無級氣量調節系統在連續重整裝置中的設計及實現

孫偉

摘 要：無級氣量調節系統實際應用的關鍵，在于它與過程控制的有機結合。文章敘述無級氣量調節系統在連續再接觸部分的應用，著重介紹再接觸控制過程、無級氣量調節系統的設計，以及通過DCS組態在壓縮機K202A上實現無級氣量調節控制。

關鍵詞：超弛控制；負荷；分程點

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0101-03

1 概述

連續重整裝置是煉油系統二次加工的關鍵裝置，是清潔、高辛烷值汽油調和的重要組份，同時也是煉油加氫裝置氫氣的主要來源。增壓機作為連續重整的關鍵設備，其平穩運行對煉油系統氫氣管網壓力的平衡至關重要。

該裝置連續重整工藝再接觸部分采用美國UOP公司第二代連續重整工藝技術，它的基本控制要求是：在保證重整反應系統壓力穩定的前提下向加氫裝置提供氫氣。其中三臺增壓機選用往復式壓縮機。原機組采用兩段式壓縮三返一回流控制，既級間回流調節。其壓縮機負荷采用0%、25%、50%、75%、100%手動梯級控制。這種方式調節速度慢，系統壓力波動大，耗費大量能源，且無法實現根據實際工況連續自動加載、降載，不能避免開機時快速升壓和大比例回流等干擾因素對機組及系統壓力的沖擊，影響壓縮機機組和系統流程的穩定。

2 超馳控制原理

重整再接觸部分采用美國UOP公司工藝技術，而重整產物分離罐壓力的恒定是整個重整反應系統壓力恒定的標志。其控制過程較為復雜，采用分程+超馳控制，其目的是保證重整反應系統壓力的穩定。它是通過氫氣增壓機K202A、B、C及控制重整再接觸部分的三個容器：重整產物分離器D201、1號再接觸罐D202（操作壓力0.75MPa）和2號再接觸罐D203（操作壓力1.98MPa）的壓力來實現的。在保證反應系統壓力穩定的前提下，使物料與氫氣接觸，并根據氫氣管網的需求量平穩的供氫。

2.1 超馳控制過程

在工藝正常工況下：由于壓縮機的排量大于重整反應產氫量，因此PV2016C為關閉狀態。整個系統的壓力調節，首先是在重整產物分離罐D201至2#再接觸罐D203之間，通過調節后一級高壓氫氣返回線調節閥，內部互相調節和補償以維持系統壓力的平衡。工藝氫氣流則是由前向后逐級輸送，通過D204壓力，控制調節閥PV2042的開度向氫氣管網供氫。當系統壓力異常超高，調節閥PV2042的開度已全開仍不能穩定系統壓力時，工藝氫氣流將按以下壓力關聯回路逐級逆向排放。

PIC2042壓力異常超高，調節器輸出低信號至低信號選擇器PY2038B，增加PV2038開度，直至全開。

PIC2038壓力異常超高，調節器輸出低信號至低信號選擇器PY2016B，增加PV2016A開度，直至全開。

PIC2016壓力異常超高，打開PV2016C至一定開度。

再接觸部分的超馳控制原理圖如圖1所示。

2.2 DCS控制組態的設計實現

正常工況下，調節器PIC2016、PIC2038和PIC2042的輸出經過低信號選擇器PY2016B和PY2038B選擇后，壓縮機一段回流閥PV2016A及二段回流閥PV2038分別由調節器PIC2016及PIC2038控制。根據管網氫氣的需求量，由調節器PIC2042控制調節閥PV2042向管網提供氫氣。其控制方案中的主要干擾因素是管網氫氣需求量的變小或重整產氫量的增大。

