渣油加氫裝置關(guān)鍵設備控制方案應用淺析

周曉龍，林洪俊，霍光學，孫來寶

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

渣油加氫裝置具有臨氫、高壓、高溫、高H2S腐蝕的特點[1]，由反應部分(包括氫氣壓縮機和循環(huán)氫脫硫設施)、分餾部分、干氣脫硫部分、低分氣脫硫部分和公用工程部分等組成[2-3]。

渣油加氫裝置的主要產(chǎn)品是加氫渣油，副產(chǎn)少量粗石腦油、脫硫干氣及脫硫低分氣。加氫渣油送至催化裂化裝置，粗石腦油送至常減壓裝置，脫硫干氣送至燃料氣管網(wǎng)，脫硫低分氣送至PSA裝置。

筆者參與設計的某渣油加氫裝置項目原料為減壓渣油、焦化蠟油等，核心反應系統(tǒng)操作壓力達到20 MPa，操作溫度達到397 ℃，設置有熱高壓分離器、反應器、新氫壓縮機、循環(huán)氫壓縮機以及反應進料加熱爐等關(guān)鍵設備。

1 關(guān)鍵設備工藝特點與控制要求

渣油加氫裝置的關(guān)鍵設備的工藝特點與控制要求介紹如下：

1)熱高壓分離器液位控制。熱高壓分離器是高壓反應部分與低壓分餾部分的分界設備，熱高壓分離器液位測量介質(zhì)為渣油，黏度高，難以測量[4]。為避免熱高壓分離器液位減空，導致高壓氣體竄入低壓設備，需嚴格控制熱高壓分離器液位，因此熱高壓分離器等高壓容器的液位監(jiān)控成為了裝置安全、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。熱高壓分離器液位通過控制熱高分至熱低分管道控制閥而實現(xiàn)，液位控制閥不僅靜壓高，而且前后壓差大。

2)新氫壓縮機級間壓力遞推控制。系統(tǒng)反應壓力由新氫壓縮機補充新氫維持，由于渣油加氫系統(tǒng)壓力較高，新氫壓縮機采用多級往復式壓縮機。新氫多級往復式壓縮機的級間壓力遞推控制[5]成為了系統(tǒng)壓力控制穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3)加氫反應器溫度控制。反應溫度過高導致產(chǎn)生過多的反應熱，反應熱的增加會加快反應速度，從而釋放更多的熱量，如果不能及時控制反應器溫度，勢必引起反應器床層飛溫，嚴重時損壞催化劑及反應器。需通過嚴格控制反應器輸入熱量，進而實現(xiàn)反應器溫度穩(wěn)定的效果。輸入熱通過控制反應原料溫度實現(xiàn)，第一反應器入口溫度通過控制反應加熱爐燃料氣流量實現(xiàn)，后續(xù)串聯(lián)的反應器入口溫度通過控制注入反應器的冷氫流量實現(xiàn)。

4)循環(huán)氫壓縮機防喘振控制。循環(huán)氫壓縮機作為反應系統(tǒng)氫氣循環(huán)的心臟，為氫氣循環(huán)提供動力。循環(huán)氫出口壓力決定了反應系統(tǒng)的壓力。渣油加氫循環(huán)氫壓縮機一般由蒸汽透平驅(qū)動，多級離心式壓縮機，機組復雜。喘振是造成壓縮機組故障、管線振動的重要原因，影響長周期運行。防喘振控制對于循環(huán)氫壓縮機平穩(wěn)、長周期運行十分關(guān)鍵[6]，但也會影響壓縮機的效率，如何安全、高效優(yōu)化控制非常重要。

2 關(guān)鍵設備自動控制方案

2.1 熱高壓分離器液位測量與控制

2.1.1熱高壓分離器液位測量

熱高壓分離器液相介質(zhì)具有黏度高、易粘附、易堵塞的特點，液相介質(zhì)和氣相介質(zhì)均溫度高，測量困難，導致該分離器難以長周期運行。因為該類介質(zhì)的特點，儀表難以直接測量，所以選用反吹隔離差壓測量法。在測量引線中，需反吹氫氣隔離油與變送器本體膜片。

1)反吹氫氣液位測量方案主要由雙法蘭液位變送器、自力式流量控制閥和就地轉(zhuǎn)子流量計組成。在雙法蘭差壓變送器上、下膜片處均設置獨立的反吹氫氣裝置，保證變送器膜片表面與高溫黏稠渣油和高溫油氣隔離，達到膜片表面降溫及避免黏稠介質(zhì)堵塞膜片的雙重效果，滿足該分離器苛刻液位長周期監(jiān)控需求。

