制氫裝置中典型的控制和聯(lián)鎖方案及應(yīng)用

蘇為群

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

1 工藝流程簡(jiǎn)述

制氫裝置生產(chǎn)高純度合格氫氣，通過全廠氫氣管網(wǎng)提供給各用氫單元，制氫原料可選擇天然氣、液化石油氣及石腦油等。常見的天然氣制氫流程簡(jiǎn)述如下： 天然氣與補(bǔ)充氫氣混合后，由原料氣壓縮機(jī)升壓送入中變氣-原料氣換熱器加熱到預(yù)定溫度后，再依次經(jīng)過加氫、脫硫反應(yīng)器，在加氫反應(yīng)器中有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為硫化氫，同時(shí)將不飽和烴類加氫飽和，脫硫反應(yīng)器將原料氣中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至符合催化劑要求的數(shù)值。精制后的原料氣混合一定比例的水蒸氣經(jīng)轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段預(yù)熱后，進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐管，原料氣在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)與水蒸氣在催化劑作用下反應(yīng)生成H2，CO，CO2和殘余甲烷，離開轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化氣與鍋爐給水換熱降溫后通過中溫變換反應(yīng)器，轉(zhuǎn)化氣中的CO與水蒸氣反應(yīng)生成CO2和H2，離開中溫變換反應(yīng)器的變換氣經(jīng)一系列換熱冷卻，并在分液罐分出凝液后進(jìn)入變壓吸附(PSA)提純單元，在PSA單元中經(jīng)物理變壓吸附，生產(chǎn)出合格的氫氣產(chǎn)品，天然氣制氫裝置流程如圖1所示。

2 主要控制方案

2.1 原料氣壓力控制及往復(fù)壓縮機(jī)的氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)

2.1.1原料氣壓縮機(jī)的控制要求

1)生產(chǎn)工藝要求。制氫裝置的壓力受氫氣管網(wǎng)的壓力控制，即氫氣管網(wǎng)的壓力再疊加制氫裝置本身的壓力降就是制氫原料所需的壓力。裝置壓力的波動(dòng)，反映了氫氣管網(wǎng)的壓力變化，間接反映了工廠氫氣的供需平衡。出口罐原料氣壓力增高，表示氫氣管網(wǎng)壓力上升，可能是用氫量減少，或者其他供氫裝置的供氫量增加，結(jié)果都是要求制氫裝置減少氫氣的產(chǎn)量，需要減少進(jìn)入裝置的原料氣量；反之，原料氣壓力降低，需要制氫裝置產(chǎn)氫量增加，要求更多的原料氣進(jìn)入制氫裝置。

圖1 天然氣制氫裝置流程示意

2)壓縮機(jī)設(shè)備要求。制氫裝置的原料氣壓縮機(jī)為往復(fù)壓縮機(jī)，其控制關(guān)鍵是壓縮比和壓縮機(jī)入口的氣體壓力。壓縮比升高，出口溫度有可能超過壓縮機(jī)所能承受的最高溫度，導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)。由于制氫系統(tǒng)原料氣壓力即壓縮機(jī)出口壓力是由氫氣管網(wǎng)決定的，壓縮機(jī)入口壓力過低，會(huì)導(dǎo)致壓縮比過高，也引起壓縮機(jī)停機(jī)。

3)原料氣壓縮機(jī)的控制策略。基于上述兩方面的控制要求，原料氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置了3個(gè)控制手段： 調(diào)節(jié)壓縮機(jī)氣缸的壓縮氣量；調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口返回入口的流量；調(diào)節(jié)進(jìn)入壓縮機(jī)的原料氣量。該控制策略是以壓縮機(jī)出口壓力為第一控制目標(biāo)，壓縮機(jī)入口壓力隨著壓縮機(jī)出口壓力的波動(dòng)跟隨控制，但是外界因素導(dǎo)致壓縮機(jī)入口壓力過低時(shí)，放棄壓縮機(jī)出口壓力控制，改為壓縮機(jī)入口壓力控制為第一目標(biāo)。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

