制氫裝置的水碳比控制方案優(yōu)化

郭　成　何聯(lián)合

華陸工程科技有限責(zé)任公司　西安　710065

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設(shè)計(jì)技術(shù)

制氫裝置的水碳比控制方案優(yōu)化

郭成*何聯(lián)合

華陸工程科技有限責(zé)任公司西安710065

以某煉油廠(chǎng)制氫裝置的水碳比控制方案為基礎(chǔ)，提出兩個(gè)比值控制優(yōu)化概念:預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比。描述這兩種水碳比的計(jì)算方法，并介紹以全流量和水碳比值為聯(lián)鎖條件的兩個(gè)主要聯(lián)鎖方案，為制氫裝置水碳反應(yīng)控制提供了靈活和有效的解決方案。

制氫裝置水碳比比值控制聯(lián)鎖

制氫裝置的水碳比是主要的工藝控制指標(biāo)。水碳比控制較復(fù)雜，比值過(guò)高，水蒸汽消耗過(guò)大裝置能耗提高，還有可能造成催化劑的鈍化；比值過(guò)低，轉(zhuǎn)化觸媒析炭， 轉(zhuǎn)化率低并可造成觸媒失效，對(duì)裝置的損害非常大。在某煉油廠(chǎng)制氫裝置中設(shè)置預(yù)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換兩個(gè)工段，通過(guò)在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中預(yù)先變換產(chǎn)氫進(jìn)而達(dá)到提高制氫裝置的原料氣轉(zhuǎn)換率的目的。為此，自控設(shè)計(jì)方面，本制氫裝置予以改進(jìn)，采取了預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比兩個(gè)比值控制，并在裝置的聯(lián)鎖保護(hù)中同時(shí)引入了預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比低低聯(lián)鎖，以實(shí)現(xiàn)水碳比的平穩(wěn)控制，確保制氫的正常生產(chǎn)，其水碳比控制聯(lián)鎖方案見(jiàn)圖1。

圖1　水碳比控制聯(lián)鎖方案

1　水碳比控制系統(tǒng)

本制氫裝置的水碳比控制采用典型的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。在保持比值控制的前提下，主動(dòng)量和從動(dòng)量?jī)蓚€(gè)流量均構(gòu)成閉合回路。這能克服自身流量的干擾，使主、從流量都比較平穩(wěn)，并使得工藝系統(tǒng)總的負(fù)荷也較穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主流量經(jīng)過(guò)比值運(yùn)算后輸出信號(hào)作為從流量PID調(diào)節(jié)器的給定值，從而使主、從兩種物料在不斷變化的流量數(shù)值下保持一個(gè)近似固定的比例關(guān)系，既可實(shí)現(xiàn)從流量隨主流量的變化而變化，又可以克服從流量本身干擾對(duì)比值控制的影響。

在該制氫裝置的工藝水蒸汽采用40bar(G)、363 ℃的過(guò)熱蒸汽，原料氣的來(lái)源有三種：純天然氣工況、氣化后的純石腦油工況和天然氣與石腦油混合工況(其中天然氣或者石腦油的含量不小于30%)。裝置要求產(chǎn)氫能力在30%～100%可調(diào)，產(chǎn)氫量的多少與原料氣的進(jìn)料有直接關(guān)系，故在控制邏輯中加入產(chǎn)能模式，將要求的產(chǎn)氫量所對(duì)應(yīng)的原料氣流量作為主控制回路的給定值來(lái)調(diào)節(jié)原料氣的進(jìn)氣量，原料氣流量FT-006D通過(guò)水碳比值器計(jì)算后的信號(hào)作為蒸汽流量PID調(diào)節(jié)器的給定值參與蒸汽調(diào)節(jié)。并且工藝操作中要求水碳比控制方案配置為始終保持過(guò)量的蒸汽，當(dāng)改變轉(zhuǎn)化負(fù)荷時(shí)，PID策略應(yīng)用：當(dāng)產(chǎn)品氫氣需求量增大需要增加原料流量時(shí)，控制系統(tǒng)需確保增加去轉(zhuǎn)化FT-007D和去預(yù)轉(zhuǎn)化FT-008D蒸汽流量，會(huì)隨著氣體進(jìn)料流量增加；類(lèi)似地，當(dāng)需要減小原料量時(shí)，控制系統(tǒng)需確保先減小原料流量，然后減小蒸汽流量。這樣操作避免因水碳比減小造成的催化劑積碳。

在改變?cè)蠚夤r時(shí)原料中總碳原子數(shù)會(huì)有變化，需要對(duì)原料氣組分進(jìn)行分析，以免組分突變時(shí)水碳比影響反應(yīng)效果，所以在控制模式上采用手動(dòng)設(shè)置與自動(dòng)控制相結(jié)合。

