重整裝置反應(yīng)壓力控制方案分析與投用

郭 猛

(中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116031)

重整裝置反應(yīng)壓力控制方案分析與投用

郭 猛

(中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116031)

通過對連續(xù)重整裝置的反應(yīng)原理和工藝流程的簡單介紹，說明了反應(yīng)壓力與目標(biāo)產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)性以及壓力控制的必要性和重要性。設(shè)計上反應(yīng)壓力控制采用壓力-轉(zhuǎn)速串級分程控制方案，通過壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力。由于認(rèn)知不足，此控制方案自開工以來一直沒有投用，反應(yīng)壓力采用壓縮機(jī)定轉(zhuǎn)速控制，且壓縮機(jī)防喘閥一直保持一定的開度，導(dǎo)致反應(yīng)壓力波動大、影響產(chǎn)品質(zhì)量且壓縮機(jī)能耗大，因此優(yōu)化反應(yīng)壓力的控制效果顯得異常重要。通過論證、解析該控制方案，優(yōu)化了PID控制參數(shù)和投用方法，成功地將控制方案投入實(shí)際生產(chǎn)，投用后重整反應(yīng)壓力非常穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品的收率和質(zhì)量；同時由于防喘閥的關(guān)閉降低了壓縮機(jī)能耗，提高了壓縮機(jī)的工作效率，為企業(yè)帶來了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

壓力-轉(zhuǎn)速串級分程控制 連續(xù)重整裝置 PID參數(shù)優(yōu)化

中國石油大連石化公司年產(chǎn)220萬噸重整裝置采用美國環(huán)球油品公司超低壓連續(xù)重整工藝技術(shù)，可得到高的液體產(chǎn)率、高的芳烴產(chǎn)率和氫氣產(chǎn)率。裝置原料來源于上游年產(chǎn)380萬噸石腦油預(yù)加氫裝置，主要產(chǎn)品是把低辛烷值的直餾石腦油轉(zhuǎn)化為富含芳烴的高辛烷值汽油組分、C6/C7餾分、不穩(wěn)定液化氣和含氫氣體，從重整生成油中分離出混合二甲苯和高辛烷值汽油調(diào)合組分。重整反應(yīng)過程生成的焦炭由催化劑帶入再生系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)再生，恢復(fù)活性的催化劑再經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)回到反應(yīng)器床層中，繼續(xù)重整反應(yīng)。如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)過程的連續(xù)性。

自裝置建成投運(yùn)以來，由于認(rèn)知不足，設(shè)計上通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和分程保護(hù)來控制反應(yīng)壓力的控制方案一直未投用。反應(yīng)壓力采用壓縮機(jī)定轉(zhuǎn)速控制，導(dǎo)致反應(yīng)壓力波動大，影響產(chǎn)品質(zhì)量；且壓縮機(jī)防喘閥一直保持一定的開度，導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗也大[1]。為了提高產(chǎn)品收率和質(zhì)量，降低能耗，公司組織技術(shù)人員對壓力-轉(zhuǎn)速串級分程控制方案[2]進(jìn)行分析和論證，成功將該方案在生產(chǎn)實(shí)際中加以投用，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 重整工藝簡介①

重整工藝是在一定的操作條件和催化劑作用下，使烴類分子重新排列，將烷烴和環(huán)烷烴轉(zhuǎn)化為芳烴或異構(gòu)烴。重整反應(yīng)的深度取決于原料油性質(zhì)、催化劑性能和操作條件的苛刻程度。降低反應(yīng)壓力有利于芳構(gòu)化而抑制裂化反應(yīng)；相反，提高反應(yīng)壓力將增加加氫裂化反應(yīng)而減低芳構(gòu)化作用。為了獲得更多的目的產(chǎn)物，降低反應(yīng)壓力是條很好的途徑。但是，重整催化劑在低壓操作條件下，催化劑的結(jié)炭速率會迅速增加，將嚴(yán)重影響催化劑的使用周期。為此，重整裝置必須保持一個適宜的反應(yīng)壓力，避免過高的結(jié)炭速率。因此，控制重整反應(yīng)壓力至關(guān)重要，實(shí)際生產(chǎn)中通過控制產(chǎn)品分離器的壓力來穩(wěn)定反應(yīng)壓力。

