乙烯裂解氣壓縮機(jī)性能控制優(yōu)化

劉宗林，林鎮(zhèn)杰

(福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉州 362800)

某公司乙烯裂解氣壓縮機(jī)采用了基于TüV認(rèn)證 SIL3 級別的具有三重冗余技術(shù)的 Triconex TS3000控制系統(tǒng)，人機(jī)界面則采用Intouch9.5組態(tài)的監(jiān)控畫面。壓縮機(jī)共五段壓縮，機(jī)組設(shè)計(jì)了“三返一”“五返四”防喘振系統(tǒng)，以提高機(jī)組運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性。

該壓縮機(jī)組投運(yùn)至今已有10 a，未開展過喘振線實(shí)測，機(jī)組廠商提供的預(yù)期性能曲線與壓縮機(jī)實(shí)際喘振線存在一定偏差。隨著裂解爐原料輕質(zhì)化不斷推進(jìn)，機(jī)組運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)也存在偏差，使得現(xiàn)有的防喘振操作點(diǎn)與機(jī)組防喘控制線相鄰較近。在高負(fù)荷下蒸汽波動時，容易使喘振閥打開，造成能耗增加；其次，機(jī)組控制系統(tǒng)最初投用時未經(jīng)過系統(tǒng)精調(diào)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制與壓縮機(jī)入口壓力控制按照傳統(tǒng)模式無法投自動串級控制，操作人員只能根據(jù)壓縮機(jī)入口壓力的變化調(diào)整汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的控制設(shè)定點(diǎn)。防喘振控制投用自動控制時無法與壓縮機(jī)入口壓力控制之間進(jìn)行解耦控制，處于獨(dú)立運(yùn)行模式，因此，在正常工況下能夠運(yùn)行正常，但當(dāng)工藝狀況出現(xiàn)大幅波動時需要同時調(diào)整幾個回路，手動操作較為復(fù)雜，響應(yīng)速度慢，控制精度較差，需要依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)實(shí)施控制。一方面增加了工藝操作人員的操作強(qiáng)度，同時也給裝置穩(wěn)定性和產(chǎn)品的收率帶來一定影響。

1 壓縮機(jī)性能控制優(yōu)化

針對該裂解氣壓縮機(jī)當(dāng)前存在的問題，2018年在乙烯裝置大修期間，對該壓縮機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。一是通過開展壓縮機(jī)喘振實(shí)際測試，以得到更為準(zhǔn)確的喘振線；二是修改壓縮機(jī)控制系統(tǒng)程序，包括性能控制程序、壓力控制器程序、解耦控制器程序、防喘振控制程序等，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組性能全自動化控制。

1.1 喘振測試

壓縮機(jī)組生產(chǎn)廠商提供的預(yù)期性能曲線與壓縮機(jī)實(shí)際喘振線存在一定偏差，如果預(yù)期性能曲線向右偏差，在低負(fù)荷時由于偏差使防喘振閥開度加大，造成機(jī)組功率增加，蒸汽消耗大，或在高負(fù)荷時觸發(fā)防喘振保護(hù)，影響安全生產(chǎn)[1]；如果預(yù)期性能曲線向左偏差則沒有到喘振線就可能發(fā)生喘振而不能有效保護(hù)機(jī)組。通過測試得到準(zhǔn)確的喘振線，既可以保護(hù)機(jī)組，又能使機(jī)組在較經(jīng)濟(jì)、可靠的條件下運(yùn)行。

1.1.1 喘振測試原理

喘振的發(fā)生與壓縮機(jī)的功率有關(guān)，在不同功率下壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)是不同的，選取不同功率下的幾個喘振點(diǎn)連成曲線，即可得到實(shí)際喘振曲線。由汽輪機(jī)帶動的機(jī)組其功率與轉(zhuǎn)速成正比，常用轉(zhuǎn)速來代表功率[2]。

該裂解氣壓縮機(jī)的喘振實(shí)測在裝置停車前實(shí)施。在停車過程中隨著裝置負(fù)荷的降低，壓縮機(jī)從較高轉(zhuǎn)速，且壓縮機(jī)入口流量低于喘振最小流量時開始測試，逐漸降低負(fù)荷；而后依次降低到不同轉(zhuǎn)速，再進(jìn)行測試。典型機(jī)組工作點(diǎn)在喘振測試時可能發(fā)生的移動軌跡如圖1所示。

