連續重整催化劑再生控制系統閉鎖料斗控制研究

章雷

[摘? ? 要]采用UOP CycleMax工藝的催化劑再生控制系統CRCS，其補償閥MV是一個典型的斜坡控制回路，針對因連續重整裝置工況變化出現的補償閥控制效果不理想，閉鎖料斗緩沖區與再生催化劑二次提升氣管線之間差壓波動大的問題，分析斜坡控制曲線原理和特征，通過CRCS自適應算法優化斜坡控制曲線，快速把再生催化劑循環速率的擾動降至最低。

[關鍵詞]UOP;CycleMax;CRCS;斜坡控制;補償閥;平衡閥;自適應算法

[中圖分類號]TE96 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–03

Research on Lock Hopper Control of CRCS in Continuous Reforming Unit

Zhang Lei

[Abstract]The UOP CycleMax technology is adopted by the Catalyst Regeneration Control System， which the Makeup Valve is a typical ramp control loop. Since the unsatisfactory control effect of the Makeup Valve due to the variations of CCR， the pressure fluctuates between the Lock Hopper Surge Zone and the Regeneration Catalyst Secondary Lift Gas Line. In response to the problem， the principles and characteristics of Ramp Table are analyzed， and the Ramp Table optimized via the CRCS adaption algorithm to quickly minimize the disturbance of the regenerated catalyst cycle rate.

[Keywords]UOP;CycleMax;CRCS;ramp control;compensation valve;balance valve;adaptive algorithm

鎮海煉化120萬t/a連續重整裝置采用美國UOP公司的第三代CycleMax工藝，該裝置原料為常減壓直餾石腦油、加氫裂化重石腦油，經過重整反應，生產辛烷值（RON）為102的汽油組分，以及脫己烷油和苯等芳烴原料，并副產氫氣、戊烷餾分及液化石油氣等產品。重整反應會導致重整催化劑表面緩慢積炭，從而影響催化劑的活性、選擇性和穩定性，為確保催化劑始終在初活性的狀態下和原料油接觸反應，CycleMax工藝用一套與反應部分密切相連又相對獨立的設備組成催化劑再生單元，實現催化劑連續循環，并同時完成催化劑再生，該單元的專用控制系統稱為催化劑再生控制系統（Catalyst Regeneration Control System），簡稱CRCS。

1 系統結構

催化劑再生控制系統由兩個可編程電子系統（PES）[1]，即保護PES和控制PES組成。保護PES是具有三重化容錯（TMR）技術的Triconex TS3000安全儀表系統，主要完成再生單元冷停車、熱停車的安全聯鎖和啟停順控，及電加熱器、程控閥門等設備的控制。控制PES是具有高級閥門斜坡控制功能的Moore APACS+系統，主要完成再生、待生提升線差壓控制及催化劑流量控制，閉鎖料斗順序控制、補償閥三種運行模式（差壓、斜坡、自適應）控制、循環速率報警監控等。系統網絡如圖1所示。

2 催化劑再生單元工藝流程

正常操作條件下，經重整反應后的催化劑依靠重力作用依次從疊置式反應器流至底部收集器，在收集器內以循環氫置換催化劑所攜帶的烴類，然后催化劑向下流至“L”閥組，提升氮氣將催化劑提升至再生器頂部的分離料斗，在分離料斗中淘析出少量粉塵至粉塵收集器。依靠重力作用，催化劑從分離料斗進入再生器，在再生器內自上而下經過燒焦區、再加熱區、氯氧化區、干燥區、冷卻區。冷卻后的催化劑自再生器底部流出，經過氮封罐使催化劑由氧氣環境切換為氫氣環境后進入閉鎖料斗，并依次經過閉鎖料斗分離區、閉鎖料斗區、閉鎖料斗緩沖區，通過調節閉鎖料斗上部平衡閥UV、下部平衡閥LV和補償閥MV等閥門來控制催化劑的循環量，同時完成催化劑從低壓的再生區輸送回高壓的反應器還原段的壓力轉換。催化劑依靠重力自閉鎖料斗底部送至另一“L”閥組，由二次提升氣將再生催化劑提升至反應器頂部的還原區，氧化態的催化劑流經還原區，用富氫氣體還原成金屬態，催化劑依靠重力自還原區底部流入第一重整反應器，完成催化劑自反應—待生—再生的循環[2]。