當管網氫氣需求量的急劇減?。簩е?號再接觸罐D203的壓力增大且超出“安全軟限”既超壓，調節器PIC2042的輸出逐漸增大，大于50%并且與正常工況下的PIC2038的輸出比較，最終經過PY2042C反向后被低信號選擇器PY2038B選擇，去控制調節閥PV2038，即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內。待D203壓力恢復到“安全軟限”內，超弛控制自動退出并將控制權交給調節器PIC2038常規控制。

如果由于二段回流閥PV2038的打開繼續使1號再接觸罐D202的壓力升高且超出“安全軟限”既超壓，調節器PIC2038的輸出逐漸增大，大于50%并且與正常工況下的PIC2016的輸出比較，最終經過PY2038D反向后被低信號選擇器PY2016B選擇，去控制調節閥PV2016A，即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內。待D202壓力恢復到“安全軟限”內，超弛控制自動退出并將控制權交給調節器PIC2016常規控制。如果由于一段回流閥PV2016A的打開繼續使重整產物分離器D201的壓力升高且調節器PIC2016的輸出大于50%，此時由放空閥PV2016C逐漸放空。

當重整產氫量增加，壓縮機負荷不足：導致重整產物分離器D201壓力增大，使調節器PIC2016輸出大于50%由放空閥PV2016C逐漸放空，而在50%以下則與調節器PIC2038的超弛控制部分PY2038D進行低選作為判斷是否由超弛控制的依據，去控制一段回流閥PV2016A。由于壓縮機的壓縮比固定，導致1號再接觸罐D202的壓力升高，調節器PIC2038的輸出增大，使其輸出大于50%且與PIC2016的分程部分PY2016E進行低信號選擇以決定是否由超弛控制D202的壓力。如果經過壓縮機二段的壓縮繼續使D203的壓力增加則與D202的控制方式相同。

總之，當整個反應系統壓力高時，PV2016C打開部分氫氣放空，而當整個反應系統壓力低時，關小或關閉PV2042，減小或不向外送氫氣。而再接觸部分內部則是依靠調節壓縮機的回流量來控制級間壓力的。這對于壓縮機來說等于白白浪費電能，且壓力不易控制，操作難度大。

3 無級氣量調節系統的設計

3.1 無極氣量調節的基本原理

它的主要工作原理是運用了“回流省功”原理，由無極氣量調節控制系統實時處理壓縮機運行過程中的狀態數據，并將信號反饋至執行機構內電子模塊，通過液壓執行機構來即時控制往復式壓縮機進氣閥的開啟與關閉時間，實現壓縮機排氣量0-100%全行程范圍無級調節。通過進氣閥的延遲關閉，使多余部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣總管，壓縮循環中只壓縮了需要壓縮的氣量。該系統在最大限度節省能源的同時，還擁有較高的控制動態特性。根據不同的控制要求和設計，可精確控制各級的狀態參數，如壓力、流量、溫度等。

3.2 無級調量系統控制介入點的選擇

反應系統壓力和再接觸部分壓力的穩定與平衡最終是靠調節壓縮機一、二段回流閥的回流量實現的，兩個回流閥均為氣關閥。如果低信號選擇器的輸出增大則回流量減小，也就是說，需要增加壓縮機的負荷。反之，如果低信號選擇器的輸出減小則回流量增大，也就是說，需要減小壓縮機的負荷?；亓髁靠梢哉鎸嶓w現壓縮機在此工況下所需實際負荷。因此，選擇兩個低信號選擇器PY2016B和PY2038B的輸出分別作為無級氣量調節控制的介入點，無極氣量調節控制系統通過即時調節壓縮機一、二段負荷來穩定一、二級的總入口壓力。

3.3 系統設計方案

K202A作為常開機組，設計使用無極氣量調節控制系統，實現0～100%的無級調節。另外兩臺機組互為備機，100%滿負荷運行。無極氣量調節控制系統的主控變量為K202機組的一級總入口壓力，控制壓力取樣自D201分離罐，輔控變量為二級總入口壓力，控制壓力取樣自D202接觸罐。主控變量通過分程+超馳控制影響輔控變量。無極氣量調節控制系統與現有的超馳控制系統互不干涉，在工藝系統波動超過無極氣量調節控制系統調節范圍時，超馳控制系統與無極氣量調節控制系統配合一起穩定各級壓力。