圖1 喘振測試工作點(diǎn)的典型移動軌跡示意

由圖1可知，當(dāng)關(guān)小防喘振閥時，壓縮氣體流量下降，出口壓力上升，入口壓力下降，工作點(diǎn)的移動軌跡為曲線中的DA段。隨著工作點(diǎn)接近喘振點(diǎn)，防喘振閥關(guān)小，壓縮氣體流量下降，出口壓力上升緩慢或不再上升，工作點(diǎn)的移動軌跡為曲線中的AA1段。如果發(fā)生喘振，壓縮氣體流量快速降低、壓縮機(jī)出口壓力降低，入口壓力上升、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降，工作點(diǎn)的移動軌跡為曲線中的A1B段。如果不能脫離喘振狀態(tài)，壓力、入口流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)呈現(xiàn)周期性大幅度的變化。在喘振測試時，控制系統(tǒng)會自動較大幅度開啟防喘振閥使流量增加，脫離喘振。

通過對上述參數(shù)的監(jiān)控可以準(zhǔn)確地確定實(shí)際喘振點(diǎn)，從而得到喘振線[3]。喘振線測試如下：

1)臨界喘振點(diǎn)測試。壓縮氣體流量繼續(xù)降低，當(dāng)達(dá)到一定幅度時，這時流量再降低壓力也不再明顯增加，工作點(diǎn)到達(dá)圖1中的AA1段。實(shí)際流量和出口壓力會有小幅且頻率較快的波動，出現(xiàn)該現(xiàn)象時，打開防喘振閥，流量迅速上升，出口壓力降低，機(jī)組擺脫臨界喘振區(qū)，結(jié)束測試，如曲線中的A1EF段。

這種測試適合機(jī)組廠商提供的性能曲線與壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)較近的狀況，當(dāng)測試到AA1段，機(jī)組喘振現(xiàn)象已經(jīng)比較明顯，當(dāng)靠近喘振點(diǎn)A1時，關(guān)小防喘振閥，流量下降，出口壓力不再上升，機(jī)組運(yùn)行的聲音變化也非常明顯，振動開始增大。此時喘振線已經(jīng)能滿足防喘振控制需求，就可以結(jié)束測試，避免將機(jī)組帶入喘振工況的風(fēng)險[4]。

2)喘振點(diǎn)測試。當(dāng)達(dá)到臨界喘振點(diǎn)后，流量繼續(xù)下降到喘振流量值，這時出口壓力迅速下降，流量迅速下降，到達(dá)曲線中的A1B段。這時快速打開防喘振閥，流量迅速上升，機(jī)組擺脫喘振，結(jié)束測試，如圖1中的A1GF段。

3)喘振線驗(yàn)證試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)中工作點(diǎn)達(dá)到原預(yù)期喘振線上，證明工作點(diǎn)達(dá)到預(yù)期喘振線，不會發(fā)生喘振，喘振線能起到喘振保護(hù)作用得到驗(yàn)證。也可不再繼續(xù)進(jìn)行測試，避免機(jī)組進(jìn)入臨界喘振區(qū)或喘振區(qū)。

1.1.2 喘振測試結(jié)果

喘振測試嚴(yán)格按照預(yù)定方案實(shí)施，測試結(jié)果為壓縮機(jī)的二段到五段喘振線保持原設(shè)計(jì)的預(yù)期喘振線，喘振實(shí)測驗(yàn)證原預(yù)期喘振線滿足安全運(yùn)行條件，根據(jù)工作點(diǎn)在喘振實(shí)測中的運(yùn)行軌跡，修正了一段喘振線，修正后的喘振線對比原預(yù)期喘振線向左側(cè)移動4%。壓縮一段工作點(diǎn)測試過程中運(yùn)行軌跡如圖2所示，2018年10月31日一段喘振測試記錄見表1所列，一段喘振線、防喘振線修正如圖3所示。

