環氧乙烷反應器高壓蒸汽包控制方案及聯鎖保護

李學，崔錦福，朱彥興

(1. 中國石油集團東北煉化工程有限公司 吉林設計院，吉林 吉林 132002；

2. 中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林132002 )

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環氧乙烷反應器高壓蒸汽包控制方案及聯鎖保護

李學1，崔錦福1，朱彥興2

(1. 中國石油集團東北煉化工程有限公司 吉林設計院，吉林 吉林 132002；

2. 中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林132002 )

摘要：高壓蒸汽包作為環氧乙烷(EO)反應器冷卻系統的關鍵設備，其控制方案的作用很重要。采用高壓汽包三沖量控制方案，同時在氧氣混合站設置了聯鎖保護裝置。闡述了該方案的功能及操作和執行方式。實際應用證明，該控制方案使得高壓蒸汽包鍋爐給水流量與出口高壓蒸汽流量達到平衡，同時實現了對高壓蒸汽包的水位控制；通過高壓蒸汽包液位及出口高壓蒸汽壓力的聯鎖，保護了反應器及生產裝置的安全，使用效果良好。

關鍵詞：環氧乙烷高壓蒸汽包三沖量控制汽包水位控制

環氧乙烷是乙烯和純氧在反應器中通過銀催化劑作用生成的，反應的同時會產生大量的熱量，為放熱反應，需建立反應器冷卻系統對其進行冷卻并回收反應產生的熱量。反應器冷卻系統基于熱虹吸原理運行，自高壓蒸汽包來的凝液從反應器底部進入，經反應器產生汽水混合物，并經反應器頂部返回高壓蒸汽包進行汽液分離，高壓蒸汽包產生的蒸汽送入蒸汽管網作為熱量進行回收利用。

目前鍋爐汽包廣泛采用三沖量控制系統方案，而環氧乙烷裝置高壓蒸汽包則采用了前饋-串級控制系統方案，進一步提高了給水控制系統的控制質量，充分發揮了分散控制系統的高級控制功能[1]。

1控制方案

1.1三沖量控制系統方案

汽包水位三沖量控制系統如圖1所示，高壓蒸汽包的液位通過主回路調節器LIC-01調節，同時重置鍋爐給水流量調節器FIC-02，當汽包液位增加時(突然上升) 意味著一個更劇烈的反應發生和較多的蒸汽產生。 在上述情況下需要更多的水，此時調節器錯誤地反應為減少給水量。為確保正確控制蒸汽流量，將蒸汽流量FIC-01作為前饋信號引入到鍋爐給水串級調節副回路中，即對FIC-02的前饋控制[2]，當出口蒸汽流量增大時，直接導致更多的鍋爐給水，不考慮LIC-01的作用。通常蒸汽流量和鍋爐給水流量是相等的，汽包中液位會是穩定的。采用蒸汽流量前饋控制有兩個優點：蒸汽流量改變時能自動改變給水流量，不需要等到液位產生偏差后再引入校正作用，有利于汽包液位的平穩控制；LIC-01作為串級調節的主回路，可以把比值度和積分時間放得稍大，以使給水流量較為平穩。

圖1　控制回路示意

雖然，三沖量汽包水位控制系統能及時克服給水系統的干擾,改善控制品質，但是調節過程中還需要解決一個輸入信號系統的靜態匹配問題，且動態整定過程也比較復雜，因而采用前饋-串級控制方案，利用前饋使給水量及時跟蹤輸出量，利用串級調節副回路實現對鍋爐給水量的調節，利用串級調節主回路實現對水位的調節。

1.2汽包水位影響因素分析

前饋-串級控制系統影響汽包水位的主要因素有鍋爐給水流量和出口蒸汽流量。

1.2.1給水流量對汽包水位的影響

液位H對給水流量擾動響應曲線如圖2所示。如果把汽包及其水循環系統看作一個單容水槽，那么水位的給水階躍擾動響應曲線如曲線a1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包內飽和水的溫度，當進入汽包后吸收了原有飽和水中的一部分熱量使得汽包內部的蒸汽產量下降，液位以下的汽液混合物的總體積也會相應減小，從而導致液位下降，如曲線b1所示。液位的實際響應曲線應是曲線a1和b1之和，如曲線c1所示。從圖2中可以看出該響應過程有一段延遲時間，即它是一個具有延遲時間的積分環節，水的過冷度越大則響應延遲時間就會越長。

圖2　給水流量擾動響應曲線

其傳遞函數可以近似表示為

(1)

式中：ε1——汽包水位的變化速度；τ——延遲時間。

其擾動傳遞函數如圖3所示，可近似認為是一個積分環節和一個慣性環節的串聯的形式。

圖3給水擾動傳遞函數

1.2.2出口蒸汽流量對汽包液位的影響

液位H對出口蒸汽流量擾動響應曲線如圖4所示。當汽包出口蒸汽量FT-01突然做階躍增加時，一方面改變了汽包內的液位平衡，使汽包內液體蒸發量變大從而使水位下降，如a2所示，另一方面由于汽包出口蒸汽量的突然增加，將使汽包內氣泡增多，同時由于反應器放熱量維持不變，因而汽包壓力下降，會導致液位以下蒸汽泡膨脹，總體積增大，從而導致汽包液位上升，如曲線b2所示。液位的實際響應曲線應該是曲線a2和b2之和，如曲線c2所示。通常情況后者的影響要大于前者，因而出口蒸汽量做階躍增加后的一段時間內會出現液位不但沒有下降反而明顯升高的現象，這種反常現象通常被稱為“虛假水位”，可以認為這是一個慣性加積分環節。其傳遞函數可以近似地表示為

(2)

式中：ε2——汽包液位對于蒸汽流量的上升速度；t0——“虛假水位”的延遲時間；K——常數。

2聯鎖保護

氧氣混合站(OMS)是環氧乙烷裝置反應單元氧氣和乙烯進料混合裝置，該裝置設有十分安全可靠的聯鎖保護設施。

當高壓蒸汽包液位LT-02液位低低和高壓蒸汽包出口高壓蒸汽壓力PT-01壓力高高時，立即觸發OMS系統聯鎖I-OMS，對反應器進行安全聯鎖保護。

3結束語

通過上述方案對高壓蒸汽包進行合理控制，使得高壓蒸汽包鍋爐給水流量與高壓蒸汽包出口高壓蒸汽流量達到平衡，同時實現了對高壓蒸汽包的水位控制；通過高壓蒸汽包液位及出口高壓蒸汽壓力的聯鎖，保護了反應器及生產裝置的安全。目前該控制及聯鎖方案已通過實踐檢驗，使用效果良好。

參考文獻：

[1]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2]俞金壽，蔣慰孫.過程控制工程[M].3版.北京：電子工業出版社，2007.

[3]王樹青，戴連奎.自動控制原理[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[4]田濤.過程計算機控制及先進控制策略的實現[M].北京：機械工業出版社，2007.

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0086-02

作者簡介：李學(1980—)，男，吉林人，2009年畢業于東北電力大學控制工程專業，獲碩士學位，現工作于中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院自控室，一直從事自控專業設計工作，任工程師。

祝廣大作者、讀者2015年新年快樂！萬事如意！

稿件收到日期：2015-09-05，修改稿收到日期：2015-11-08。