催化裂化裝置主備風機系統智能控制技術的應用

張文全，王春梟，王寶鵬，梅勝，潘東

(1.中石油廣西石化公司，廣西 欽州 535000；2.北京康吉森自動化技術股份有限公司，北京 101318)

催化裂化裝置是煉油企業最重要的二次加工裝置，而主、備風機是催化裂化裝置最關鍵的核心設備之一，主要作用是給再生器提供燒焦用風和流化用風，回收再生煙氣中的大量能量，并維持沉降器和再生器之間的壓力平衡[1]。主風機是由三到四部分組成的復雜機組，包含煙氣輪機、軸流壓縮機、電動(發電)機，部分裝置還會有4臺蒸汽輪機。備用風機通常只包含電機和軸流風機。

主風機系統在催化裝置中有三種配置方式，第一種為目前主流的三機組模式：煙氣輪機+主風機+齒輪箱+電機；第二種為四機組模式：煙氣輪機+主風機+汽輪機+齒輪箱+電機；第三種為純發電式煙機組：煙氣輪機+齒輪箱+發電機組。無論哪種方式配置煙機，都是用來進行能量回收再利用的。通過煙氣膨脹做工，把從再生器送來的高溫煙氣回收能量，盡可能的把高于500 ℃以上的煙氣中熱能及壓降能通過煙氣輪機轉子帶動主風機組做功，使得主電機盡可能少做功甚至可以發電，回收煙氣能量。

由于風機在催化裂化裝置能量回收、壓力平衡中的關鍵作用，所以，主備風機正常生產過程中的穩定性和節能性是日常操作的重點。而主風機中的煙氣輪機長期運行在高溫、高轉速、腐蝕、多催化劑粉塵等不利環境下，既要承受復雜的作用力和熱負荷，又要承受環境介質的腐蝕和氧化，工作穩定性差、振動大，因而煙氣輪機很難長期安全、可靠、高效、經濟地運行，通常需要在裝置的運行期內，多次停機大修。在一些原料劣化嚴重，催化劑選型不合理的裝置上，一年甚至需要停機大修2～3次[2-3]。定期切換操作則是催化裂化裝置生產過程中過程復雜、風險高的操作難點。

1 當前主備風機操作過程常見問題

日常操作過程中，如果控制算法不能充分考慮調節系統實際存在的一些非線性特征，適當進行補償，會導致風機的調節系統頻繁動作，無法卡邊操作，使風機機組長時間不在最優區間運行，電機功率波動比較大，造成非常大的能量浪費。

在裝置開停車及異常工況或在用設備出現故障時，通常需要進行主、備機切換時，操作中則會存在以下問題[4-5]：

1)切換過程目前以人工操作為主，操作強度大，控制精度難把握，容易出現裝置運行參數大幅波動。

2)切換過程操作過程風險大。一旦主風機出口放空閥異常打開，會造成裝置主風機自保聯鎖動作，使裝置進入停工處理程序。目前在國內催化裝置主、備風機組手動切換過程中，造成裝置聯鎖動作時有發生。

3)人工操作難以把握煙機入口蝶閥，煙機大、小旁通閥等非線性特征，導致催化裂化裝置中反應器和再生器之間的差壓響應滯后、兩器差壓波動比較大。

4)操作過程耗時長，易受環境突發變化的影響，容易造成主風機組入口工況參數瞬時變化，如果此時操作人員不及時調整機組負荷，會造成風機出口參數大幅變化，嚴重影響裝置的平穩生產。

因此迫切需要一種成套的智能控制系統，既能實現切機過程的自動化，又能實現日常的平穩節能控制。

2 主備風機智能控制系統架構

主備風機智能控制系統架構如圖1所示，整個智能控制系統由三部分組成，包括：主備風機自動切機控制器，主風機性能控制器和備風機性能控制器。切換過程中，三個模塊同時作用，按預設流程完成自動切機。在正常運行工況下，則只有在運行的風機性能控制器起作用，實現日常的平穩、節能操作。

圖1 主備風機智能控制系統架構示意

3 主備風機自動切機控制

由于煙機要從常溫逐漸暖機到500 ℃以上，才可以正常工作，同時煙機入口管徑為1 m以上的金屬管道，如果暖機過快，經常發生入口管線膨脹變形過大或者入口閥門膨脹受力不均勻，反之如果暖機過長，造成大量的能量浪費，不能夠盡快回收煙氣能量。