圖2 壓縮機(jī)一段工作點(diǎn)測試過程中運(yùn)行軌跡示意

表1 一段喘振測試記錄(2018-10-31)

圖3 壓縮一段喘振線和防喘振線修正示意

1.2 性能控制程序優(yōu)化

1.2.1 性能控制概述

性能控制是指以控制壓縮機(jī)的入口壓力、出口壓力或流量為主要參數(shù)，通過速度和防喘振控制的解耦控制在機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行情況下來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)入口壓力的穩(wěn)定[6]。對于該裂解氣壓縮機(jī)，采用入口壓力作為主控參數(shù)實(shí)現(xiàn)性能控制。

該壓縮機(jī)性能控制由入口壓力控制器、解耦控制器、速度控制器以及防喘振控制器組成。

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)如果要長期穩(wěn)定地運(yùn)行，每個控制器的參數(shù)設(shè)置必須合適，須要對防喘振閥進(jìn)行必要的測試和試驗(yàn)，得到各控制器之間的關(guān)聯(lián)參數(shù)，用于各控制器的關(guān)聯(lián)程序修改和參數(shù)調(diào)整。性能控制原理如圖4所示。

圖4 性能控制原理示意

1.2.2 性能控制程序修改

在裝置大修停車期間，按照性能控制優(yōu)化方案完成了防喘振、速度控制和性能控制程序的優(yōu)化修改工作，增加了防喘振和轉(zhuǎn)速(入口壓力串級控制)的解耦控制程序，實(shí)現(xiàn)了性能控制優(yōu)化，并通過了仿真模擬測試。

1)入口壓力控制器程序修改。依據(jù)試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整性能(入口壓力)控制器程序，設(shè)置控制死區(qū)，多組比例、積分按照不同條件自動選擇程序等。

2)解耦控制器程序修改。實(shí)現(xiàn)防喘振閥控制和性能控制的解耦，實(shí)現(xiàn)解耦協(xié)調(diào)控制。依據(jù)偏差大小設(shè)置多組參數(shù)，程序按照不同條件自動選擇。完善數(shù)據(jù)跟蹤，使性能控制投用和解除都能實(shí)現(xiàn)無擾動切換。

3)防喘振控制程序修改如下：

a)修改防喘振控制自動調(diào)整參數(shù)邏輯，增加控制死區(qū)。

b)防喘振閥啟動死區(qū)控制。依據(jù)防喘振閥測試結(jié)果，完善啟動死區(qū)控制，即在喘振閥輸出超過0.5%時，跳開到一個變量初始值為2%，一個周期后恢復(fù)自動控制，以保證防喘振閥能夠在擾動發(fā)生時快速啟動，保證響應(yīng)速度。

c)防喘振閥輸出限制參數(shù)修改。防喘振閥開關(guān)速率選擇，原為固定速率，快開速率為15%/s，慢關(guān)為0.25%/s，修改后的程序?yàn)榘凑詹煌r程序自動選擇關(guān)閥速率，達(dá)到在保障機(jī)組安全的情況下，減小防喘振閥的開度對工藝操作的影響。修改后，關(guān)閥速率設(shè)置裕度大于20%時，閥開度輸出大于50%，關(guān)閥速率為2%/s；裕度小于15%時，閥開度輸出小于50%，關(guān)閥速率為1%/s。

d)防喘振控制線修改。修改喘振線，依據(jù)喘振測試結(jié)果修改壓縮機(jī)一段喘振線。

e)入口壓力開車最大值限制。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)入口壓力為23 kPa，如升高到46 kPa，在其他參數(shù)不變的情況下，按照壓縮機(jī)入口流量公式計(jì)算，補(bǔ)償系數(shù)為0.708 6，會造成工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)，即壓縮機(jī)入口流量量程百分?jǐn)?shù)減少30%。

