制氫裝置燃料用氣流量/壓力選擇性-分程控制算法

胡小東 賀代芳 杜 群 朱新明

(1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依 833600；2.中國石油獨山子石化總公司，新疆 克拉瑪依 833600)

制氫裝置燃料用氣包括燃料氣和來自變壓吸附(PSA)的燃燒脫附氣，其流量恒定是保證轉(zhuǎn)化爐穩(wěn)定燃燒的重要條件。爐前燃料氣進料壓力過高或過低都會嚴重影響轉(zhuǎn)化爐的安全燃燒，當(dāng)燃料氣壓力過高時噴嘴會出現(xiàn)脫火現(xiàn)象，造成熄火；當(dāng)燃燒室里形成大量的燃料氣-空氣混合物時，極易造成爆炸事故；當(dāng)燃料氣壓力過低時會發(fā)生回火現(xiàn)象，可能引起燃料氣管道大面積燃燒。王桐海對使用3年的Incoloy800H合金的天然氣制氫轉(zhuǎn)化爐豬尾管開裂進行了失效分析，通過金相和掃描電鏡斷口分析，確定了長時間過熱和結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大是造成其壽命縮短并最終導(dǎo)致該豬尾管發(fā)生了蠕變開裂和內(nèi)外壁面晶間氧化開裂的主要原因[1]。

筆者以中國石油獨山子石化總公司的制氫裝置的生產(chǎn)工藝為背景，充分考慮燃料氣壓力這一限制條件，采用流量/壓力選擇性-分程控制策略，把壓力限制條件構(gòu)成邏輯關(guān)系，疊加到正常的流量控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了邏輯控制保護與常規(guī)控制的有機結(jié)合[2]，既滿足了流量穩(wěn)定的控制要求，又保證了轉(zhuǎn)化爐的安全平穩(wěn)運行。另外，由于生產(chǎn)負荷升、降時會引起燃料用氣流量的大幅波動，如果僅采用單回路調(diào)節(jié)，很難穩(wěn)定流量，于是對主要燃料用氣流量，采用滑動分程控制算法，很好地解決了這個難題。

1 脫附氣流量/壓力選擇性控制算法①

脫附氣是補充燃料用氣，其流量/壓力選擇性控制系統(tǒng)儀表工作流程如圖1所示。該系統(tǒng)中設(shè)置了3臺控制器，一臺為在正常工況下工作的流量控制器FIC1043；另外兩臺均作用于極限工況下，一臺是用于高壓限制的壓力控制器PIC1064B，另一臺則是用于低壓限制的壓力控制器PIC1064A。

1.1 選擇器類型的選擇

從安全角度考慮，確定脫附氣流量控制閥FV1043的氣開和氣關(guān)類型。由于故障狀態(tài)下應(yīng)該立即切斷脫附氣進料，因此FV1043選擇事故關(guān)閥(FC)，即氣開閥。

確定正?？刂破鱂IC1043和取代控制器PIC1064A/B的正、反作用。正常控制回路和極限取代控制回路是兩個獨立的回路，不能同時工作，相當(dāng)于兩個簡單控制系統(tǒng)，因此按照簡單控制系統(tǒng)的確定方法[3]：當(dāng)流量增大時，控制器FIC1043輸出減小，閥FV1043關(guān)小，使流量減小恢復(fù)至原值，因此FIC1043選擇反作用方式；同理，PIC1064A/B也選擇反作用方式。

根據(jù)取代控制器的輸出信號類型，確定選擇器是高選器還是低選器[4]。取代控制器PIC1064A/B均為反作用控制器。這時高壓極限取代條件是PIC1064B.OPFIC1043.OP，則低壓限制取代選擇器FY1043A選擇高選器HS。

1.2 控制規(guī)律的確定

一般來講，由于正常控制器起著保證產(chǎn)品質(zhì)量的作用，而流量本身滯后較小，因此FIC1043選用PI(比例積分)控制規(guī)律[5]；對于取代控制器而言，只要求它在非正常情況時能及時采取措施，故PIC1064A/B選用P(比例)控制規(guī)律，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的快速保護。

