的關鍵。按理論計算，水碳比大于1就足夠了，但這只是平衡狀態下的結果，不反映實際上的非平衡狀態。一般情況下正常的水碳比值為（2.5～3.5）∶1，水碳比過高，不僅浪費水蒸氣，而且增加轉化爐的熱負荷，還有可能造成催化劑的鈍化；水碳比過低，將會造成轉化爐爐管結碳及轉化催化劑結碳，對裝置的損害非常大。轉化催化劑結碳所形成的單質碳是一種非常細小的微粒，直接堵塞催化劑的微孔結構，造成催化劑活性表面的喪失使催化劑失活。制氫轉化反應是強吸熱反應，催化劑失活意味著反應吸熱無法繼續，導致轉化爐爐管的大面積紅管超溫，降低了轉化爐爐管的使用壽命。因此，設置了制氫的水碳比控制系統，以實現水碳比的平穩控制，確保制氫的正常生產。

筆者提出的水碳比是兩個水碳比的概念：一個水碳比是根據現有物料（原料氣和水蒸氣的流量）計算出來的水碳比，該水碳比數值反映的是當前工藝操作過程的情況，如果該數值小于2.6，則需緊急關閉原料氣進料閥；另一個水碳比則是定值（初始值可設定在3左右），用以控制水蒸氣的流量。以具體項目為例，兩種水碳比的控制方案如圖1～圖2所示。

圖1 第一種水碳比的聯鎖方案

圖2 第二種水碳比控制方案

圖1中FY1203B.MV為第一個水碳比，該數值作為原料氣進料閥的聯鎖值，計算公式如下：

FY1203A為第二個水碳比，該數值作為FIC1203的SP值，計算公式如下：

式中：FY1204.PV——原料氣溫壓補償的測量值，m3／h；ρ——原料氣的標準密度，kg／m3；a——水碳比的設定值，根據多次實驗數據以3為佳；原料的摩爾質量為17.14kg／mol；原料氣中碳質量分數為69.16%；水的摩爾質量為18kg／mol。

上述水碳比控制方案采用原料氣中總碳量按比例設定混合器前的蒸汽流量調節給定值的方法，以控制轉化爐進料介質的合理水碳比，但由于原料中總碳原子數變化，需要每天作原料氣組分分析，人為輸入分析數據，因而建議設原料氣烴分析儀，一方面方便操作，另一方面隨時分析原料組分，避免組分突變時水碳比過小造成積碳或過大造成水蒸氣的浪費，從而使結果更加實時和精確。

2 汽包液位三沖量控制

在鍋爐運行中，汽包液位是一個重要控制指標，它反映了鍋爐負荷與給水量的平衡關系。汽包液位過高，將導致汽液分離效果降低從而造成汽包出口飽和蒸汽帶水，影響蒸汽的質量；液位過低，由于蒸發量大，容易使水全部汽化，燒壞鍋爐甚至爆炸。特別是低液位，臥式汽包的橫截面積較小，液位下降非常快，一般調節系統往往跟蹤不及。另外，當蒸汽輸出量增大時，會縮短汽包內壓力下降的時間，在汽、液交界處產生汽、液混合層，使液面虛假上升。如果僅根據液位調節給水量，將會造成給水量因虛假液位而錯誤地減少。因此，嚴格控制汽包液位在正常范圍是十分重要的。

影響汽包液位的主要參數是蒸汽流量和給水流量。保持液位的穩定必須使給水量與汽包發汽量相一致，制氫裝置一般采用1套給水量的三沖量調節系統來維持汽包液位的穩定。經典的三沖量控制，主要參數有汽包進水量、汽包的飽和蒸汽量、汽包液位，經計算后通過控制汽包進水控制閥來控制汽包液位。三沖量控制方案如圖3所示。

圖3 汽包三沖量控制方案

在圖3中，不同的方案在于LY 1606的計算上，經典的控制方案中加法器LY 1606的值為汽包液位、蒸汽流量、給水流量的輸出值相加。最終計算值作為輸出值送給給水調節閥FV 1608。該控制方案中液位是主控量，核心理念是等量水產生蒸汽后液位平衡，當平衡被打破后進行補水或降低水量。

本文給出一種新的計算公式，該計算方式同樣基于1g水產生1g蒸汽，與經典方案不同的是該計算方式采用前饋加串級的方案，前饋控制加法器的輸出值為

計算結果作為給水流量調節器FIC1608的給定值；當給水流量調節器不處于串級模式時，LI1606A／B的設定值應跟蹤測量值，輸出值應按以下公式跟蹤：

從而可以實現操作模式的無擾動切換。

式中：FY1605.PV——蒸汽流量的溫壓補償值；FT1608.PVmax——給水量最大測量值；LI1606A／B.MV——互為可切換的兩臺液位儀表中，切換為當前儀表的輸出值；FT1608.SV——給水量設定值。

3 轉化爐溫與燃料氣流量控制

制氫裝置的原料預熱爐及轉化爐的溫度在生產過程中要保持恒定，爐溫變高，會增加轉化爐的燃料量，同時亦使爐管溫度升高，壽命縮短；爐溫降低，會使制氫產量降低。爐溫的高低一般通過加熱爐出口的溫度或爐膛溫度與燃料氣流量（壓力）的串級調節來控制，即加熱爐的出口溫度或爐膛溫度為主調節參數，燃料氣為副調節參數。當燃料氣流量（壓力）波動時，通過副調節器及時調節，從而保證加熱爐出口溫度或爐膛溫度的穩定。原料預熱爐由于熱容量小，一般采用加熱爐出口溫度與燃料氣流量（壓力）的串級調節來控制；而轉化爐由于熱容量大，且爐管內發生化學反應，出口溫度較為遲緩，一般采用爐膛輻射室至對流室的煙氣平均溫度與燃料氣流量（壓力）的串級調節來控制，或者采用爐膛輻射室至對流室的煙氣溫度與加熱爐的出口溫度高選后與燃料氣流量（壓力）的串級調節來控制。轉化爐溫與燃料氣流量控制方案如圖4所示。

圖4中TICA1201為加熱爐的出口溫度；TICA1231為爐膛輻射室至對流室的煙氣溫度；TS1201為溫度選擇開關；HS1201為選擇開關；FIC1201為燃料氣流量；FIC1502為解析氣流量。

圖4 轉化爐溫與燃料氣流量控制方案

4 結束語

不同原料的制氫裝置工藝流程略有不同，但是主要的復雜回路基本為上文所述。通過對水碳比控制回路、汽包三沖量控制回路和轉化爐溫與燃料氣流量控制回路的詳細闡述，明確了其用途及控制方法，給煉油裝置自控設計人員、系統組態人員、儀表維護人員以參考。

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