為了避免受汽輪機(jī)功率限制，在高負(fù)荷運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速不能按照工藝要求提高，即汽輪機(jī)主汽門全開，壓縮機(jī)入口壓力過高，工作點(diǎn)向喘振方向移動過多，造成防喘振閥打開問題。在操作畫面上增加入口壓力最高限制，將參與工作點(diǎn)計(jì)算的壓縮機(jī)入口壓力最高值限制在46 kPa。在該工況下操作最多只會對雙烯收率產(chǎn)生影響，但不會造成機(jī)組防喘振閥在高負(fù)荷下由于轉(zhuǎn)速波動而開啟，造成大幅度工藝擾動的現(xiàn)象。

f)速度控制程序修改。增加運(yùn)行時速度、比例、積分參數(shù)程序自動選擇，實(shí)現(xiàn)不同情況下的速度控制的穩(wěn)定。

4)防喘振閥測試。在大修停車期間，通過利用Valvelink軟件，對防喘振閥開展離線測試，從而得到了每個閥門的啟動時間，并確定了防喘振閥的啟動死區(qū)。

依據(jù)測試結(jié)果，綜合分析，得到防喘振閥FV20001啟動死區(qū)為2.0%；FV20005閥啟動死區(qū)為1.5%。

2 控制系統(tǒng)優(yōu)化效果

在機(jī)組控制系統(tǒng)優(yōu)化完成后，在開工之初，裂解爐投料在低負(fù)荷的時候投用裂解氣壓縮機(jī)性能控制，并逐步提升裝置負(fù)荷，性能控制平穩(wěn)，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的控制效果[7]。

在低負(fù)荷時由“三返一”防喘振閥控制入口壓力，實(shí)現(xiàn)由防喘振閥將工作點(diǎn)控制在沿防喘振控制線，達(dá)到壓線控制。機(jī)組轉(zhuǎn)速保持在最低控制轉(zhuǎn)速，當(dāng)負(fù)荷提升，防喘振閥全關(guān)后，由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速串級控制自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口壓力。該控制系統(tǒng)優(yōu)化后效果如下：

1)提升喘振操作裕度。經(jīng)過喘振測試驗(yàn)證了各段喘振線是安全可靠的。一段喘振線測試后確認(rèn)在保證安全的前提下，優(yōu)化了設(shè)計(jì)階段預(yù)留的4%裕度，防喘振線左移4%，擴(kuò)大了機(jī)組的操作范圍。

2)完善防喘振控制程序。經(jīng)過防喘振控制程序完善，使防喘振實(shí)現(xiàn)自動控制并穩(wěn)定運(yùn)行，既保障了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，又使機(jī)組在低負(fù)荷時防喘振閥開度最小，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能并高效運(yùn)行。

3)提高機(jī)組控制效率。增加了機(jī)組轉(zhuǎn)速和防喘振閥解耦控制，使機(jī)組在低負(fù)荷時轉(zhuǎn)速和防喘振閥之間的高效調(diào)節(jié)，避免機(jī)組轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生的額外能耗，保障了機(jī)組高效運(yùn)行，同時保證了機(jī)組入口壓力與轉(zhuǎn)速串級控制的安全性。

4)確保入口壓力控制穩(wěn)定。性能控制投用自動后，壓縮機(jī)一段入口壓力控制較之前手動控制更趨平穩(wěn)，減小了波動幅度，滿足了控制乙烯裂解爐出口壓力的需求，提高了裂解氣中的雙烯收率，提升了效益。

5)減小操作人員的操作強(qiáng)度。控制程序優(yōu)化后，提高了機(jī)組的自動化控制水平，在投爐和退爐時減少操作人員操作的頻次，節(jié)約操作時間，更好地保障了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié)束語

優(yōu)化前由于汽輪機(jī)長周期運(yùn)行后效率下降，即使主汽門全開，機(jī)組轉(zhuǎn)速受限，壓縮機(jī)入口壓力依然保持在較高水平，無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。大修后，通過控制系統(tǒng)優(yōu)化，性能控制的投用，實(shí)現(xiàn)了入口壓力的串級控制，增加的解耦控制保證了機(jī)組防喘振控制與轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定性。同時，降低了壓縮機(jī)入口壓力，提高雙烯收率，降低裂解原料的消耗，節(jié)能/降耗效益明顯。按每降低入口壓力6.90 kPa，乙烯收率可提高0.27%，按1.10 Mt/a乙烯產(chǎn)品計(jì)算，乙烯產(chǎn)量增加2 970 t，預(yù)計(jì)可提升效益約1 051.3萬元/年。