2　水碳比計(jì)算

2.1預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比

進(jìn)到預(yù)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的水蒸氣和脫硫后原料氣流量進(jìn)行水碳比控制作為制氫的中間環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了一路水蒸汽與原料氣到預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的比率，預(yù)先將水蒸汽與原料氣進(jìn)行反應(yīng)從而減少轉(zhuǎn)換爐的工作負(fù)荷，提高氫氣轉(zhuǎn)化率，預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器采用高活性的催化劑將高碳烴類(lèi)轉(zhuǎn)化為CH4、CO和H2。

(1)純天然氣(工況1)或純石腦油(工況2)為原料氣的預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比值計(jì)算:

(1)

(2)

(3)

=1·C1%+2· C2%+…n ·Cn%

(4)

K1:去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

因?yàn)檗D(zhuǎn)化反應(yīng)中的水蒸汽為過(guò)熱蒸汽，原料氣都要受到溫度、壓力的波動(dòng)從而影響實(shí)際測(cè)量流量的準(zhǔn)確性。該流程中對(duì)過(guò)熱蒸汽以及原料氣采取溫度、壓力補(bǔ)償。

FY008DPV是經(jīng)過(guò)PT038和TT018溫壓補(bǔ)償過(guò)的實(shí)際去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽質(zhì)量流量kg/h。

FY006DPV是經(jīng)過(guò)PT032和TT016溫壓補(bǔ)償過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量Nm3/h。

Cm為燃料氣中的絕對(duì)碳原(總碳) ，C1%、C2%... Cn% 分別表示原料氣中含有C1、C2、…Cn組分的mol %。為使這種算法相對(duì)簡(jiǎn)單， 要求測(cè)量的量不多，只需測(cè)量混合氣體的組成即可。其余的物理量均來(lái)自在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀表。 這使得運(yùn)算邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單， 需改動(dòng)的參數(shù)很少(只需調(diào)整總碳值), 因而對(duì)制氫生產(chǎn)操作的影響也較小。本煉油廠(chǎng)原料氣組分見(jiàn)表1和表2。

由式(1)中K1值可換算出蒸汽流量的設(shè)定值FIC008SP：

(5)

表2　純石腦油組分　(mol%)

(2)天然氣、石腦油混合(工況3)時(shí)原料氣的預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比計(jì)算：

K1=K1NG·a%+K1NA·b%

(6)

K1：混合工況下去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

K1NG：純天然氣工況下去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

K1NA：純石腦油工況下去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

混合原料氣中天然氣的百分比a%，石腦油的百分比b%，百分比范圍可在30%～70%之間變化。

(7)

式中，Cm1為天然氣中的絕對(duì)碳原(總碳)，Cm2為石腦油中的絕對(duì)碳原(總碳) 。

2.2總水碳比

經(jīng)預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器出口物料與另一路工藝蒸汽進(jìn)一步混合后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐大部分甲烷在鎳基催化劑上與水蒸氣反應(yīng)生成H2、CO和CO2。為達(dá)到更好的轉(zhuǎn)化控制效果，對(duì)去轉(zhuǎn)換反應(yīng)控制器FIC007的水碳比調(diào)節(jié)，采用總蒸汽流量的控制方案，去預(yù)轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)化的總蒸汽流量Q1H2O+Q2H2O與原料氣總碳流量QC之比，即是總水碳比K2。其設(shè)定值FIC007SP計(jì)算過(guò)程與預(yù)轉(zhuǎn)換設(shè)定值計(jì)算類(lèi)似。

純天然氣(工況1)或純石腦油(工況2)總蒸汽流量設(shè)定值：

(8)

天然氣與石腦油混合(工況3)總蒸汽流量設(shè)定值：

(9)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢測(cè)這樣設(shè)定能更如實(shí)地反映出最終參與轉(zhuǎn)化的用水量，對(duì)進(jìn)轉(zhuǎn)化爐的蒸汽流量控制也更精準(zhǔn)。

100%天然氣和100%石腦油兩種原料氣工況在制氫產(chǎn)能(30%～100%)時(shí)的預(yù)轉(zhuǎn)化水碳比和總水碳比的參考值分別見(jiàn)表3和表4。