為避免測量誤差，應控制雙法蘭差壓變送器上、下測量引線反吹新氫流量。反吹氫氣管線上均設置了自力式流量控制閥及就地轉(zhuǎn)子流量計，用于調(diào)節(jié)和監(jiān)測反吹氫氣流量，該分離器液位反吹氫氣測量液位計方案如圖1所示。

圖1 熱高壓分離器液位反吹氫氣測量液位計方案示意

2)該分離器液位計設計為2套，為減少高壓設備開口，采用聯(lián)通管配置方案。為避免介質(zhì)反流堵塞液位計和聯(lián)通管，保證聯(lián)通管和引壓管內(nèi)的氫氣壓力微大于該分離器內(nèi)壓力，在聯(lián)通管根部設備法蘭處設置限流孔板。限流孔板的制作如圖2所示。

a)如圖2中所示，L為限流孔板注入管插入深度，應保證限流孔板注入管長度插入設備內(nèi)，為保證冷氫注入效果，注氫管端部進行冷彎處理，保證注氫口斜向下。

b)通過反吹氫氣，使得雙法蘭沖洗環(huán)及聯(lián)通管內(nèi)充滿氫氣，從而達到隔離工藝介質(zhì)的目的，避免了聯(lián)通管堵塞、膜片表面粘附、測量膜盒超溫等問題，從而保證了液位變送器長周期穩(wěn)定運行要求。

c)該分離器設有2套雙法蘭液位計變送器，測量結(jié)果相互對照，互為備份。

2.1.2熱高壓分離器液位控制

熱高壓分離器配置2套雙法蘭液位計變送器，1套用于液位控制回路，1套用于液位指示。一旦用于液位控制回路的變送器發(fā)生故障，另1套指示用途的變送器切換為液位控制回路用變送器。

熱高壓分離器液位通過控制該分離器底出口的控制閥實現(xiàn)，該調(diào)節(jié)選用高壓角閥。由于該位置控制閥功能非常重要，運行工況苛刻，閥門采購周期長，因此采用2套冗余配置，一用一備，當一臺角閥投用自動時，另一臺角閥處于備用關(guān)閉狀態(tài)。液位調(diào)節(jié)回路采用單回路控制，高壓角閥故障位置均為F.C，液位控制器選用正作用。熱高壓分離器液位控制流程如圖3所示。

圖3 熱高壓分離器液位控制流程示意

2.2 加氫反應器溫度監(jiān)測與控制

2.2.1反應器床層溫度監(jiān)測

渣油加氫反應器一般由單層催化劑床層組成。反應混合物的溫度沿反應物料的流向升高，反應器催化劑填料設置測溫點，在催化劑床層不同標高處，按上中下三層設置。通過測量不同高度但同一圓周方位的床層溫度，測量圓周直徑按反應器50%左右設置，測量點為8個，了解床層中反應的程度。為了減少反應器開口以及滿足圓周多點測量位置需要，選用8個柔性熱電偶，與反應器通過法蘭直接連接，按圓周要求布置以滿足測量需要。同時為了進一步監(jiān)測反應器溫度，在反應器表面設置表面熱電偶，與反應器內(nèi)溫度測量相互補充。表面熱電偶通過預埋在反應器表面的螺栓與反應器固定，外表面固定標高與催化劑床層內(nèi)測溫點標高一致。反應器溫度測點布置如圖4所示。

2.2.2第一加氫反應器入口溫度控制

第一加氫反應器入口溫度控制和反應進料加熱爐主燃料氣壓力控制構(gòu)成串級控制回路，控制主燃料氣控制閥，主燃料氣控制閥故障位置均為F.C。第一加氫反應器入口溫度控制為主回路，控制器選用反作用；主燃料氣壓力控制為副回路，控制器選用反作用，溫度控制器輸出作為壓力控制器的設定值。

圖4 反應器溫度測點布置示意

當?shù)谝患託浞磻魅肟跍囟雀哂谠O定值時，降低主燃氣壓力，燃料氣控制閥開度減小；當?shù)谝患託浞磻魅肟跍囟鹊陀谠O定值時，提升主燃氣壓力，燃料氣控制閥開度增大。

2.2.3其他反應器入口溫度控制

渣油加氫反應器的設置一般為反應進料加熱爐后串聯(lián)4～5臺高壓加氫反應器，除第一加氫反應器入口溫度采用加熱爐燃料氣調(diào)節(jié)外，其他幾臺反應器均采用注冷氫調(diào)節(jié)反應器入口溫度。入口溫度調(diào)節(jié)回路采用單回路控制，注冷氫控制閥故障位置均為F.O，溫度控制器選用反作用。