主風機切備風機工藝原理如圖2所示，切換過程如下：

圖2 主風機切備風機控制原理示意

1)各控制回路均投自動運行，主風機組投入送風量和總管出口壓力關聯加權性能控制。

2)備風機組投入送風量和總管出口壓力關聯加權性能控制，備機出口壓力設定值自動根據此刻主機出口壓力值自動生成目標值，總管流量控制器目標值保持此刻實測值。

3)打開備風機組送風閥。

4)選擇備機切入系統，開始全自動切機。此刻備機出口壓力逐漸升高到大于總管出口壓力一定值時，備機出口單向閥開始打開，總管出口流量開始逐漸增加，當檢測到總管流量增加一定量時，主風機組放空閥開始逐漸打開，放出多余的主風量，當再次檢測到主風總管流量達到平衡時，開始繼續循環上次進程，隨著備風機放空閥(防喘振閥)的逐漸關閉，主風進入系統，主風機的放空閥自動逐漸打開。

5)由于在切機過程中會有再生器壓力波動，增設了當備風機組出口壓力達到設定值后，程序自動計算調整目標出口壓力設定值，使得備風機組持續保持出口壓力大于主機出口壓力和總管出口壓力，主備風機進行持續不間斷能量轉換。

6)當檢測到主風機組出口壓力低于總管壓力一定值時，主機出口單向閥開始自動關閉，此刻切換完成，主風機退出系統。

備風機切主風機工藝原理如圖3所示，切換過程如下：

圖3 備風機切主風機控制原理示意

1)各控制回路均投自動運行，備風機組投入送風量和總管出口壓力關聯加權性能控制。

2)主風機組投入送風量和總管出口壓力關聯加權性能控制，主機出口壓力設定值自動根據此刻備機出口壓力值自動生成目標值，總管流量控制器目標值保持此刻實測值。

3)打開主風機組送風閥。

4)選擇主機切入系統，開始全自動切機。此刻主機出口壓力逐漸升高到大于總管出口壓力一定值時，主機出口單向閥開始打開，總管出口流量開始逐漸增加，當檢測到總管流量增加一定量時，備風機組放空閥開始逐漸打開，放出多余的主風量，當再次檢測到主風總管流量達到平衡時，開始繼續循環上次進程，隨著主風機放空閥(防喘振閥)的逐漸關閉，主風進入系統，備主風機的放空閥自動逐漸打開。

5)由于在切機過程中會有再生器壓力波動，增設了當主風機組出口壓力達到設定值后，程序自動計算調整目標出口壓力設定值，使得主風機組持續保持出口壓力大于備機出口壓力和總管出口壓力，主備風機進行持續不間斷能量轉換。

6)當檢測到備風機組出口壓力低于總管壓力一定值時，備機出口單向閥開始自動關閉，此刻切換完成，備主風機退出系統。

4 兩器差壓控制過程

催化裂化裝置反應器和再生器壓力之間應保持一定的差壓，叫兩器差壓。兩器差壓不能任意改變，在切換過程中需保持穩定。反應壓力通過調節氣壓機轉速或氣壓機出口氣體循環量而保持不變，再生器壓力通過雙動滑閥或煙機入口蝶閥調節再生器壓力而保持與反應器恒定的壓差[6-8]。

兩器差壓控制采用了一系列的優化措施，平衡差壓控制的速度和穩定性之間的矛盾：

1)分析控制閥的閥門特性，增設了調節偏差死區功能，減少了煙機蝶閥、大小旁通閥頻繁調節。

2)結合工程經驗，在保證安全的前提下，調整控制閥的爬坡速率，加快調節速度，使調節更及時有效。

3)在穩定主風總管風量和再生器壓力基礎上，利用性能控制的解耦控制能力，優選主風機靜葉和防喘振閥的調節幅度，盡量減小防喘振閥開度，實現防喘振工作點壓線運行，降低主風機的總體能耗。