根據工藝要求，原超馳控制與無極氣量調節控制應互不干擾和藕合，它們共同完成控制任務。在工藝需要時，可以在原超弛控制和無極氣量調節控制之間切換。所謂超弛控制是指通過無極氣量調節控制手動控制壓縮機負荷，由回流閥控制壓力。所謂無極氣量調節控制是指回流閥全關，無極氣量調節控制依據實際工況自動調節壓縮機負荷來控制壓力。

經過計算，如果壓縮機負荷長期工作在30%以下將會使進氣溫度升高，因而導致進氣閥和排氣溫度升高。無極氣量調節控制建議溫升不應超過10℃。因此，壓縮機負荷取30%做為超弛控制和無極氣量調節控制的分界點，如圖2所示。負荷在0～30%由原超馳控制，對應回流閥0～100%的關度，此時無極氣量調節控制的負荷固定在30%。負荷在30～100%由無極氣量調節控制，此時回流閥為全關。完全利用其“回流省功”原理，根據實際工況（低信號選擇器的輸出）實時調節壓縮機負荷，以達到控制再接觸罐及系統壓力的穩定。

超弛控制和無極氣量調節控制之間的切換，既手動模式和自動模式之間的切換，可以簡化為分程控制分程點在30%（無極氣量調節控制）～100%（超弛控制）的移動過程。為了減少在切換過程中對系統壓力的擾動，分程點是以2%/秒的速率移動。另外，在手動模式切換至自動模式時，應先手動調節壓縮機負荷，使其與低信號選擇器的輸出基本一致時再切換至自動模式，在控制方案中考慮到無極氣量調節控制自身（HU、CIU）故障發生時，無極氣量調節控制從控制系統中自動退出，并把控制權交給原超弛控制。

控制方案在DCS操作站表示的手動模式是指：分程點移至100%，壓縮機負荷被置為100%，原超弛控制信號（低選器的輸出）直接控制回流閥，操作員可在0～100%之間手動調節壓縮機負荷。

控制方案在DCS操作站表示的自動模式是指：分程點移至30%，如果低信號選擇器的輸出在30～100%范圍內，回流閥全關，壓縮機跟據低信號選擇器的輸出自動調節負荷（最佳控制模式）；如果低信號選擇器的輸出在0～30%范圍內，壓縮機負荷被固定置為30%，回流閥閥位對應0～100%的關度?？刂葡到y手、自動模式切換如圖3所示。

4 無級氣量調節系統的設計

4.1 系統控制功能要求

實現K202A壓縮機在0～100%負荷內手動連續調節和30～100%負荷內自動調節且長期穩定運行。

對壓縮機K202A/B/C一、二級總入口壓力和二級總出口壓力進行自動控制，僅需輸入要求的壓力值，控制系統便自動跟蹤并快速穩定其壓力。

當無極氣量調節控制系統自身故障時可自動切除，壓縮機進入100%負荷運行，原超馳控制系統完全接手控制任務（與未上無極氣量調節控制系統之前的狀態完全一樣）。

能夠實現K202A壓縮機的平穩啟動、加載、切機、停機和重新投用。

根據工藝需要可實現無極氣量調節控制系統的手動切除，K202A壓縮機平穩恢復到原超馳控制狀態。

實現無極氣量調節控制液壓油站HU和中間接口單元CIU故障聯鎖邏輯控制。

4.2 控制功能的實現

無極氣量調節控制本身不承擔任何控制任務。它本質上是一個接受4～20mA標準電流信號的調節閥，可直接用裝置現有的DCS進行控制。實現控制功能的整體控制方案由DCS組態完成。壓縮機一、二段控制方案相同，以下主要介紹一段控制方案的實現。