2 壓力控制方案解析

中國石油大連石化公司年產(chǎn)220萬噸重整裝置的反應(yīng)壓力是以反應(yīng)產(chǎn)物分離器壓力PI4008為控制基準(zhǔn)點(diǎn)，與重整氫增壓機(jī)入口分液罐壓力PI4012組成串級調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。PI4012的控制器PIC4012為三分程控制，一路控制放空閥，一路與重整氫增壓機(jī)轉(zhuǎn)速控制器組成串級調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，另一路參與壓縮機(jī)防喘振控制。

圖1中的反應(yīng)產(chǎn)物分離器壓力PI4008和重整氫增壓機(jī)K1402入口分液罐V1402的壓力PI4012是一個串級控制，PI4008的控制器PIC4008的輸出作為PIC4012的給定。PIC4012輸出的0%～33%參與防喘振控制，33%～66%調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，66%～100%給系統(tǒng)放空閥PV4012。正常操作時，PIC4012通過調(diào)整增壓機(jī)K1402的轉(zhuǎn)速來維持系統(tǒng)壓力。兩段防喘閥XV4004、XV4006和系統(tǒng)放空閥PV4012都是關(guān)閉的。當(dāng)V1402壓力降低時，PIC4012將降低K1402的轉(zhuǎn)速直到最小運(yùn)行轉(zhuǎn)速，若壓力繼續(xù)降低，PIC4012的0%～33%輸出將給K1402一段防喘閥XV4004一個開的信號來維持V1402的壓力。當(dāng)V1402壓力增加時，PIC4012將增加K1402的轉(zhuǎn)速直到最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速,若壓力繼續(xù)增加，PIC4012的66%～100%輸出將打開PV4012放空閥來維持V1402的壓力。在正常調(diào)速模式下，PIC4012的33%～66%輸出對應(yīng)壓縮機(jī)的調(diào)速范圍是6 751～8 751r/min，調(diào)節(jié)器為正作用[3]。

圖1 重整流程簡圖

PI4008為重整循環(huán)氫壓縮機(jī)K1401的入口壓力，而PI4012是K1401機(jī)出口、K1402機(jī)的入口壓力，所以K1401機(jī)的轉(zhuǎn)速影響著K1402機(jī)的入口壓力和流量。反應(yīng)壓力控制組態(tài)如圖2所示，可以看出，當(dāng)K1401機(jī)入口壓力PI4008發(fā)生變化時，在保持K1401機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，可通過調(diào)節(jié)其出口壓力PI4012進(jìn)行調(diào)節(jié)修正。即當(dāng)PI4008升高時，通過降低壓縮機(jī)出口壓力使得壓縮機(jī)入口流量增加而降低入口壓力；當(dāng)PI4008降低時，通過增加壓縮機(jī)出口壓力使得流量減少而增加入口壓力。控制器PIC4008的控制方式為反作用。通過PI4008與PI4012的串級控制就能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。所以，將PIC4008作為此控制回路的主控制器，PIC4012為副控制器，同時作為下游三分程控制的主控制器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、防喘振閥和放空閥[4]。

3 壓力控制方案投用前的運(yùn)行狀態(tài)和影響

該裝置的壓力控制方案(壓力-轉(zhuǎn)速串級分程控制)自2008年開工以來，由于各種原因一直沒有投入自動控制，而是采用定速控制(手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速)，高低壓兩段防喘閥都保持12%左右的開度，這樣K1402機(jī)雖然轉(zhuǎn)速恒定，且工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線，但是不能有效及時地調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力；反應(yīng)壓力波動較大，影響反應(yīng)器內(nèi)的氫油比；脫戊烷塔壓力不穩(wěn)定，液化氣質(zhì)量波動大；另外，由于防喘閥的開度大，導(dǎo)致壓縮機(jī)效率低下且蒸汽能耗大，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，該控制方案投用與否，將對裝置的生產(chǎn)優(yōu)化和蒸汽能耗產(chǎn)生較大影響。

4 壓力控制方案的實(shí)施

2013年初公司組織技術(shù)人員對國內(nèi)相關(guān)煉廠的重整裝置反應(yīng)壓力的控制情況進(jìn)行調(diào)研，了解相關(guān)的控制方案和技術(shù)參數(shù)，確定相關(guān)控制器PID參數(shù)的大致范圍。為此后進(jìn)行壓力控制方案試投用奠定基礎(chǔ)。