3 閉鎖料斗控制流程

閉鎖料斗用以調節整個反應器和再生器系統的催化劑循環速率，對閉鎖料斗的控制是CRCS最重要的組成部分。閉鎖料斗包括3個獨立的區：分離區、閉鎖料斗區和緩沖區[3];2個平衡閥：閉鎖料斗區和分離區之間的上平衡閥UV、閉鎖料斗區和緩沖區之間的下平衡閥LV;1個二次提升氣到緩沖區的補償閥MV;1個差壓調節閥PDV;2個料位開關：高料位（LSH302）和低料位（LSL302）;1個料位計（LT302），結構見圖2。

CRCS控制從再生器來的催化劑以小批量的形式通過閉鎖料斗，然后利用二次提升氣輸送到反應器，形成催化劑循環。批量操作的循環時間指示出催化劑的循環速率，并通過閉鎖料斗的催化劑流量監測整個反應器和再生器系統的催化劑循環速率。閉鎖料斗有4個主要的控制功能：①以預設的模式打開和關閉2個平衡閥。②以差壓、斜坡、自適應等模式控制補償閥。③確定催化劑實際循環速率，調節再生催化劑提升線差壓控制器設定值。④調節待生催化劑提升速率限制器。

閉鎖料斗的循環是指周期性地給閉鎖料斗區增壓和降壓[4]，其作用是讓催化劑交替地從閉鎖料斗分離區向閉鎖料斗區流動，再從閉鎖料斗區向閉鎖料斗緩沖區流動。閉鎖料斗有5個連續的運行階段，見表1，每個階段由一個或多個步驟組成，每個循環周期包含7個步驟。

CRCS根據測量的閉鎖料斗循環時間計算催化劑循環速率。閉鎖料斗循環時間是從一個閉鎖料斗循環開始（增壓階段）到下一個循環開始的時間。閉鎖料斗緩沖區料位低觸發一個循環的開始。

實際催化劑循環（%）=

×3 600×100%

3.1 閉鎖料斗循環過程中平衡閥的動作

上平衡閥UV和下平衡閥LV在增壓和降壓過程中按預設斜坡曲線改變開度，其余運行階段保持全開或全關閥位。在增壓階段，上平衡閥UV由全開變為全關（STEP1），下平衡閥LV按斜坡控制模式從全關到全開（STEP2）。在降壓階段，下平衡閥LV由全開變為全關（STEP4），上平衡閥UV則按斜坡控制模式從全關到全開（STEP5）。圖3為UV和LV的預設斜坡模式曲線，可以看出，在閉鎖料斗循環期間UV和LV禁止同時打開。

3.2 閉鎖料斗循環過程中補償閥的動作

補償閥MV和差壓調節閥PDV并聯向閉鎖料斗緩沖區輸送增壓氣體，目的是使閉鎖料斗緩沖區和再生催化劑二次提升氣體管線之間的差壓保持不變，最大程度地把再生催化劑循環速率的擾動降至最低。補償閥用以降低因兩個平衡閥開關而引起的閉鎖料斗緩沖區壓力波動，它可以按三種不同模式運行，分別為：差壓模式、斜坡模式和自適應模式[5]。

（1）差壓模式

補償閥在催化劑流動停止時或閉鎖料斗重新啟動后的前幾個周期的工作模式，PDIC325差壓調節器（PID）輸出同時控制補償閥MV和差壓調節閥PDV。

（2）斜坡模式

補償閥在閉鎖料斗循環周期的正常工作模式，控制按照預設斜坡曲線進行。補償閥和平衡閥一樣是在增壓和降壓過程中按預設斜坡曲線改變開度，其余運行階段基本保持在一個固定閥位，這時緩沖區差壓主要靠PDV閥調節。

