煉油廠工藝裝置間互供料節(jié)能控制研究

林洪俊

(中國石油工程建設(shè)公司，山東 青島 266071)

節(jié)能是煉油廠建設(shè)的前提條件，也是煉油廠運營狀況的重要指標(biāo)，同時也是煉油廠生存的必要條件。由于受傳統(tǒng)設(shè)計觀念影響及傳統(tǒng)操作模式的限制，其節(jié)能設(shè)計多注重于微觀研究，習(xí)慣于從裝置內(nèi)部挖潛。如：換熱流程優(yōu)化，工藝設(shè)備改進(jìn)，把工藝裝置分成一個個能量“孤島”。如果跳出“孤島”，從宏觀角度可以發(fā)現(xiàn)還有廣闊節(jié)能空間，其中在工藝裝置間互供料方面就蘊藏著很大的節(jié)能潛力。

近幾年，在裝置間互供料方面的節(jié)能途徑逐漸被認(rèn)識，并在煉油工程中被嘗試。但由于裝置間互供料涉及到多個裝置的平穩(wěn)操作和安全運行，如果沒有一套完備的控制方案，會帶來嚴(yán)重的后果，實際經(jīng)驗教訓(xùn)也充分證明了這一點。筆者近年來通過調(diào)查研究、工程設(shè)計、實際應(yīng)用，對此有深刻的體會，總結(jié)了一些經(jīng)驗與教訓(xùn)與同行分享。

1 傳統(tǒng)煉油廠裝置間供料流程及控制方案

傳統(tǒng)煉油廠裝置間互供料方式為間接供料，典型控制流程如圖1所示。

上游裝置高溫物料先經(jīng)換熱器與裝置內(nèi)低溫物料換熱，再經(jīng)水冷器或空冷器冷卻到中間罐區(qū)允許溫度，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥減壓至裝置邊界要求壓力，輸送至中間罐區(qū)。從中間罐區(qū)經(jīng)泵把物料升壓，送到下游裝置的進(jìn)料緩沖罐。由下游裝置進(jìn)料泵再升壓，經(jīng)換熱器、加熱爐升溫后，送入反應(yīng)器或分餾塔。在上游裝置出口處，如果物料出自分餾塔塔底，則設(shè)塔底液位控制回路，如圖1所示；如果物料出自側(cè)線汽提塔塔底，則設(shè)汽提塔塔底出料流量控制回路，圖1中省略。在下游裝置的進(jìn)口處，設(shè)進(jìn)料緩沖罐液位控制回路，如圖1所示。另外，進(jìn)料泵后還要設(shè)流量控制回路，控制下游裝置處理量，圖1中省略。

圖1 傳統(tǒng)煉油廠裝置間供料典型控制流程示意

中間罐一般為常溫罐，只有重質(zhì)油罐為熱罐，溫度稍高于凝點，日常靠外引蒸汽加熱維持溫度。同時，中間罐一般為常壓罐，只有液化氣罐、丙烯罐等為壓力罐。物料出裝置邊界壓力用于克服管路壓力、罐內(nèi)液體靜壓、氮封壓力。

從以上過程可以看出能量變化情況：在壓力勢能變化方面，從上游裝置到下游裝置壓力先由高到底，再由低到高，前者造成壓力勢能浪費，后者又需額外補(bǔ)充壓力勢能。在熱能變化方面，從上游裝置到下游裝置，溫度先由高到低，再從低到高，前者經(jīng)冷卻器造成熱量浪費，后者又需額外補(bǔ)充熱量。

由此可見，該方案存在大量能量的浪費。盡管如此，目前煉油廠仍在普遍使用該方案，其主要原因是上下游裝置間為間接供料，中間罐區(qū)有足夠的緩沖空間，上下裝置間耦合度很小，操作簡單，但這無疑是低水平的運行模式。

目前，有些生產(chǎn)廠為了避免或降低上述過程中熱能的損失，嘗試過采用熱罐技術(shù)，即中間罐區(qū)采用高溫罐，實現(xiàn)熱進(jìn)熱出。但是受罐體材料、制造技術(shù)、罐體基礎(chǔ)、消防技術(shù)、投資效益等限制，罐體溫度不能太高。因此，即使采用熱罐，仍存在熱能損失。另外，熱罐還需要外部蒸汽加熱維溫，需要耗能；熱罐技術(shù)仍然不能避免壓力勢能的浪費。因此，熱罐技術(shù)雖能節(jié)能，但還很不完善。

2 節(jié)能型裝置間供料流程及控制方案

2.1 概 述

從上述傳統(tǒng)的裝置間供料流程可以看出，如果上游裝置的物料不減溫、減壓，不經(jīng)過中間罐，直接送到下游裝置，即直接供料，會節(jié)約大量的能量。但直接供料也將使上下游裝置間耦合度大幅增加，這無疑會給裝置平穩(wěn)操作帶來困難，給安全生產(chǎn)帶來隱患。因此，直接供料應(yīng)充分考慮各種工況的需求，如：開停工過程、負(fù)荷變化、設(shè)備故障、應(yīng)急處理等。為此需要設(shè)計完備的控制流程，使其能自動適應(yīng)工況需求。

2.2 工藝要求

裝置間直接供料的工藝基本要求：

1)安全、平穩(wěn)、長周期運行。

2)設(shè)少量的中間罐，滿足開停工需要，滿足物料平衡需求。

3)開工工況：上游裝置的出料全部去中間罐區(qū)；下游裝置的進(jìn)料全部來自中間罐區(qū)。

4)正常工況：下游裝置80%的進(jìn)料直接來自上游裝置的熱出料，20%的進(jìn)料為經(jīng)中間罐區(qū)來的冷進(jìn)料。以上冷熱料進(jìn)料比例為2∶8是設(shè)計工況，可根據(jù)操作水平，減少冷進(jìn)料，提升節(jié)能水平。

