基于DCS延遲焦化污水的除油脫焦自控工藝優化設計研究

劉 暢，劉 磊，葉彩霞，朱南希

(1.安慶職業技術學院，安徽 安慶 246003；2.中石化安慶設計院寧波分院，浙江 寧波 315001)

延遲焦化一般可視為石油煉制的第三個環節，也是最后一個環節。故在該環節的加工及自動控制領域多以簡單粗放的工藝為主。在之前的常減壓蒸餾、催化裂化之后，進入焦化裝置的原料是前兩個生產環節加工后的減壓渣油，俗稱重油。該類油品雜質多，而汽柴油含量又低，焦化反應后產生的廢液量又特別大，如何精細化處理延遲焦化產生的冷焦溢流水及過程控制一直是困擾煉油煉化企業多年的技術難題。中石化安慶分公司煉油三部會同地方高校進行了細致的先期調研，并形成了基礎設計方案。

1 延遲焦化工藝簡介及冷焦水的產生及危害

1.1 冷焦水的產生及成分分析

當延遲焦化過程結束后，焦炭塔內部炙熱的焦炭溫度達到上千度，如果讓石油焦自然冷卻達到作業溫度通常情況下需要十幾個小時的時間，這顯然不符合生產規律。故在機械清焦之前需要對塔內的高溫石油焦進行強制冷卻，使其迅速降溫。當塔內結焦徹底，不再有汽、柴油及干氣產生時，從焦炭塔底部通入常溫的焦炭冷卻水，傳統石化工藝使用的這種冷卻水并不是常用的工業循環水(中水)，而是上一次清焦過程生產的廢水經過簡單隔油處理后再次打回儲水池備用的低含油污水，工業上稱之為“冷卻焦炭低溫水”，簡稱冷焦冷水，一般在45℃～50℃之間。被打入塔內的冷卻水與熱焦炭逆向接觸，最先進入塔內的冷卻水瞬間沸騰，并混合多種雜質從焦炭塔頂部的導流口溢出，故稱之為“冷卻焦炭溢流熱水”，簡稱冷焦熱水，或冷焦水，而這種高含油量的污水不但溫度達在120℃～170℃之間，而且還伴有揮發性的有害氣體。當石油焦的溫度降至180℃以下時，機械鉆頭從塔頂向下鉆探，打碎板結的石油焦，并打開焦炭塔底部的排焦口，與此同時需要用冷焦冷水對塔內進行高壓沖刷，在高速水流的推動下，焦炭塊被沖出焦炭塔，這種沖刷焦炭塔內部的工業廢水稱為“切焦水”。在石油化工上，把冷焦冷水、冷焦熱水及切焦水統稱為焦水[1]。在成分上三者完全相同，只是水溫及各種雜質的含量存在差異。本文闡述的新控制工藝就是將傳統的冷焦水處理工藝徹底改造，把原來簡單粗放的敞開式隔油自冷處理改造為密閉式的精細分離，除油去焦粉并脫除硫化物的先進加工工藝，將焦水池里的冷焦水轉變為基本不含雜質的工業循環水(中水)。冷焦熱水、冷焦冷水、切焦水及循環水中所含的雜質及含量見表1。

表1 焦水及循環水雜質成分及含量表

1.2 冷焦水處理的原則工藝流程

1.2.1 冷焦水處理的現有工藝及問題分析

安慶石化煉油二部的延遲焦化裝置2009年擴建后總加工能力為150萬噸/年，共六臺焦炭塔。焦化裝置現有的冷焦水系統為敞開式處理，即焦炭塔頂部溢流和底部放空水進入冷焦水沉降池N302沉淀焦粉及大焦炭顆粒，沉降池上部的冷焦水自然溢流至冷焦水貯水池N304，在貯水池中油水分層，上層的污油被隔油槽排至含油污水池N308，再用冷焦熱水泵提升至冷卻塔冷卻后進入冷焦冷水池，然后用冷焦冷水泵P304送至焦炭塔循環使用，處理量約為250m3/h。在焦炭塔注水冷卻的過程中，塔頂高溫溢流水及大量的高溫蒸汽夾帶著油泡沫和焦粉沿溢流管排入沉降池，冷焦過程中攜帶的硫化物等有害氣體隨高溫蒸汽揮發出來，造成儲水池、污油池、冷卻塔上方白色煙霧彌漫，并散發出陣陣臭氣。原有的傳統冷焦水處理工藝如圖1所示。為改善裝置周圍的大氣環境，消除焦化裝置惡臭污染問題，安慶分公司決定將焦化裝置現有的敞開式冷焦水系統進行密閉處理改造。