4.1控制方案的整定與投用

為了防止分液罐V1401～V1403的液位在投用過程中出現(xiàn)波動，導(dǎo)致帶液聯(lián)鎖停機(jī)，重新整定了液面控制PID參數(shù)，加強(qiáng)控制作用，使調(diào)節(jié)更加及時有效。然后將高、低壓兩段的防喘振控制器都打在半自動位置，保持兩個防喘閥現(xiàn)有開度不變，避免出現(xiàn)喘振。

將各主要控制對象的PID參數(shù)按照經(jīng)驗值和調(diào)研的數(shù)據(jù)寫入：反應(yīng)產(chǎn)物分離器壓力控制器PIC4008的控制參數(shù)設(shè)置為P=80%、I=25s、D=0s。分液罐壓力控制器PIC4012的控制參數(shù)設(shè)置為P=100%、I=0s、D=0s(先采用純比例控制)。調(diào)速器的控制參數(shù)設(shè)置為P=150%、I=15s[5]。

各項準(zhǔn)備工作就緒后，觀察轉(zhuǎn)速控制器的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的PI參數(shù)不能滿足控制要求，偏差過大，最高時達(dá)到30r/min，于是逐漸將轉(zhuǎn)速控制器的PI參數(shù)改為P=20%、I=2s，調(diào)整后轉(zhuǎn)速偏差不超過3r/min，效果明顯改善。

圖2 反應(yīng)壓力控制組態(tài)

觀察當(dāng)前轉(zhuǎn)速與K1402機(jī)入口分液罐壓力控制器PIC4012的輸出是否一致，如果二者偏差超過5r/min，則不允許投入串級，微調(diào)PIC4012的輸出值等于轉(zhuǎn)速設(shè)置值時將轉(zhuǎn)速控制器打到串級模式，再將PIC4012由手動位打到串級位，將主回路控制器PIC4008投入自動。觀察整個回路的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)PIC4012的控制效果明顯偏弱，偏差過大，不能及時有效地調(diào)節(jié)PI4008的壓力。針對此問題，重新調(diào)整PID參數(shù)，首先把PIC4012控制器改為自動方式，觀察它與轉(zhuǎn)速的響應(yīng)關(guān)系，判斷出該變量的波動周期為30s左右。以此為基礎(chǔ)重新設(shè)置，將PIC4012控制器的控制參數(shù)修改為P=100%、I=60s、D=0s。PIC4008控制器的控制參數(shù)修改為P=80%、I=60s、D=0s。然后再將此回路投入串級。經(jīng)過長時間觀察， PIC4012反應(yīng)迅速、跟蹤及時，控制效果良好，PIC4008明顯趨于穩(wěn)定，波動很小，標(biāo)準(zhǔn)偏差由原來的8.2減少為0.4左右，投入自動控制的效果非常明顯，PI4008和PI4012的壓力曲線如圖3所示。

圖3 調(diào)整參數(shù)后的壓力曲線

最后，觀察K1402機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行工況，逐漸將一段、二段防喘閥關(guān)閉，一段的防喘振閥開度為2%，二段的防喘振閥全關(guān)，K1402機(jī)的一段、二段工作點(diǎn)均在喘振控制線附近。此時，蒸汽耗量減少8t/h，如圖4所示。

圖4 蒸汽流量曲線

4.2投用過程中出現(xiàn)的問題與對策

方案投用后出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速差超限5r/min(轉(zhuǎn)速差為壓力控制器要求的轉(zhuǎn)速與調(diào)速器設(shè)定值之差)的情況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制器與壓力串級控制切為手動，由于沒有及時發(fā)現(xiàn)，壓力系統(tǒng)出現(xiàn)波動。經(jīng)認(rèn)真研究調(diào)速邏輯，將此偏差限值改為200r/min，同時在操作畫面上加設(shè)聲光報警功能，一旦出現(xiàn)偏差報警和手自動切換現(xiàn)象，就發(fā)出聲光報警提醒操作員及時對轉(zhuǎn)速控制做出調(diào)整[6]。

由于防喘閥的關(guān)閉，工作點(diǎn)移至喘振控制線附近，隨后由于外部工藝條件波動，工作點(diǎn)進(jìn)一步左移，防喘振控制器迅速將一、二段防喘振閥打開，給K1402機(jī)出入口壓力帶來沖擊，造成生產(chǎn)波動。針對當(dāng)前工況和生產(chǎn)負(fù)荷，將一、二段防喘振閥開度分別設(shè)在4%和8%，使壓縮機(jī)工作點(diǎn)右移，遠(yuǎn)離喘振線，避免一有波動就打開防喘閥的現(xiàn)象發(fā)生。同時，觀察生產(chǎn)負(fù)荷情況，如果產(chǎn)氫量增加，即壓縮機(jī)入口流量增加，工作點(diǎn)進(jìn)一步遠(yuǎn)離喘振線，則可關(guān)閉防喘閥，降低能耗。