a)壓縮機(jī)出口壓力偏低，關(guān)閉壓縮機(jī)出口返回入口控制閥到最小設(shè)定值后，壓力若仍然偏低，啟動(dòng)壓縮機(jī)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(HRCS)，繼續(xù)增加壓縮機(jī)的凈輸出氣量，直至達(dá)到最大。此時(shí)，壓縮機(jī)流量已經(jīng)達(dá)到極限，如壓縮機(jī)出口壓力仍然下降，需操作人員手動(dòng)關(guān)小氫氣送出裝置的控制閥開度。在該調(diào)節(jié)過程中，入口壓力會(huì)隨著降低，入口壓力調(diào)節(jié)器自動(dòng)開大天然氣進(jìn)料閥。

b)壓縮機(jī)入口壓力偏低，在調(diào)節(jié)過程中，如果入口壓力低于某一設(shè)定值，且入口閥全開，此時(shí)入口壓力調(diào)節(jié)器會(huì)超馳出口壓力調(diào)節(jié)器，獲得對(duì)壓縮機(jī)出口返回入口控制閥的控制權(quán)，直至入口壓力恢復(fù)到設(shè)定值。

2.1.2控制方案

壓縮機(jī)入口分液罐壓力p1控制進(jìn)裝置天然氣流量及壓縮機(jī)出口返回入口量以穩(wěn)定罐壓；壓縮機(jī)出口分液罐壓力p2根據(jù)負(fù)荷控制壓縮機(jī)返回氣量及壓縮機(jī)氣量以穩(wěn)定罐壓。返回氣量受控于壓縮機(jī)出入口兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)器，通過高選器選擇要求開度更大的調(diào)節(jié)器獲得控制權(quán)。有2臺(tái)壓縮機(jī)互為主備機(jī)(AB)，其中B機(jī)帶HRCS，原料氣壓縮機(jī)控制方案如圖2所示。其中，PIC-1調(diào)節(jié)器輸出分程曲線如圖3所示，PIC-2調(diào)節(jié)器增加了一個(gè)調(diào)節(jié)手段，即壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)，可按以下幾種情況調(diào)節(jié)。

圖2 原料氣壓縮機(jī)控制方案示意

1)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用：

a)HRCS投自動(dòng)模式。由PIC-2輸出分程調(diào)節(jié)HRCS及返回閥PV2。PIC-2輸出50%～100%，由HRCS調(diào)節(jié)氣量，對(duì)應(yīng)負(fù)荷為40%～100%；PIC-2輸出0～50%，HRCS保持40%，分程控制返回閥PV2 A/B，其中A閥口徑小、B閥口徑大。PIC-2輸出分程控制曲線如圖4所示，返回大小閥分程控制曲線如圖5所示。

圖3 壓縮機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)器輸出分程示意

圖4 壓縮機(jī)出口壓力調(diào)節(jié)器輸出分程示意

圖5 返回大小閥分程控制示意

b)HRCS投手動(dòng)模式。壓縮機(jī)負(fù)荷可在0～100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，考慮回流升溫及液擊，壓縮機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在30%負(fù)荷以下；若手動(dòng)負(fù)荷不設(shè)定在滿負(fù)荷運(yùn)行，要滿足該設(shè)定負(fù)荷下的排氣量一定要大于下游的用氣量。

2)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障，不投用。PIC-2輸出分程調(diào)節(jié)回流閥PV2A/B。