圖1 傳統的冷焦水處理工藝流程圖

1.2.2 冷焦水處理系統改造的原則工藝流程

根據上一節中的問題分析，筆者同工程技術人員初步設計出一套冷焦水處理的流程，如圖2所示。現以原則工藝流程的方式加以簡介，來自焦化裝置焦炭塔的冷焦熱水與來自冷焦水儲存池的冷焦冷水在粗過濾器(D-501/1、2，兩臺并聯)內混合降溫、脫除大顆粒焦炭后，泵入新增設的熱水罐(D-502、D-503，兩臺并聯)進行重力沉降；熱水罐中部的冷焦熱水通過熱水泵P-501/1、2提壓依次送至離心分離器D-505、旋流除油器D-506/1、2進一步脫焦粉和除油；除油后的冷焦熱水至空氣冷卻器A-501/1～8溫度降至50℃，最后至冷焦水儲存池循環利用。

熱水罐上部的污油溢流至污油罐D-504，在污油罐內切水后的污油由泵P-502/1、2輸送到八罐區污油罐；污油罐D-504內含油污水返回熱水罐。熱水罐底部與離心分離器D-505底部富含焦粉、重質油的污水定期排放至密閉的污水池T-501，污水通過污水提升泵P-503/1、2送至焦化裝置粉焦池。

通過以上工藝環節，水、焦、油、氣四種成分得以充分收集和有效處理。

圖2 冷焦水脫硫除油系統原則工藝流程圖

2 冷焦水處理系統的工藝流程控制點設置及儀表配型

不同于上述的原則流程，對該裝置中自動控制系統的設計必須是以管道工藝流程為基礎的。故控制點和檢測點的設置是與詳細的工藝管道流程密不可分的。此節將詳細闡述在整個冷焦水處理系統中自動控制的要求，包括：控制點的設置，控制方法的選擇，指示及檢測儀器的安裝等。

2.1 冷焦熱水的除油脫焦粉處理

2.1.1 粗過濾及混熱環節

在延遲焦化生產周期結束后，工人對焦炭塔內部進行機械清焦處理，自六座焦炭塔里溢流的冷卻水為黑褐色的混合液體，主要含焦炭粉末，重油，和揮發性的酚類等雜質，此時冷焦熱水的溫度最高達到170℃，此介質在工程上用RW表示。由于來水量大，溢流的冷焦熱水瞬間流量可達到175000kg/h，在這種情況下超過100℃的冷焦熱水在進入儲水罐之前，如果不進行有效地換熱降溫，后續的生產工藝將無法有效進行。為了使冷焦熱水迅速換熱降溫，在進入儲水罐前先將冷焦溢流熱水經過過濾器(D-501/1,2)的初步過濾，去除大顆粒焦炭，再將初步過濾的冷焦熱水與事先處理好的冷焦冷水混合，混合點設在過濾器的出口處。混合后冷焦水的設計溫度為85℃，為了達到這一生產指標，在這個流程上設置了一個閉環反饋的溫度控制環節。其方案是：在出口處設置一個溫度監測點TE-5001，即在管道300-RW-5002上安裝一個插入深度為300mm，規格為H-WRKK-240的熱電偶，熱電偶將變送的溫度信號傳輸給控制器TIC-5001，控制器輸出指令驅動調節閥TV-5001調整閥芯開度，調節冷焦冷水的流量，從而達到溫度控制的目的[2]。

