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本項催化重整氫增壓縮機組先進控制解決方案，實現了壓縮機組的全自動智能優化運行，配合該裝置工藝過程先進控制（APC），根據先進控制的參數自動對壓縮機組工藝參數進行調整，效益提高顯著。除降低壓縮機組的運行成本(能耗)和操作成本（實現全自動運行）外，通過對循環氫壓縮機和重整氫增壓機實現優化協調運行，提高了產品（芳烴產物和副產氫氣）的收率，真正實現節能和降耗智能化運行，對全國20余套大型和特大型催化重整裝置的壓縮機自動化控制產生了標志性的效果。

1 背景

催化重整裝置是石油煉制和石油化工生產過程中非常重要的加工生產設施。生產裝置以煉油裝置（如加氫裂化裝置）生產出的重質石腦油，經過催化重整反應，產出高辛烷值汽油和芳烴原料，同時副產大量富氫氣體，可以作為石油煉化企業成本低廉的氫源。特別是近年來聚酯類產品的需求旺盛，石化生產企業紛紛加大聚酯原料（芳烴）產能的投資，建成和建設了一大批大型和特大型催化重整裝置。據統計，國內近年建成100萬噸/年及以上的催化重整裝置超過20余套，目前單套最大產能已達320萬噸/年。世界前10大催化重整裝置也大部分在中國建設。重整氫增壓機組是裝置的核心設備之一，壓縮機將裝置副產的富氫氣體升壓后送往氫氣提純處理裝置。如果壓縮機組停止運行，大量的富含氫氣的氣體將被送入火炬燃燒放空，造成環境污染和浪費所產出的氣體產品，致使下游用氫裝置降低處理量以至停產。進而影響整個煉化一體化企業的物料平衡。

典型的催化重整裝置壓縮機組的布置如圖1所示。

圖1 催化重整裝置壓縮機示意圖

循環氫壓縮機將氫氣壓縮后在反應器實現循環，保證催化重整反應的連續進行，同時帶走反應器中的熱量，對反應深度進行控制。重整氫增壓機則將裝置副產的氫氣壓縮后送至界區外用戶。

為保持催化重整裝置運行的穩定，大型催化重整裝置重整氫增壓機組通常采用汽輪機（或變頻電機）驅動的離心式壓縮機。裝置產出的富氫氣體是隨著裝置加工量和原料特性的變化而變化的，由于離心式壓縮機固有的喘振流量的限制，在裝置產出氣體量較低時，壓縮機需要在最低工作轉速下工作，壓縮機入口壓力需要由壓縮機的回流閥（防喘振閥）實現控制；而當外輸氫氣受阻時，入口壓力又要靠入口前的放火炬閥實現控制。在催化重整的工藝設計上通常有一套完整的分程控制方案對該壓縮機組的入口壓力實施控制。

長期以來，在壓縮機控制系統軟件配置和現場調試條件限制等原因影響下，按照催化重整工藝包的入口壓力分程控制方案很難實現自動控制，全國大多數催化重整裝置中重整氫增壓機的操作基本依賴操作人員的手動調節，操作強度大，壓縮機組運行中有較多的能耗浪費。同時由于循環氫壓縮機和重整氫增壓機處于串聯運行狀態，為穩定裝置運行，工藝操作人員往往加大裝置循環氫的流量，而這將降低反應溫度，也降低了催化重整裝置的產品收率。

2 目標與原則

通過完善壓縮機控制應用軟件的配置和現場精調，實現重整增壓機組在各種工況下的全自動運行。裝置工藝操作人員只需根據催化重整裝置的運行狀況，遠程設定壓縮機入口壓力（高分罐壓力），壓縮機組控制系統根據工況變化自動協調并調整機組轉速和防喘振閥的開度，保持入口壓力穩定。在實現智能化（自動化）優化運行的同時，實現壓縮機組運行效率的提高，即節能增效運行。同時工藝操作人員可以自由地根據裝置先進控制（APC）的要求，根據反應溫度和反應深度的要求，調整循環氫的流量，重整氫增壓機將自動調整外輸氫氣量實現裝置的先進控制。

3 項目實施與應用

3.1 項目規劃

在機組控制系統的應用控制軟件的配置中，將原工藝專利商對于壓縮機機入口壓力（催化重整裝置高分罐壓力）控制與機組轉速和一段防喘振控制之間的固定分程控制改為動態分程控制。