3)A機(jī)運(yùn)行，因A機(jī)不帶HRCS，與調(diào)節(jié)方案2)相同。

2.2 裝置負(fù)荷及水碳比控制

水碳比是指轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料中水(蒸汽)分子的總數(shù)和碳原子總數(shù)的比值，在制氫反應(yīng)過程中，水碳比是重要的控制指標(biāo)。水碳比是轉(zhuǎn)化過程中最敏感的工藝參數(shù)，提高水碳比可以減少催化劑的結(jié)碳，降低轉(zhuǎn)化爐出口的殘余甲烷，對(duì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)有利，但過高水碳比增加能耗，還有可能造成催化劑鈍化。當(dāng)水碳比低時(shí)，會(huì)造成反應(yīng)不完全，轉(zhuǎn)化率下降，影響氫氣產(chǎn)率；當(dāng)水碳比過低時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)化爐爐管壓力降增加，轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)花斑，縮短爐管的使用壽命，催化劑表面結(jié)碳和失活。為提高原料轉(zhuǎn)化率、減少燃料消耗，保護(hù)催化劑，使裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體的工藝確定合適的水碳比并準(zhǔn)確控制，水碳比通常控制在2.8～4.0內(nèi)，可根據(jù)操作負(fù)荷及催化劑活性調(diào)整。實(shí)現(xiàn)水碳比準(zhǔn)確控制需要完成以下幾個(gè)方面：

1)正常操作時(shí)出現(xiàn)流量波動(dòng)，通過調(diào)節(jié)蒸汽流量自動(dòng)調(diào)整水碳比維持在目標(biāo)值。

2)調(diào)整裝置負(fù)荷時(shí)，能使水碳比在調(diào)整過程中處于安全的變化過程，該功能是水碳比控制的核心，其關(guān)鍵因素包括控制邏輯和步長(zhǎng)。

a)邏輯要求。當(dāng)需要增加負(fù)荷時(shí)，先按設(shè)定步長(zhǎng)增加蒸汽流量，達(dá)到目標(biāo)流量值后，再根據(jù)水碳比增加原料氣流量，達(dá)到相應(yīng)的水碳比后，再增加蒸汽流量，隨后增加原料氣流量，如此反復(fù)，直到達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷。當(dāng)需要減少負(fù)荷時(shí)，與增加負(fù)荷相反，此時(shí)先按照步長(zhǎng)減少原料氣量，再根據(jù)水碳比減少蒸汽流量。采用該方式，使整個(gè)負(fù)荷調(diào)整過程中保證水碳比在略高于目標(biāo)值下操作，不會(huì)出現(xiàn)水碳比過低的風(fēng)險(xiǎn)。

b)步長(zhǎng)的大小很關(guān)鍵，一次調(diào)整的步長(zhǎng)過大，會(huì)使負(fù)荷調(diào)整過程中的水碳比變化大，引起下游操作的波動(dòng)；步長(zhǎng)過小，完成負(fù)荷調(diào)整的時(shí)間會(huì)過長(zhǎng)，步長(zhǎng)值的確定是通過開工后的摸索逐漸得到理想數(shù)值。

水碳比計(jì)算公式如式(1)所示：

φ水/φ碳=(qm水22.4/18) /[qV原料氣∑(φiφi碳)]

(1)

式中：φi——原料氣中組分i的體積分?jǐn)?shù)；φi碳——原料氣中組分i的C原子數(shù)；qV原料氣——原料氣流量，m3/h；qm水——水蒸氣流量，kg/h。

原料氣的組分變化后，水碳比應(yīng)根據(jù)其變化，實(shí)時(shí)計(jì)算并調(diào)整。由于總碳分析儀價(jià)格昂貴，很少有裝置配置，通常是定期取樣分析后，將組分參數(shù)送入控制系統(tǒng)，用式(1)及測(cè)得的原料氣及蒸汽流量值計(jì)算獲得。為保證結(jié)果準(zhǔn)確性，取樣位置與原料流量的測(cè)量位置需一致。水碳比控制方案如圖6所示。