4)兩器差壓解耦控制器實時根據兩器差壓測量時，計算輸出給煙機入口蝶閥和煙機大小旁通閥開度，當需要升高兩器差壓時，優先關小煙機大小旁通閥，然后再關小煙機入口蝶閥；當需要降低兩器差壓時，優先開大煙機入口蝶閥，然后再開大煙機大小旁通閥。

5)煙機功率控制器實時計算蝶閥允許的最小開度，一旦超過設定電機最大發電功率，煙機入口蝶閥將限制蝶閥繼續打開。

6)煙機蝶閥故障瞬時關閉時，系統實時計算對應煙氣流量，在一個掃描周期之內迅速把雙動滑閥打開到計算位置。

5 應用效果

某石化公司3.5 Mt/a催化裂化裝置于2010年8月28日正式投產，該裝置是中國第一套采用UOP技術的重油催化裂化裝置，所配套的主風機、煙機也是國內同類裝置中的最大機組。該裝置包含2套主風機，分別是主風機和備用主風機。因此，在2020年檢修前，制訂了詳細的自動切機方案、性能控制方案、煙機蝶閥和大小旁通閥的控制策略，并于檢修期間付諸實施，最終成功實現了主、備機無擾動一鍵切機、全自動控制主風量、兩器差壓控制響應速率達到了預期的效果。

具體實施中，首先是提升了硬件平臺的性能，將原TRICON控制系統CPU版本升級，使系統掃描時間從80 ms，縮短到50 ms。更高的系統采樣頻率使現場數據能更及時地反饋運行情況，從而提升控制性能。

軟件方面，更新了控制系統防喘振函數庫，采用了目前為止最新的性能控制算法、自動切機算法、兩器差壓控制算法等先進智能控制功能。另外在人機界面中增加了自動切機畫面，完善了兩器差壓控制參數。

項目最終在2020年5月2日投入運行，成功實現了主備風機全自動一鍵切機，將原來需要1 h左右的切機過程縮短到10 min內完成。正常運行狀態中，兩器壓力調節迅速及時，實現了卡邊控制，使電機功耗降低了8.4 MW，降幅達47%，節能效果十分顯著。

兩器壓差控制工藝趨勢如圖4所示，可以看出，兩器差壓很好地穩定在一定區域內，在一定波動范圍內不進行調節，只有超過一定波動范圍，才會調節。

圖4 兩器差壓控制工藝趨勢示意

投用性能控制后，主風機組靜葉由38.8°關到了28.8°，防喘振閥開度由11.3%關到了1.5%，主風總管流量波動范圍在0～30 m3/min，主電機功率由17.398 MW降到8.973 MW，電機功率降幅達8.425 MW。

系統還有效地提升了裝置安全運行的水平。在備風機性能控制投用后，備風機組在某一時段檢測到總管流量異常下降后，靜葉自動由51.0°增大到57.0°，主電機功率由15.594 MW升到了15.816 MW，主風總管流量波動始終保持在30 m3/min之內。在事后分析異常發生原因時，工藝人員發現是因裝置的安全閥存在故障，異常跳開導致的。如果當時沒有投用性能控制，此事將會造成主風低流量，進而切斷進料，導致非計劃停車的事故發生。

6 結束語

自機組聯動試車到正式開車以來，經不斷調整優化后，備用主風機自動切至主風機組運行，整個過程只需10 min就自動完成，切換過程中主風總管流量波動小于30 m3/min，壓力波動小于5 kPa。與傳統催化裂化的手動操作方式完成主備風機的切換模式相比，智能切換技術的應用可以使控制更加平穩可靠、高效安全，并杜絕誤判誤操作的可能，從而保證了工藝系統平穩操作的要求。

主備風機性能控制投用狀態下，主風總管流量穩定，主電機功率大幅降低，裝置運行穩定，節能效果顯著。

自1965年國內第一套催化裂化裝置投產以來，全國所有催化裝置的主、備風機的切換一直采用手動操作，兩器差壓或再生器壓力、主風機靜葉控制控制通常采用手動模式。該石化公司3.5 Mt/a催化裂化裝置主備風機智能控制系統的成功應用，驗證了智能控制技術的安全可靠性和高效平穩性，對于國內同類裝置提高智能操作水平、穩定操作工況、減輕操作強度、實現節能增效具有很強的指導意義。