工藝專利商原來的固定分程控制方式如圖2所示。

圖2 固定分程控制方式

高分罐壓力（重整氫增壓機入口壓力）控制總量程中0~33%為壓縮機運行在最小工作轉速，由一段防喘振閥（1-2，代表0~100%防喘振閥的開度）控制入口壓力；33%~60%（4-3）由機組轉速控制（最小工作轉速至最大工作轉速）；60~100%（6-5）由壓縮機入口前的放空閥控制。在理想狀態下，一段防喘振閥將在壓力控制量程33%時全關，33%-60%之間由機組轉速實現調節。在實際裝置中，由于壓縮機選型和工藝參數變化的原因，固定分程控制幾乎是不可能實現這種控制方式的，需要用戶采用手動方式控制。這也是此類機組難于實現自動控制的主要原因。

解決方案是采用動態分程的模式實現優化控制。

由于壓縮機組的轉速和防喘振閥的開度都會影響到壓縮機入口壓力：

轉速升高，入口壓力降低

轉速降低，入口壓力升高

防喘振閥開度增加，入口升高

防喘振閥開度減小，入口壓力下降。

當兩種控制動作同時發生時，會產生相互干擾，振蕩。因此在機組控制應用軟件中必須采取協調控制，消除控制動作之間的耦合作用。

在動態分程模式下，機組控制系統根據實測到的壓縮機喘振線設定安全的防喘振控制線，實現汽輪機轉速及防喘振閥的協調（解耦）控制和壓力超馳控制，充分利用壓縮機的各個控制回路協調控制機組的主要工藝參數。在保證機組安全的前提下，通過防喘振閥和轉速控制的協調控制實現入口壓力的自動控制同時保持壓縮機的防喘振閥在該工況下的最小開度（或全關），實現節能優化運行。在工藝氣體溫度較高（分子量較大）時，防喘振閥將在33%的“固定”分程點之前全部關閉；工藝氣體溫度較低（分析量較小）時，防喘振閥將在“固定”分程點右側才能關閉，以保證機組不發生喘振。

3.2 解決方案的實施

在裝置大修停車和大修后的開車期間實現改造和精調。從而使機組不同負荷下都能自動滿足工藝操作對壓縮機工藝參數的調整。工藝操作可根據工況調整入口壓力設定點，機組控制系統自動調節汽輪機轉速和防喘振閥的開度（如果需要），實現全自動無人為干預的優化運行。

創新性地采用了新的壓縮機控制模型，并根據此模型完善了機組控制應用軟件。

在大修機組停車前，康吉森工程師對機組進行了喘振線驗證，保證防喘振控制的控制基準。重新計算了該壓縮機的防喘振曲線。

在停車階段，康吉森工程師完成了控制軟件組態的更新；對壓縮機控制系統相關的現場儀表（變送器、防喘振閥和調速機構）進行了校準和調校，以保證控制精度。

在機組開車以后根據工藝擾動的情況，調整控制系統的控制參數，提高控制系統在工況變化時的抗干擾能力，對機組控制系統進行精調。

優化解決方案實施的難點在于在控制系統的精調階段需要業主與調試工程師的緊密配合，在工況變化時可以調整控制系統的參數，有時甚至需要人為制造一些小的擾動對控制系統的響應進行驗證，以實現良好的控制效果。在雙方的密切配合下，優化解決方案得以順利實施。

4 效益分析

中國石化石家莊煉化催化重整裝置重整氫增壓機的此項優化解決方案在2017年10月正式實施以后，按規劃要求，機組可以根據工藝操作要求實現全自動操作，既保證安全又實現優化高效運行。得到了以下幾方面的效果：
投用了壓縮機入口壓力性能控制，穩定了高分罐的壓力，工藝裝置運行更加穩定；

實現了全工況下，包括入口溫度劇烈變化等特殊工況下的全工況壓縮機自動控制；

在同等工況下壓縮機防喘振閥實現全關，使壓縮機始終工作在最佳性能區間；

實現了節能減排，裝置高負荷工況下同比平均每小時減少5噸蒸汽消耗，每年可為用戶節約蒸汽消耗約3萬噸以上；

隨著高分罐壓力的穩定，工藝操作人員可以更好地控制催化重整裝置的產品收率，提高芳烴原料和副產氫氣的產率，即在同等進料量下，產出更多的產品。

根據測算：根據標定的原料性質，在實現先進控制（APC），通過降低循環氫的流量，適當提高反應溫度（按提高5oC計算）可提高4%的芳烴原料收率和1.2%的氫氣收率，而實際循環氫壓縮機和重整氫增壓機總體蒸汽耗量基本不變。在當前石化產品利潤較高的市場環境下，增加收率所帶來的效益增加是十分可觀的。

此項成果對國內大型和特大型催化重整裝置的壓縮機組智能化節能運行有著標志性的示范效應。此解決方案具備大規模實際推廣的條件并取得良好的經濟效益。

摘自《自動化博覽》2018年7月刊