2.3 新氫壓縮機級間壓力遞推控制

反應系統(tǒng)壓力的基準點設置在冷高壓分離器上，通過控制新氫壓縮機的新氫注入量，實現(xiàn)反應系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。根據(jù)渣油加氫裝置特點，新氫壓縮機采用多級壓縮式往復壓縮機，該壓縮機采用逐級低選遞推式的出口壓力控制方法，通過逐級返回控制閥和氣量無級調(diào)節(jié)裝置(HYDRCOM)全程壓開進氣閥的開/關(guān)集合的組合方式來實現(xiàn)多級壓縮式壓縮機的負荷控制。反應系統(tǒng)壓力控制流程如圖5所示。

圖5 反應系統(tǒng)壓力控制流程示意

HYDRCOM系統(tǒng)是專為往復式壓縮機設計的氣量無級調(diào)節(jié)裝置[7]，是一款高度集成的電子控制系統(tǒng)，能夠完全嵌入到工廠現(xiàn)有的DCS中。其主要原理為通過DCS中的PIC調(diào)節(jié)器根據(jù)實際負荷需求輸出4～20 mA負荷控制信號，并把負荷控制信號送給HYDRCOM系統(tǒng)中間接口單元(CIU)，CIU把接收的4～20 mA的控制信號轉(zhuǎn)換成專用電子指令輸出至壓縮機各級入口進氣閥電子液壓執(zhí)行機構(gòu)，電子液壓執(zhí)行機構(gòu)和進氣閥卸荷器根據(jù)負荷控制信號延遲進氣閥關(guān)閉的時間來調(diào)節(jié)每個活塞行程所壓縮的氣量，實現(xiàn)壓縮機出口30%～100%負荷調(diào)節(jié)；當負荷低于30%時，通過逐級返回控制閥的方式來實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。

配置了HYDRCOM系統(tǒng)后，壓縮機只壓縮實際需要的氣量，從而能夠最大限度地節(jié)約能源。當HYDRCOM系統(tǒng)不投用時，負荷控制僅靠逐級返回控制閥實現(xiàn)，要求壓縮機出口負荷輸出越高，逐級返回控制閥開度越小，要求壓縮機出口零負荷輸出，逐級返回控制閥全開；當HYDRCOM系統(tǒng)投用時，要求壓縮機出口低負荷輸出(不高于30%)，依靠逐級返回控制閥開度調(diào)節(jié)實現(xiàn)，要求壓縮機出口高負荷輸出(30%～100%)，投用HYDRCOM氣量無極調(diào)節(jié)，逐級返回控制閥開度全關(guān)。

2.4 循環(huán)氫壓縮機防喘振控制

根據(jù)離心式壓縮機特性曲線，當離心式壓縮機工作在某一轉(zhuǎn)速時，如果其入口流量低于某一極限值，壓縮機出入口壓縮比下降，就會出現(xiàn)出口管線壓力高于壓縮機出口壓力的現(xiàn)象，因此管道中的高壓氣體很快倒流回壓縮機，補充后壓縮機出口壓力又會高于出口管道壓力，壓縮機氣體又流動至壓縮機出口管線中，如此反復進行，引起壓縮機劇烈震蕩，稱之為離心式壓縮機“喘振”現(xiàn)象。

為了防止喘振，循環(huán)氫壓縮機入口設置流量調(diào)節(jié)器，控制壓縮機出口返回入口管線上的防喘振控制閥。為了保證測量壓縮機入口流量的精準性，入口流量進行溫度及壓力補償。當入口流量過低時，迅速調(diào)節(jié)防喘振閥開度，增加入口流量，保證壓縮機入口流量始終大于喘振流量極限值，保證壓縮機操作穩(wěn)定。

為了減少壓縮機的能量損耗，離心式壓縮機的防喘振采用可變極限流量設定值防喘振控制。在高于喘振線一側(cè)，留有一定的安全裕量，確定為防喘振安全線，以作為流量調(diào)節(jié)器的設定值。同時，不同轉(zhuǎn)速下喘振值也不同，從而對應的壓縮機防喘振流量設定值也不同。將不同轉(zhuǎn)速對應的防喘振流量設定值連成線，形成壓縮機的防喘振線。該喘振線在機組出廠時給出，為了確認該防喘振安全線的正確性，一般需要現(xiàn)場試驗。

3 結(jié)束語

渣油加氫裝置具有高壓、高溫的工藝特點，介質(zhì)易燃易爆，危險性高。關(guān)鍵設備的控制又是重中之重，本文就熱高壓分離器液位控制、新氫壓縮機級間壓力遞推控制、加氫反應器溫度控制、循環(huán)氫壓縮機防喘振控制等關(guān)鍵設備的自動控制進行了相關(guān)設計及分析，為用戶提供安全、可靠、長期穩(wěn)定的控制方案。