《兒科阿奇霉素注射使用的快速建議指南》實(shí)施方案介紹…………………………………………………… 周鵬翔等（4）：436

表3　100%天然氣工況水碳比參數(shù)設(shè)定

表4　100%石腦油工況水碳比參數(shù)設(shè)定

3　水碳比聯(lián)鎖方案

為保障系統(tǒng)安全可靠，水蒸汽和原料氣的流量變送器均采用四重化設(shè)計(jì)，將水碳比的控制與聯(lián)鎖相對(duì)剝離，采用一臺(tái)變送器的檢測(cè)信號(hào)送到DCS系統(tǒng)參與比值調(diào)節(jié)邏輯，另外三臺(tái)變送器信號(hào)送入SIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)緊急聯(lián)鎖。用于聯(lián)鎖方案的三臺(tái)變送器采用了2oo3的模式進(jìn)入聯(lián)鎖邏輯。三個(gè)變送器中只要兩個(gè)不同時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，就能掩蔽掉故障檢測(cè)的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)正確運(yùn)行。由于三個(gè)變送器是互相獨(dú)立的，兩個(gè)模塊同時(shí)出現(xiàn)故障是極小概率事件，故可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)低值和低低值兩級(jí)報(bào)警，從低值到低低值這一段時(shí)間內(nèi), 操作員完全有可能通過(guò)改善操作提高水碳比, 避免聯(lián)鎖啟動(dòng)。這里的低值相當(dāng)于系統(tǒng)的一次自動(dòng)調(diào)整過(guò)程, 給操作員一個(gè)提示, 盡可能在第一時(shí)間把問(wèn)題排除。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐可直接將水蒸汽與原料氣流量之比的低低值當(dāng)作聯(lián)鎖條件。該制氫裝置設(shè)置了兩個(gè)水碳比低低聯(lián)鎖I-02進(jìn)入熱備狀態(tài)和總流量低低聯(lián)鎖I-01裝置停車(chē)。

3.1裝置停車(chē)I-01

聯(lián)鎖裝置停車(chē)經(jīng)單位換算后FY006、FY007和FY008這三路工藝介質(zhì)流量之和FY006SUM的低低值FALL006D：

(10)

聯(lián)鎖觸發(fā)時(shí)，關(guān)閉FV-008(去預(yù)轉(zhuǎn)化R02的蒸汽)，聯(lián)鎖關(guān)閉FV-007(去轉(zhuǎn)化的工藝蒸汽)，聯(lián)鎖切斷XV-004(切斷燃料氣管線(xiàn))并將燃料氣調(diào)節(jié)閥FV-006關(guān)閉，最后觸發(fā)對(duì)后續(xù)裝置的保護(hù)及停車(chē)。

3.2聯(lián)鎖進(jìn)入熱備狀態(tài)I-02

預(yù)轉(zhuǎn)換的蒸汽流量與原料氣流量之比的低低值(FFALL012)或轉(zhuǎn)換的蒸汽流量與原料氣流量之比的低低值(FFALL011)觸發(fā)制氫裝置熱備邏輯。

預(yù)轉(zhuǎn)換的蒸汽質(zhì)量流量與原料氣質(zhì)量流量之比FY012：

(11)

總蒸汽質(zhì)量流量與原料氣質(zhì)量流量之比FY011：

(12)

當(dāng)進(jìn)入熱備狀態(tài)時(shí)，緩慢減小FV-008開(kāi)度(去預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的蒸汽)至30%的工藝蒸汽，在對(duì)應(yīng)30%蒸汽流量處設(shè)定機(jī)械限位FZAL008。之所以要保留FV008 30%的蒸汽是因?yàn)镠2混合點(diǎn)設(shè)在此工藝管線(xiàn)上，有利于H2進(jìn)入(只有蒸汽，轉(zhuǎn)換器中的催化劑會(huì)鈍化)，并且該路蒸汽流量大易于調(diào)節(jié)。關(guān)掉FV-007(去轉(zhuǎn)化的工藝蒸汽)，30s后將界區(qū)送來(lái)的H2調(diào)節(jié)閥開(kāi)到最大，熱備狀態(tài)之后的10min檢測(cè)一下轉(zhuǎn)化爐爐壁溫度和FY006SUM蒸汽全流量，正常的話(huà)，繼續(xù)熱備直到12h后自然停車(chē)I-01，一旦不正常就立刻聯(lián)鎖全場(chǎng)停車(chē)I-01。

(1)繼續(xù)熱備如果裝置未在12h之內(nèi)重啟，則要進(jìn)行預(yù)轉(zhuǎn)化吹掃邏輯。

(2)FALL005(H2到預(yù)轉(zhuǎn)化的流量低)可能在12h還沒(méi)到的時(shí)候被觸發(fā)，也要進(jìn)行預(yù)轉(zhuǎn)化吹掃邏輯，這時(shí)就要再保持4h，不重啟就停車(chē)。

4　結(jié)　語(yǔ)

對(duì)于制氫裝置而言水碳比控制非常重要，優(yōu)化的水碳比控制不但可以保證制氫的產(chǎn)能，還能延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換設(shè)備的使用壽命。本文通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的制氫裝置水碳比自動(dòng)控制方案進(jìn)行分析歸納，針對(duì)預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比以及保護(hù)聯(lián)鎖方案進(jìn)行闡述，明確其用途及控制方法，給煉油裝置自控設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組態(tài)、儀表維護(hù)提供參考。

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2016-05-18)

*郭成：工程師。2008年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。

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