淺談連續重整反應壓力的復雜控制

魯志群，周一鳴

(眾一伍德工程有限公司，上海 200540)

煉油生產工藝中連續重整是非常關鍵的環節，以直餾石腦油和重石腦油為原料，在催化劑、臨氫和高溫的工況下，通過重整過程完成芳烴和氫氣的生產。芳烴主要有苯、甲苯和二甲苯，是化工生產中非常重要的中間產品，重整氫是煉油企業加氫裂化裝置的重要氫氣來源之一。

重整反應壓力是連續重整裝置的基本操作參數，它影響產品收率、需要的反應溫度以及催化劑的穩定性。連續重整過程最主要的反應是環烷烴脫氫，烷烴脫氫環化生成芳烴，也包括這些飽和烴類的氫解和加氫裂化等生成輕烴產物的副反應。降低反應壓力有利于向生成芳烴的反應平衡移動，可以增加芳烴產率、氫氣產率、重整生成油的液體收率和辛烷值；然而反應壓力降低后，將造成氫壓下降，催化劑的積炭速率增加，也影響催化劑的可操作使用周期。

1 工藝流程簡介

某煉油廠1.4 Mt/a連續重整工藝流程如圖1所示。

該項目連續重整裝置采用UOP超低壓連續重整工藝技術，4臺反應器自上而下重疊式布置。原料油經過重整四合一爐(F-01)與4臺反應器串聯，不斷地在催化劑作用下生成重整反應產物。重整反應產物經過混合進料換熱器(E-01)換冷，進重整產物分離罐(V-01)進行氣液分離，V-01頂部出來的富氫氣體經過重整循環氫壓縮機(C-01)壓縮，作為循環氫與原料油混合進入重整反應系統，保證重整反應壓力穩定。一部分氫氣則經重整氫增壓機(C-02A/B)升壓，送往氫氣提純處理單元(PSA)，提純處理后的氫氣作為加氫裂化裝置的原料。V-01底部出來的液體經泵加壓至芳烴分離和抽提單元。

2 重整反應壓力的定義

在充分考慮各反應器的壓降后，采用各反應器的平均壓力乘以催化劑比例之和的加權平均壓力來表達操作壓力。由于加權平均壓力計算公式較復雜，不宜選用該壓力作為被控對象進行直接控制。在實際工程設計過程中，V-01的壓力雖然不能反映實際的重整反應壓力，但它是固定的，而且與重整反應壓力有很好的相關性，隨重整反應壓力變化而變，所以，以V-01的壓力來表征重整反應壓力是直接和有效的。該項目的重整反應表壓設定為0.35 MPa，V-01的表壓則為0.24 MPa。

圖1 某煉油廠1.4 Mt/a連續重整工藝流程示意

3 反應壓力復雜控制方案

該項目連續重整裝置采用1臺重整循環氫壓縮機和1臺二段式重整氫增壓機串聯的方式，維持V-01的壓力穩定，同時將重整氫升壓送至PSA單元。C-01為汽輪機驅動的一段式離心壓縮機；C-02A/B為汽輪機驅動的二段式離心壓縮機。影響V-01的壓力穩定運行的主要干擾因素為：出裝置重整氫的負荷波動和離心式壓縮機組C-01，C-02A/B能否安全穩定運行。

為了克服以上主要干擾因素，經反復分析與比較，擬采用設置串級加三分程復雜控制方案來調節出裝置重整氫的負荷波動，維持V-01的壓力穩定；另外，設置C-02A/B的防喘振控制和超馳控制方案，保證C-02A/B機組安全穩定運行。

對于C-01，由于大量的氫氣是大循環，只是少部分氫氣經C-02A/B升壓后送出，因此，C-01吸入氣量充足，離心式壓縮機特有的喘振問題基本不存在，故C-01不需要設置防喘振控制。

3.1 控制方案概述

重整反應壓力控制方案如圖2所示。

圖2 重整反應壓力控制方案示意

由圖2可知，重整反應壓力控制是一個復雜度較高的串級加三分程加超馳加防喘振控制方案。其中，PC1為V-01的壓力控制器；PC2為氫增壓機入口分液罐(V-02)的壓力控制器；PY1/PY2/PY3為三分程輸出分配；XIC1為C-02A防喘振運算控制器；XIC2為C-02B防喘振運算控制器；PC4為C-02A出口壓力高限控制器；PC5為C-02B入口壓力低限控制器；PC6為C-02B出口壓力高限控制器；LS1，LS2為超馳(選擇性)邏輯切換；V1為C-02A入口放火炬閥；XV1為C-02A防喘振閥；XV2為C-02B防喘振閥；SIC為重整氫增壓機汽輪機轉速控制器。

3.2 串級加三分程控制方案分析

如圖2所示，為了保證重整反應壓力穩定，將V-01的壓力控制設置為串接主回路PC1；為了克服出裝置重整氫的負荷波動因素的干擾，將V-02的壓力控制設置為串接副回路PC2，實現穩定V-01壓力的目的。