5 壓力控制方案的影響因素

中國石油大連石化公司年產(chǎn)220萬噸重整裝置的壓力控制方案為三重串級-分層控制，由于有循環(huán)氫壓縮機(jī)K1401的引入，增加了干擾對象，給此壓力控制增加難度，所以要盡量保證K1401的運(yùn)行穩(wěn)定和轉(zhuǎn)速恒定。

重視防喘振控制器的影響，工作點(diǎn)盡可能遠(yuǎn)離喘振線。投用前保證壓縮機(jī)組后路暢通，不憋壓。將一、二段出入口壓力控制器和放空閥控制投入自動控制，將后路進(jìn)入管網(wǎng)的氫氣壓力設(shè)定好，然后根據(jù)工藝允許的最大壓比逐級設(shè)定好一、二段出入口壓力控制器的設(shè)定值，以保證PIC4012至防喘振控制器的輸出值為0%(這樣做可以留有一定的余量調(diào)節(jié)，防止防喘閥頻繁開關(guān))。可將防喘振控制器打在半自動模式或自動模式下。

K1402機(jī)自身狀態(tài)良好，調(diào)速機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠，響應(yīng)迅速，保證壓力調(diào)節(jié)的及時有效。

邏輯中轉(zhuǎn)速差超限切為手動的功能沒有實(shí)際意義，建議此功能只做報警提示，不更改控制模式，避免出現(xiàn)壓力波動。

工況穩(wěn)定，避免開停工期間或生產(chǎn)負(fù)荷過低時投用。

6 結(jié)束語

中國石油大連石化公司年產(chǎn)220萬噸重整裝置的壓力-轉(zhuǎn)速串級分程控制方案投用后，控制效果突出，反應(yīng)壓力穩(wěn)定，提高了重整單元的運(yùn)行穩(wěn)定性，也保證了目標(biāo)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。同時，大幅提高了裝置的自控率水平。更重要的是節(jié)能效果非常突出，僅蒸汽消耗量每小時節(jié)省近8t，而且還有很大潛力可挖，隨著工況的穩(wěn)定和負(fù)荷的調(diào)整還可進(jìn)一步節(jié)省蒸汽量，提高壓縮機(jī)的效能，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 王驥程,祝和云.化工過程控制工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000:174～184.

[2] 姚春東.離心式壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能率計算及優(yōu)化[J].壓縮機(jī)技術(shù),2003,(6):4～7.

[3] 胡海軍.催化重整裝置反應(yīng)壓力控制方案討論[J].石油化工自動化,2013,49(1):6～10.

[4] 黃凡峻.天津石化100萬噸/年重整抽提裝置反應(yīng)壓力控制[J].中國儀器儀表,2010,(8):29～31.

[5] 粟雪云.重整裝置反應(yīng)及油氣再接觸系統(tǒng)壓力平衡控制分析[J].煉油技術(shù)與工程,2002,32(10):1～3.

[6] 賴文川.催化重整裝置典型控制方案分析[J].石油化工自動化,2004,40(3):18～20.

PressureControlSchemeAnalysisandApplicationinContinuousCatalyticReformingUnit

GUO Meng

(CNPCDalianPetrochemicalCorporation,Dalian116031,China)

Through briefly introducing both reaction principle and process of the continuous reforming unit , the relevance between reaction pressure and target product and both necessity and importance of the pressure control were illustrated. In original design, the reaction pressure control adopts pressure-rotational speed cascade-split control scheme and having the reaction pressure adjusted at real time through controlling the compressor’s working speed; the reaction pressure employing a constant speed control scheme and the compressor’s anti-surge valve keeping a certain opening can result in obvious reaction pressure fluctuation, poor product quality and large energy consumption. Applying the cascade-split control scheme with improved PID control parameters to the production shows that, this scheme can improve stability of reforming unit’s pressure system and the compressor’s work efficiency along with great economic benefits for the company.

reaction pressure-cascade-split control, continuous catalytic reforming unit, PID parameter optimization

TH862

B

1000-3932(2016)12-1253-05

2016-11-08(修改稿)