由于控制方案較為復雜，因此采用DCS內部多個計算模塊CLAC組合編程。圖4為控制系統DCS模塊組織結構示意圖，其中虛線部分為原有模塊，細實線為模塊內部控制信號，粗實線為連續量控制信號。

PY2016GA是主控模塊，其作用如下：

根據操作員操作手動模式、自動模式實現分程點以2%/秒的速率在30～100%之間的移動。

判斷無極氣量調節控制聯鎖邏輯K202ALS輸出狀態，置位分程點：當狀態為1（正常）時，分程點不變化；當狀態為0（故障）時，置分程點為100%。

當分程點在移動過程中無極氣量調節控制發生故障聯鎖時，置分程點為100%，并將移動標志復位。

輸出實時分程點。

PY2016GB是隨動模塊，其作用一是根據PY2016GA輸出的實時分程點，判斷低信號選擇器PY2016B的輸出值。當控制系統為自動模式（分程點為30%）時，如果低信號選擇器PY2016B的輸出值為0～30%，PY2016GB將控制權交給回流閥PV2016A，通過運算對應0～100%的關度，并將壓縮機負荷置為30%；如果低信號選擇器PY2016B的輸出值為30～100%，回流閥PV2016A全關，低信號選擇器PY2016B的輸出通過開關模塊PY2016SWCH直接送至下游模塊UIC1701A作線性化處理后去控制壓縮機負荷，這是無極氣量調節控制控制的最佳模式（系統壓力調節速度快、穩定并節省大量電能）。二是在分程點移動過程中，PY2016GB根據分程點的實時位置與低信號選擇器PY2016B的輸出進行比較、判斷和跟隨計算，并將結果送給回流閥和無極氣量調節控制。

PY2016MA為控制系統手、自動模式切換模塊。PY2016GE為控制系統在手動模式時，壓縮機負荷0～100%的手動輸入模塊，它的工作方式（手動和自動）由主控模塊PY2016GA控制；當PY2016MA為自動模式時，PY2016GE也為自動方式，其輸入跟蹤PY2016GB至無極氣量調節控制的輸出值，并輸出至PY2016SWCH的第二個輸入端，等待控制系統切換至手動模式時實現無擾動；當PY2016MA為手動模式時，PY2016GE為手動方式，操作員可在0～100%范圍內手動輸入壓縮機負荷。PY2016SWCH可簡化為“單刀雙擲”開關，動作由PY2016GA控制。

K202ALS1、2、3使用計算模塊（CLAC）編程，其功能實現壓縮機啟動邏輯、聯鎖邏輯和時序控制。首先液壓油站HU啟動，待油壓建立后啟動主電機，延時20秒待轉速正常后，等待手動輸入壓縮機負荷值大于0%時，中間接口單元CIU ENABLE。此時，壓縮機負荷在0～30%范圍內經過線性器UIC1701A后均被置為40%的實際負荷。

此外，液壓油壓力低、HU和CIU故障等信號均參與聯鎖控制。有如下4種狀態：

（1）主電機運行、油站停，壓縮機負荷為100%；（2）主電機停，壓縮機負荷0%；（3）主電機運行、油站運行，但CIU為DISABLE狀態，壓縮機負荷0%；（4）主電機運行、油站運行，CIU為ENABLE狀態，為控制系統控制壓縮機負荷0～100%，這是無極氣量調節控制的正常運行狀態。

5 結束語

無極氣量調節系統的投用極大地改善了壓縮機的可操作性，滿足復雜多變的工藝需求外，還能最大限度地節省能量。有效地降低了壓縮機機組級間冷卻器的負荷，也是現有超弛控制系統的有益補充。對同類裝置的應用具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]《連續重整裝置工藝技術規程》內部資料[S].1999.

[2]《I/A Series Electronic Documentation V8.2》FOXBORO英文資料[Z].2012.