為了更直接、有效、安全地控制被調參數，將串級控制PC2輸出確定為三分程方式。三分程控制曲線如圖3所示。PY1分程曲線控制重整氫增壓機的一級XV1閥的開度，PY2分程曲線控制重整氫增壓機汽輪機轉速(控制機組負荷)，PY3分程曲線控制V1閥的開度。

圖3 重整反應壓力三分程曲線示意

當工藝正常波動時，三分程控制器輸出處于PY2(33%～66%)的分程范圍，PY2調節重整氫增壓機一級、二級的轉速，通過增加或減少外送氫氣量來控制p1，p2的穩定。當重整反應壓力偏高時，重整氫增壓機轉速增加到最大允許轉速都緩解不了壓力超高時，三分程控制器輸出處于PY3(66%～100%)的分程范圍，打開V1閥并控制其開度，達到迅速降低壓力的目的。當重整反應壓力偏低時，重整氫增壓機轉速降低到最小允許轉速都緩解不了壓力超低時，三分程控制器輸出處于PY1(0～33%)的分程范圍，打開XV1閥，增加C-02A氫氣返回量，減少或不向外送氫氣，以維持p1，p2的穩定。

3.3 超馳控制方案分析

超馳控制也稱選擇性控制，由正常控制回路、取代控制回路與邏輯判斷部分組成。邏輯判斷部分設置關鍵參數，進行自動判別選擇合適的控制器，避免工藝過程進入危險操作區域。

重整反應壓力復雜控制方案設置了2套超馳控制回路，分別用于保護C-02A/B(一級、二級)。當重整反應壓力異常超低，三分程控制器輸出處于PY1(0～33%)分程范圍，控制XV1打開，增加C-02A氫氣返回量，減少或不向外送氫氣；為了防止C-02A出口超壓，設置C-02A出口壓力高限控制器，控制XV1閥打開，降低C-02A出口壓力；任何時候當XIC1監測到操作點接近喘振控制線時，優先打開對應的XV1閥，以防止喘振發生。PY1，PC4，XIC1的輸出信號均經低選器(LS1)超馳控制XV1閥的開度，直至全開。

同樣地，當C-02B入口壓力低時，由PC5控制XV2閥打開，增加C-02B氫氣返回量，減少或不向外送氫氣，以維持系統壓力的穩定；為了防止C-02B出口超壓，設置C-02B出口壓力高限控制器，控制XV1閥打開，降低C-02B出口壓力；任何時候當XIC2監測到操作點接近喘振控制線時，優先打開對應的XV2閥，以防止喘振發生。PC5，PC6，XIC2的輸出信號均經低選器(LS2)超馳控制XV2閥的開度，直至全開。

4 運行情況分析與對策

重整反應壓力復雜控制投用后，在裝置實際運行中，遇到的情況及對策簡要分析如下：

1)裝置生產過程中，由于重整氫增壓機入口實際氣體組分的變化，壓縮機喘振線也隨之變化。為適應喘振線的變化，以防止壓縮機喘振，通常會盡量放大喘振線的安全裕度，勢必造成不必要的能量浪費。

因此，為適應操作條件變化和機組由于磨損、結垢等原因而出現的性能變化，通過現場實測的方法獲取防喘振線，優化機組防喘振控制。壓縮機入/出口的壓力、流量測量變送器使用快速響應變送器，提高防喘振控制回路的響應速度。

2)在實際生產操作中，由于生產負荷波動較大，造成PC2輸出在60%～100%內大幅波動，需要操作人員結合實際工況，手動調整防喘振閥的開度以及設定機組轉速，工藝操作強度較高。

因此，重整循環氫壓縮機和重整氫增壓機串聯布置，串聯機組的控制核心是協調每臺機組的運行。通過分析串聯壓縮機的壓縮比，找出各臺壓縮機合理的負荷分配，從而使p1達到可控范圍。正常工況下，2臺離心機組的負荷會隨著重整產物分離罐的壓力p1同時升、降負荷，保持壓縮比比值不變，機組穩定運行。若裝置生產負荷大幅波動，重整循環氫壓縮機和重整氫增壓機升降負荷無法匹配，機組間的壓力p2會出現波動，機組運行的穩定性就會受到干擾。在現有控制方案基礎上，增設重整循環氫壓縮機和重整氫增壓機的負荷分配協調控制，控制2臺壓縮機的壓縮比保持不變，維持機組間的壓力p2的穩定。

5 結束語

重整反應壓力串級加三分程加超馳加防喘振控制方案既保證了重整反應系統的壓力、重整氫增壓機入口和出口壓力的穩定，也保證了重整氫增壓機的平穩運行，同時使氫氣損失減小，是一個合理、可靠的控制方案。重整循環氫壓縮機和重整氫增壓機的負荷分配協調控制投用后，實現了不同工況下重整反應壓力的自動控制，降低了操作人員工作強度。重整氫增壓機性能控制范疇在機組防喘振控制改進后得以擴大。在全自動控制的情況下，重整氫增壓機平穩運行在新的防喘振控制線周邊，不僅確保機組運行的穩定性，還能保證低負荷情況下實現最小的防喘振閥開度，使運行效率更高、耗能更低。