圖6 水碳比控制方案示意

由圖6可知，負(fù)荷調(diào)節(jié)輸入是根據(jù)用氫單元的用氫量，調(diào)節(jié)原料氣流量。以增加負(fù)荷為例說明如下：

負(fù)荷調(diào)整輸入的原料氣量與原料氣的實(shí)際值在高選器中比較，選擇高值后在運(yùn)算器1中根據(jù)水碳比公式計(jì)算增加負(fù)荷后的蒸汽量，該值作為蒸汽流量調(diào)節(jié)器的給定值，等蒸汽流量增加到給定值后，經(jīng)運(yùn)算器2計(jì)算出需要的原料氣量在低選器中與輸入的原料氣量比較后選擇低值輸出作為原料氣流量調(diào)節(jié)器的給定值，該調(diào)節(jié)器按此給定值調(diào)節(jié)增加原料氣量，該調(diào)節(jié)過程滿足工藝要求的負(fù)荷調(diào)整過程，增加原料氣時(shí)先增加蒸汽，水碳比不低于設(shè)定值，反之，減小負(fù)荷時(shí)，先減少原料氣，后減少蒸汽。

2.3 轉(zhuǎn)化爐出口溫度控制

轉(zhuǎn)化爐出口的溫度是轉(zhuǎn)化爐控制的關(guān)鍵。提高溫度使甲烷轉(zhuǎn)化率增高，但爐管壁溫會(huì)相應(yīng)增加。由于正常操作條件下，爐管壁溫在900 ℃左右，接近材料的使用上限，因此需要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)化爐管的出口溫度。

轉(zhuǎn)化爐出口溫度是由管內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)和管外的煙氣溫度共同決定的。物料與轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)的催化劑發(fā)生復(fù)雜的強(qiáng)吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化爐出口溫度較爐膛煙氣溫度對(duì)轉(zhuǎn)化爐燃料氣量的變化反應(yīng)相對(duì)滯后，加熱爐輻射室出口的煙氣溫度對(duì)燃?xì)饬康淖兓鼮槊舾泻涂焖伲谵D(zhuǎn)化爐出口溫度控制回路設(shè)計(jì)中，設(shè)置了主、副回路，以反應(yīng)快速的煙氣溫度為副回路，作為控制目標(biāo)的轉(zhuǎn)化爐出口溫度為主回路，該串級(jí)控制加熱爐燃料氣量可以滿足對(duì)溫度變化的及時(shí)響應(yīng)。

2.4 中變氣換熱流程中換熱器出口溫度控制

換熱器的換熱溫度控制是常見的控制方案，可以采用三通分流閥，也可采用換熱路和旁路各設(shè)置控制閥分程控制。制氫裝置中通常只在換熱冷流中的旁路上設(shè)置控制閥，相對(duì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，是從以下幾個(gè)因素考慮：

1)中變氣換熱冷卻系統(tǒng)中換熱器的熱流在換熱器上游為氣體，換熱冷卻后為氣液兩相，不宜設(shè)置控制閥。設(shè)計(jì)時(shí)將冷流旁路一側(cè)控制閥全流量通過時(shí)的計(jì)算壓差與換熱器的壓差取值相同，旁路閥開度減小或增大，物流分配靈敏，溫度調(diào)節(jié)比較有效。

2)熱流中變氣一側(cè)的管線口徑大，材質(zhì)為合金鋼，設(shè)置控制閥成本較高。

2.5 PSA變壓吸附程序控制

PSA由吸附塔、程控閥、控制閥及閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，利用吸附劑對(duì)變換氣中各組分的吸附特性差異及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的壓力變換過程實(shí)現(xiàn)氣體分離，即高壓有利于雜質(zhì)吸附、低壓有利于雜質(zhì)脫附的特性，進(jìn)行升壓吸附提純和降壓脫附再生的循環(huán)過程提純氫氣，是一個(gè)物理過程，通常作為一個(gè)撬裝包設(shè)備提供，該控制功能在裝置的控制系統(tǒng)內(nèi)編程實(shí)現(xiàn)。