2.1.2 冷焦熱水收集與隔油環節

經混合后初步冷卻的冷焦熱水的溫度在85℃左右，此時冷焦熱水進入儲水罐(D-502)。因油水的比重不同，且互不相溶，混合液體在罐內自然分層，污油上浮，污水下沉。而在冷焦熱水儲水罐內安裝有一套隔油收集裝置，上浮的污油從隔油板的上延溢過，收集在隔油槽里，再從隔油槽里自然溢流進入污油罐收集。在此過程中，由于每次自焦炭塔收集來的冷焦水中含油量不穩定，故如何控制油水分離的過程又是一個創新的生產工藝，在這里筆者和技術人員商議后決定使用油水界位儀(界位傳感器)實施間斷控制：在儲水罐的中上部的三個不同豎直位置上，安裝三支界位傳感器LdT5008/1～3，與控制器相連形成高低位聯鎖，即油水界位在高位時，控制器輸出指令，使氣動切斷閘閥HV5008關閉冷焦熱水的入口；當油水界位下落至低位時，控制器的指令使閘閥打開，繼續向罐內注入冷焦熱水。這樣便可保證罐內的油水分界線不至于高過隔油板，也不會出現罐內儲水量不足的情況出現。同時，在并聯的另一座熱水儲罐(D-503)的外壁上同樣安裝有相同的界位傳感器LdT5009/1～3，控制方法一致。現場安裝的界位傳感器如圖3所示。

為了防止儲水罐內的冷焦水注滿，在兩個罐頂安裝有雷達液位計LT5001和LT5002，作為液位控制點。在DCS系統內控制器應設置液位上限和液位下限，當任意一罐內的液位低于下限或高于上限時，雷達液位計LT5001或LT5002將檢測信號傳送給控制器LIA5001或LIA5002，控制器驅動快速切斷閘閥HV5001的全開與切斷，以保證罐內液位在1800mm～10800mm的范圍內。若出現極端情況：罐內的液位低于下限，系統報警，而由于生產的間歇性，無冷焦水注入，即使閘閥HV5001此時已處于全開狀態也無法滿足罐內補水的需求，此時控制器LIA5001或LIA5002會根據HV5001的回訊信號驅動另兩組氣動閘閥HV5002和HV5003打開，讓生產給水(介質代號PW)補充注入兩支儲水罐內。因冷焦熱水里含有一定量的揮發性可燃氣體，如干氣，甲烷等。如果在儲水罐的頂部空間形成聚集，極易發生爆燃事故，后果不堪設想。故必須在罐內充入惰性氣體——氮氣(介質代號GN)，而氮氣的充填不能超過設計壓力，否則仍然會產生爆燃等事故，故對罐頂的壓力控制又是一個必要的自控環節。自管網中來的氮氣由管道50-GN-5001經調節閥PSV5001和PSV5002通入罐頂部，在兩支儲水罐的頂部安裝有兩支壓力變送器PT5001和PT5002，變送器將信號傳送給控制器PICS5001和PICS5002，控制器根據閉環反饋原理驅動執行機構PY5001或PY5002控制調節閥的開度，從而達到壓力控制目的。相應的控制設備如圖4所示。

圖3 界位傳感器LdT5009/1～3的外觀 及高低限位安裝

圖4 差壓變送器PT5001/2，雷達液位計LT5001/2， 氣動閘閥HV5002和HV5003

2.1.3 分離器除焦粉環節

冷焦熱水儲水罐內已分層的含油污水從管道300-RW-5005排出，此時污水中依然含有較多的焦炭粉和硫化物顆粒，工程上常用離心分離機進行顆粒物的脫除。故在此環節上設置兩臺大功率的冷焦熱水泵(P-501/1,2)和兩臺離心分離機(D-505/1,2)。從罐內排出的含油污水經大功率水泵打入分離器前的流量達到248 500Nm3/h，高速注入的污水在分離器內進行密度分離，固體顆粒以糊狀油泥的形式從分離器底部排出，經管道150-OD-5012進入污水池(T-501)收集沉淀。

而經分離后的輕質冷焦水從分離器上端出口排出，此時的流量有所下降，但依然有246 500Nm3/h，高速水流從管200-RW-5008/5009進入旋流除油器進行下一步處理[3]。

2.1.4 精細除油環節

相對于隔油這種簡單的重力分離來說，旋流除油和上一步的離心分離一樣，都屬于密度分離。與儲水罐內的隔油不同，利用旋流除油器除油則是將含油污水中的油分徹底脫除的精加工環節。自分離機來的輕質冷焦水高速注入旋流除油器(D-506/1,2)，在螺旋內壁里，輕組分的污油從上端溢出，比重較大的水從下端排出。旋流除油器原理如圖5所示。