5)理想工況：下游裝置的進(jìn)料100%來自上游裝置的熱出料。

6)上游裝置的出料控制權(quán)在上游裝置，下游裝置的操作不能直接干擾上游裝置的順利出料。

7)下游裝置的進(jìn)料控制權(quán)在下游裝置，上游裝置的操作不能直接干擾下游裝置的順利進(jìn)料。

2.3 工藝流程與控制方案

根據(jù)上游裝置出料流程情況，筆者把裝置間直接供料工藝流程與控制方案分為兩種典型模式：模式A為上游裝置主分餾塔塔底物料去下游裝置；模式B為上游裝置主分餾塔的側(cè)線汽提塔塔底物料去下游裝置。

2.3.1模式A

模式A控制流程如圖2所示。控制方案說明如下：

1)上游裝置主分餾塔設(shè)塔底液位控制回路，以保證上游裝置主分餾塔液位被可靠控制。液位調(diào)節(jié)閥須設(shè)在塔底出料總管上。該調(diào)節(jié)閥不能設(shè)在去中間罐區(qū)的冷料管線上，否則在冷料較少時，該調(diào)節(jié)閥不能有效調(diào)節(jié)分餾塔液位；該調(diào)節(jié)閥也不能設(shè)在去下游裝置的熱料管線上，否則造成下游裝置進(jìn)料大幅波動，下游裝置不能安全平穩(wěn)運行。液位調(diào)節(jié)閥須設(shè)在出料換熱器后，不應(yīng)設(shè)在換熱器前，因為換熱器后介質(zhì)溫度低，可降低對調(diào)節(jié)閥的要求，降低投資。

圖2 裝置間直接供料模式A控制流程示意

2)上游裝置分餾塔液位調(diào)節(jié)閥后，塔底出料分成兩路：一路經(jīng)冷卻器去中間罐區(qū)，稱為冷料；另一路未經(jīng)冷卻器去下游裝置，稱為熱料。冷料管線設(shè)壓力控制回路，當(dāng)下游裝置熱進(jìn)料減少時，使壓力升高，壓力調(diào)節(jié)閥將自動增大開度，保證上游裝置能順暢出料；當(dāng)下游裝置熱進(jìn)料增大時，使壓力減小，壓力調(diào)節(jié)閥將自動減小開度，保證下游裝置熱進(jìn)料流量。

由于裝置開工時，為簡化操作，上游物料全部為冷料去中間罐區(qū)，而正常狀態(tài)時僅有20%或更少的冷物料，顯然設(shè)在冷料管線上的1個壓力調(diào)節(jié)閥其可調(diào)范圍是不能滿足全工況需求的，需要設(shè)置一大一小2個調(diào)節(jié)閥，采用分程控制，量小時自動選用小閥，量大時自動啟用大閥。

3)下游裝置進(jìn)料緩沖罐設(shè)液位控制回路，調(diào)節(jié)閥設(shè)在冷進(jìn)料管線上。由于裝置開工時，為簡化操作，下游裝置進(jìn)料全部為冷料，而正常狀態(tài)時僅有20%或更少的冷進(jìn)料，顯然設(shè)在冷料管線上的1個液位控制閥其可調(diào)范圍是不能滿足要求的，也需要設(shè)置一大一小2個調(diào)節(jié)閥，采用分程控制，量小時自動選用小閥，量大時自動啟用大閥。

4)下游裝置熱料管線設(shè)遙控閥。開工時，下游裝置進(jìn)料全部來自中間罐區(qū)，緩沖罐液位通過冷進(jìn)料液位調(diào)節(jié)閥自動控制在允許范圍內(nèi)。然后，逐漸增大熱料管線遙控閥的開度，冷進(jìn)料調(diào)節(jié)閥的開度會自動減小。以此方法，直至熱進(jìn)料與冷進(jìn)料達(dá)到可操控的比例。理想狀態(tài)全部進(jìn)料為熱料。

從上述過程可以看出，該控制方案可以滿足開工、正常運行、理想狀態(tài)等各種工況。

2.3.2模式B

模式B與模式A的區(qū)別在于上游裝置出料控制方案不同：模式A是主分餾塔塔底液位定值控制；模式B是側(cè)線汽提塔塔底出料流量定值控制，這是總體控制流程決定的，在此不細(xì)述。除此之外，模式B與模式A控制方案相同，不再贅述。

3 結(jié)束語

以上所述節(jié)能型裝置間供料流程及控制方案經(jīng)過了幾個大中型工程的應(yīng)用，證明了該方案安全、實用，自動化水平適宜，是一種節(jié)能降耗的好方案。在實際工程中，裝置間供料還有更復(fù)雜的情況，例如：下游裝置進(jìn)料來自更多的裝置，多股物料間可能還有比例要求，但基本控制方案不變，只是需要在物料間附加更多的限制性控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[2]俞金壽，蔣慰孫.過程控制工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]胡壽松.自動控制原理[M].5版.北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]胡壽松.最優(yōu)控制理論與系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[5]席裕庚.預(yù)測控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，1993.

[6]蘇宏業(yè).不確定時滯系統(tǒng)的魯棒控制理論[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[7]韓曾晉.自適應(yīng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[8]鄭大鐘.線性系統(tǒng)理論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[9]周春暉.化工過程控制原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[10]王樹青，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.