3 聯(lián)鎖保護(hù)方案

制氫裝置最主要的聯(lián)鎖就是轉(zhuǎn)化爐的聯(lián)鎖保護(hù)，該聯(lián)鎖發(fā)生的原因和結(jié)果較多，按觸發(fā)原因類別可分為6類：

1)轉(zhuǎn)化爐本體。轉(zhuǎn)化爐膛壓力高、煙氣出輻射室溫度高、煙氣出余熱鍋爐溫度高、燃燒器火焰半數(shù)熄滅。

2)燃料系統(tǒng)。燃燒空氣壓力低、燃料氣壓力低、長(zhǎng)明燈壓力低、PSA尾氣壓力低。

3)工藝物流。水碳比低、轉(zhuǎn)化爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度高、進(jìn)轉(zhuǎn)化爐管物流介質(zhì)流量低。

4)加熱爐余熱回收系統(tǒng)。引風(fēng)機(jī)入口溫度高。

5)蒸汽發(fā)生器。汽包液位低、汽包壓力高。

6)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)入口分液罐液位高。

按觸發(fā)結(jié)果可分為切斷進(jìn)料；切斷轉(zhuǎn)化爐燃料；停壓縮機(jī)。

同一工藝管路中有控制閥和切斷閥串聯(lián)，當(dāng)聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，關(guān)閉切斷閥后，同時(shí)切換與該控制閥關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)器為手動(dòng)模式，并置調(diào)節(jié)器輸出為0，關(guān)閉控制閥，以免聯(lián)鎖條件恢復(fù)正常復(fù)位后，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器還處于自動(dòng)模式，由于偏差一直存在，在積分作用下調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)不正常的大值，使控制閥開度很快達(dá)到最大，對(duì)工況恢復(fù)產(chǎn)生沖擊，影響正常開工。同時(shí)，關(guān)閉控制閥也相當(dāng)于多一道切斷，增強(qiáng)安全性。

4 控制和聯(lián)鎖方案在實(shí)際應(yīng)用中的完善

不同工廠的制氫裝置因原料供應(yīng)情況、操作習(xí)慣，對(duì)控制方案會(huì)有局部調(diào)整，例如壓縮機(jī)的壓力控制方案，壓縮機(jī)入口壓力采用單回路只控制天然氣進(jìn)料量，不經(jīng)高選器控制壓縮機(jī)出口返回閥。轉(zhuǎn)化爐的大聯(lián)鎖，因?yàn)槁?lián)鎖觸發(fā)原因多，為了穩(wěn)妥，聯(lián)鎖原因恢復(fù)正常后，并不一起復(fù)位，而是設(shè)置多個(gè)復(fù)位按鈕，按聯(lián)鎖觸發(fā)原因逐個(gè)單獨(dú)復(fù)位。壓縮機(jī)出入口設(shè)置有聯(lián)鎖隔離閥，火災(zāi)時(shí)關(guān)閉。隔離閥的閥體結(jié)構(gòu)型式有閘閥、三偏心蝶閥和V型球閥等不同的選擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)和氣動(dòng)兩種選擇。

按照本文控制思路設(shè)計(jì)的某制氫裝置，經(jīng)過開工、穩(wěn)定操作和不同負(fù)荷下的標(biāo)定，都較好地實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

制氫裝置的控制規(guī)模在眾多石化裝置中屬于中等規(guī)模，但制氫裝置涉及的氫氣介質(zhì)危險(xiǎn)程度高，操作條件苛刻，其轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的操作溫度是所有煉油裝置內(nèi)最高的。裝置包含了各類動(dòng)靜設(shè)備如壓縮機(jī)、反應(yīng)器、加熱爐、蒸汽發(fā)生器、氣提塔、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等，控制聯(lián)鎖方案有其特殊性。設(shè)計(jì)實(shí)用合理的控制方案和聯(lián)鎖功能，對(duì)于裝置的安全平穩(wěn)操作極為重要，還可以提高裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理水平。