從旋流除油器出口排出的冷焦水則是我們工業中常見的“中水”，生化指標已達到了循環使用的標準。經過空冷器的降溫，達到50℃左右便可進入儲水池備用了。

圖5 除油器結構示意圖

2.1.5 污油收集環節

污油的收集在這套系統里是一個需要注意的環節，主要靠污油罐的臨時存儲完成。自兩只儲水罐上層隔油溢流的污油和由旋流除油器分離的污油從管150-SLO-5001/5002進入罐內收集。因為焦化污油的組要成分是蠟油和減壓柴油，特別是蠟油的凝固溫度很低，故在管道和罐內極易凝結，影響管道輸送和罐內容積，所以對管道外壁進行保溫和罐底蒸汽盤管加熱是非常必要的。經過收集的污油由兩臺污油泵輸送至原料油罐區，作為催化裂化生產的原料進行再加工，從而重新獲得汽柴油。

2.2 除油脫焦粉處理的詳細設計方案

綜上所述，將冷焦水收集后的處理分解五個環節分別詳細說明，并以冷焦溢流水在管道中的流向為闡述順序，詳細介紹了各環節控制點的設置和儀器儀表的選型。冷焦水液相處理系統完整的工藝儀表控制流程如圖6所示，虛線及陰影部分為原有裝置及管道，實線繪制部分為新增的設備，管道和控制儀表等。文中未提及的管道均為檢修管道，在更換部件或出現生產異常時才會使用，正常情況下都是關閉的[4]。

圖6 冷焦水脫焦粉除油系統工藝儀表控制流程圖

3 自控系統儀表與控制器的設置與選型

3.1 本項目設計中的各個控制及檢測點控制儀表結合工藝儀表圖，簡介如下。

3.1.1 溫度的指示及調節

冷焦水混合點溫度控制調節，儀表位號為TIC-5001，總套數為1套。該成套控制儀表又分為以下幾個部分。

鎧裝熱電偶TE-5001，型號為H-WRKK-240，接線形式為防爆型螺紋連接，防護等級為IP65，防爆等級為ExdⅡCT4，鎧裝材料為0Cr19Ni9。

安全柵TIB-5001及TOB-5001，型號為KFD2-VR2-Ex1.5及KFD2-CD-Ex1.32。

調節閥TV-5001，閥體型號為DN150-PN40-FC，執行機構為氣動薄膜式執行器，定位器為非智能電/氣EPA-821，輸入信號為4-20mA。控制器TIC-5001,DCS內置模塊，測量范圍為0～200℃。

雙金屬溫度計，儀表位號為TG-5001～5021，型號為WSS-481，總件數為21支，指示表形式為萬向型、抽芯式，測量范圍為0～200℃，外殼防護等級為IP65，套管形式為整體鉆孔式。

3.1.2 流量的指示及調節

生產給水管流量指示累積，儀表位號為FIQ-5002，總套數為1套。該成套控制儀表又分為以下幾個部分。

電磁流量計FT-5002，操作密度為990kg/m3，流量測量范圍為0～130t/h，供電電壓為DC24V，輸入信號為4-20mA(二線制)。

輸入安全柵FIB-5002，型號為KFD2-STC4-Ex1。

流量顯示模塊FIQ-5002，DCS內置模塊。量程為0～130t/h。

旋流除油器D-506/1、2的入口流量指示控制。儀表位號為FIC-5003/5004，總套數為2套(對稱分布)。該成套控制儀表又分為以下幾個部分。

標準孔板FE-5003/4，型號為LGYF-2004A，雷諾數(正常流量)為330231kg/h，儀表差壓為40kPa，公稱直徑為200mm。

差壓變送器FT-5003/4，防爆等級為ExiaIICT4，精度為±0.075%，設定量程為0～40KPa，型號為3051CD2A2B21AB4I5M5。

輸入安全柵FIB-5003/4，型號為KFD2-STC4-Ex1。

流量控制顯示模塊FIQ-5003/4，DCS內置模塊，量程為0～180t/h。

輸出安全柵FOB-5003/4，型號為KFD2-STC4-Ex1。

污油流量調節閥FV-5003/4，閥體型式為頂部導向型單座調節閥。型號為97-21225，執行機構為氣動薄膜式執行器，定位器為非智能電/氣EPA-821，輸入信號為4-20mA。

3.1.3 液位及界位的指示調節

熱水罐D-502/503油水界位指示報警聯鎖，儀表位號為LdISA-5008/5009，總套數為2套(并聯分布)，該成套控制儀表又分為以下幾個部分。

界位測量傳感器LdT-5008/1～3，數量為3支，型號為WBL-TV-B/d，檢測精度為1mm，響應時間為<0.2S。插深為L=300mm，供電電壓為DC24V，輸入信號為4-20mA(二線制)。