實現(xiàn)脫附氣流量/壓力選擇性控制算法的功能模塊如圖2所示，工藝脫附氣流量FT1043A/B/C先經(jīng)過中值過濾，完成密度補償(由壓力測量PT1064和脫附氣分子量設(shè)定HC10708提供補償數(shù)據(jù))后，作為脫附氣流量控制器FIC1043的PV信號?？刂破鱂IC1043的遠程給定值來自PSA系統(tǒng)，其輸出信號FIC1043.OP先與高壓限制控制器PIC1064B輸出信號PIC1064B.OP同時輸入到低選器中進行比較。當(dāng)壓力不超過高壓極限(即在正常范圍)時，不滿足取代條件，F(xiàn)IC1043.OP順利通過低選器，再與低壓限制控制器PIC1064A輸出信號PIC1064A.OP進行高選。如果此時壓力信號也沒有超過低壓極限(即仍處于正常范圍)，則此時正常控制回路工作，由流量控制器FIC1043輸出控制FV1043動作，進行正常調(diào)節(jié)。而壓力只要超過高限或低限，取代條件滿足，壓力控制將取代流量控制。這樣的設(shè)計可以有效防止脫附氣壓力過低或過高引發(fā)停車。

圖2 脫附氣流量/壓力選擇性控制算法功能模塊

2 燃料氣流量/壓力選擇性-分程控制算法

燃料氣的流量/壓力選擇性控制算法與脫附氣的算法相同。燃料氣流量控制器FIC1042先后與高、低壓限取代控制器PIC1059B、PIC1059A進行低、高選比較，如果壓力在高壓、低壓極限范圍內(nèi)(即在正常范圍)，則實現(xiàn)流量控制；當(dāng)壓力過高或過低時系統(tǒng)立刻為壓力控制取代，從而防止燃料氣壓力過低或過高引發(fā)停車。篇幅原因，不再贅述。

燃料氣作為制氫裝置的主要燃料用氣，其流量的穩(wěn)定是保證轉(zhuǎn)化爐燃燒控制穩(wěn)定的關(guān)鍵。為了進一步提高流量的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)設(shè)計采用了滑動分程控制算法。通過高選和低選環(huán)節(jié)輸出的信號分成兩路，一路由控制器HC1042A控制大閥FV1042A，一路由控制器HC1042B控制小閥FV1042B，使A、B兩閥按照圖3所示的動作實現(xiàn)滑動分程調(diào)節(jié)，滿足了不同生產(chǎn)負荷下燃料氣流量穩(wěn)定升降的控制要求。

圖3 A、B兩閥滑動分程動作

滑動分程控制算法結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滑動分程控制算法結(jié)構(gòu)

2.1 傳送控制模塊算法

圖5 傳送控制模塊結(jié)構(gòu)

2.2 低負荷區(qū)域分程控制算法

當(dāng)生產(chǎn)負荷量較低時，燃料氣流量小，由于FIC1042是反作用，因此高選輸出信號W為大信號，傳送模塊S=0。

小閥分程計算模塊：OP=IP×(1+K)，而送至減法器的E=0，可以使小閥FV1042B的閥位以1+K的斜率滑動增大或減小，用以調(diào)節(jié)流量。

2.3 臨界至正常負荷區(qū)域的分程控制算法

當(dāng)生產(chǎn)負荷量達到臨界值時，高選輸出信號W為臨界信號，傳送模塊S由0跳變到1(在正常區(qū)域內(nèi)S恒定為1狀態(tài))。

2.4 高負荷區(qū)域分程控制算法

當(dāng)繼續(xù)提升生產(chǎn)負荷量時，高選輸出信號W為小信號，傳送模塊E端信號由0跳變到1，這時M=0。

3 結(jié)束語

中國石油獨山子石化總公司在聯(lián)合加氫制氫裝置中采用CS3000系統(tǒng)，實現(xiàn)了燃料用氣流量/壓力選擇性-滑動分程控制算法，燃料用氣流量/壓力選擇性控制系統(tǒng)在滿足流量穩(wěn)定控制要求的同時，又保證了轉(zhuǎn)化爐的安全平穩(wěn)運行；滑動分程控制算法則使系統(tǒng)在不同生產(chǎn)負荷下進一步提高了流量控制穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)化爐運行平穩(wěn)，達到了設(shè)計要求，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

[1] 王桐海.制氫轉(zhuǎn)化爐Incoloy800H合金下豬尾管斷裂分析[J].化工機械,2011,38(3):361～363,369.

[2] 逯建權(quán),梁官軍.基于超馳-分程控制的加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)壓力復(fù)雜控制方案[J].化工自動化及儀表,2011,36(4):477～480.

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

[4] 雷軍霞,王赟.分程控制在DeltaV系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2013,40(8):1068～1069.

[5] 蔡吉明,方宏昌.防喘振控制中的過程解耦與超馳控制分析[J].石油化工自動化,2012,47(6):45～48.