在增壓階段，STEP1步驟：上平衡閥UV關閉，緩沖區差壓呈上升波動，補償閥MV閥位應先關小后開大。STEP2步驟：下平衡閥LV打開，緩沖區差壓快速下降，補償閥MV閥位應先開大后關小（圖4）。

在降壓階段，STEP4步驟：下平衡閥LV關閉，緩沖區差壓急劇上升，補償閥MV閥位應迅速減小并保持。STEP5步驟：上平衡閥UV打開，緩沖區差壓呈下降波動，補償閥MV閥位應開大后保持（圖5）。

（3）自適應模式

補償閥在裝置生產負荷變化較大時運行該模式，由于閉鎖料斗運行是個循環過程，上次循環的緩沖區壓力可用于預測下次循環的緩沖區壓力變化。基于當前補償閥的斜坡控制曲線運行一個閉鎖料斗循環周期后，可以得到一組PDT325的差壓測量值，再以特定算法根據這組差壓數據生成新的補償閥斜坡控制曲線，降低因緩沖區壓力改變引起的斜坡曲線不適應問題。當差壓調節器處于手動，閥位輸出接近50%時，補償閥MV受差壓調節閥PDV的干擾最小，自適應算法工作于最佳狀態，算法公式如下：

—t時刻新的補償閥斜坡曲線值

—t時刻舊的補償閥斜坡曲線值

—可調整的常數，范圍—0-32.767，幅度為0.001

為t+n時刻閉鎖料斗緩沖區和再生催化劑二次提升管線之間的差壓，n表示差壓測量信號的時間偏移，范圍—0～30 s，幅度為0.1 s

—差壓調節器PDIC設定值，范圍0～100%，幅度為0.1%

式（1）中所取的差壓信號，為補償閥閥位改變后秒時的測量值，換句話說，算法是根據補償閥動作后秒的結果產生一個提前修正曲線，當下一個循環周期應用這個閥位修正曲線時，補償閥會提前動作，以預防緩沖區的差壓波動。

根據不同工況下自適應算法修正的補償閥斜坡曲線（圖6）分析，隨著反應器進料量的增加，斜坡曲線會向上偏移，說明補償閥開度逐漸增大，進入閉鎖料斗緩沖區的補充氣量增大，催化劑循環流量增加，反映整個反應器和再生器系統的催化劑循環速率增大，以適應反應器進料量增加，催化反應需要更多催化劑參與的工況。

4 結束語

通過對閉鎖料斗斜坡控制的研究與應用，發現補償閥的斜坡控制實際是一種先進的前饋控制，它利用閉鎖料斗周期運行的特性，提前控制補償閥增減緩沖區增壓氣體補充量，消除上下平衡閥開關帶來的緩沖區差壓波動。只要深刻理解了補償閥斜坡控制的原理和曲線生成算法，就可以象整定PID控制回路一樣，通過觀察緩沖區差壓的趨勢，無需運行自適應模式就可以修正補償閥斜坡控制曲線，快速把再生催化劑循環速率的擾動降至最低。在實踐應用中，這種修正曲線方法效果良好，達到各項控制目標，可以實現閉鎖料斗緩沖區差壓閉環控制，為閉鎖料斗控制系統的國產化創造了條件。

參考文獻

[1] 徐莊，劉彬. CRCSAPACS+的特點及維護[J].儀器儀表用戶，2015，22（3）：58-61.

[2] 蔡明件，王丁.UOP重整再生工藝CycleMax3催化劑提升控制方案分析[J].石油化工自動化，2019，55（6）：38-41.

[3] 李文仁，劉景輝.連續重整裝置閉鎖料斗的順序控制[J].石油化工自動化，2003（3）：18-21.

[4] 張丹平.連續重整裝置閉鎖料斗控制系統研究[J].石化技術，2008，15（3）：49-51.

[5] 鐘傳東，熊智華，劉彥波.連續重整裝置閉鎖料斗迭代學習控制器的設計與實施[J].江南大學學報（自然科學版），2010，9（5）：526-530.