油水界位控制顯示模塊LdISA-5008/1～3，DCS內置模塊。動作要求為LdT-3008/1、2同時檢測到油時，自動打開LdSV-3008及LdT-3008/1、2任一個檢測到水時，自動關閉LdSV-3008。

開關閥LdSV-5008，閥體型式為氣動硬密封O型切斷球閥，作用型式為氣關式，型號為Z6CF4Y-2.5C，泄漏等級為ANSI B16.104 VI。

輸入安全柵LdIB-5008/1～3，型號為KFD2-STC4-EX1。

閥LdSV-3008開回訊指示LZOS-5008，DCS內置模塊，回訊開關為防爆型上閥位回訊器。

熱水罐D-502/503的液位指示報警，儀表位號為LIA-5001，套數為2套(并聯分布)，該成套控制儀表又分為以下幾個部分。

雷達液位計LT-5001，數量為2支，型號為FMR245-IGCMKAA4A，測量范圍為11000mm，精度，±2mm，防爆等級為EExiaⅡCT6，供電電壓為DC24V，輸入信號為4-20mA。

輸入安全柵LIB-5001，型號為KFD2-STC4-Ex1。

液位報警指示LIA-5001，DCS內置模塊，量程為0～100%，報警范圍為LAH=70%，LAL=30%。

3.1.4壓力的指示調節

熱水罐及污油罐頂壓力控制聯鎖，儀表位號為PICS-5001/5002/5003。套數為3套，該成套控制儀表又分為以下幾個部分。

表壓變送器PT-5001/2/3，型號為3051CG1A2B21AB4I5M5，設定量程為-2～4KPa，操作介質為水蒸汽/硫化氫/氮氣，防爆等級為ExiaIICT4，精度為±0.075%。

聯鎖控制模塊PICS-5001/2/3，DCS內置模塊，量程為-2～4KPa。

控制室安全柵柜PIB-5001/2/3，型號為KFD2-STC4-Ex1。

壓力調節閥PV-5001/2/3，閥體型式為頂部導向型調節閥，公稱等級為DN40 PN40 FC，執行機構為氣動薄膜式執行器，定位器為非智能電/氣EPA-821，輸入信號為4-20mA。

3.2 DCS控制系統冗余擴展接點設計

本次新增的儀表信號全部引入煉油焦化裝置DCS控制系統，相應增加部分卡件及安全柵[5]。DCS系統I/O點統計見表2。

表2 DCS系統I/O點統計

經集散控制系統技術人員組態后，其中控制界面如圖7所示。圖中所示所有數據均為實時現場數據，過程參數采集時間為2019年9月15日9時57分。

圖7 項目實施后的DCS界面截圖

4 項目建設的意義與展望

國內早期的煉化末端環節處理在自控領域都以就地式組合儀表和小型控制系統(如PLC，DDC)為主，不接入整體流程的集散控制，而末端工序過程控制效果的提升現在已經成為整個生產效能提高的重要因素。基于高校團隊提出的改進方案，經過工程技術人員的詳細設計，項目于近期建成并入生產，經過一年多的試運行，每年可從冷焦水分離的污油中重新提煉汽、柴油1.72萬噸，每年節約工業用水26萬噸，但它的意義絕不僅僅是提高下游油品的再利用率和節約水資源那么簡單，其顯著的環保功效對當地居民所產生社會效應遠超經濟效益。

現將從廠方技術質量部門獲取的兩組檢測結果顯示的數據對比可以看出該項目的環保效益。表3是為增設冷焦水密閉系統前的排放數據。表4是該項目建成后的效果。

表3 敞開式冷焦水處理系統的排放數據

表4 增設脫焦除油裝置后排放數據

2018年中石化和安徽省級科研資金已撥付經費進行該領域的實踐性科研，因本文已做好了充分的前期理論研究工作，后期施工人員和DCS供應商霍尼韋爾公司的工程師在系統模塊里設置好相應的控制點便實現了與整個延遲焦化集散控制的合并兼容[6]。目前該項技術改造已成功得到運用，相信在整個控溫污水處理領域都是一個典型的范例，并能起到石油石化行業內的借鑒與示范作用。