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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(xiàn)了壓縮機組的全自動智能優(yōu)化運行，配合該裝置工藝過程先進控制（APC），根據(jù)先進控制的參數(shù)自動對壓縮機組工藝參數(shù)進行調(diào)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(xiàn)全自動運行）外，通過對循環(huán)氫壓縮機和重整氫增壓機實現(xiàn)優(yōu)化協(xié)調(diào)運行，提高了產(chǎn)品（芳烴產(chǎn)物和副產(chǎn)氫氣）的收率，真正實現(xiàn)節(jié)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(chǎn)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(chǎn)過程中非常重要的加工生產(chǎn)設施。生產(chǎn)裝置以煉油裝置（如加氫裂化裝置）生產(chǎn)出的重質(zhì)石腦油，經(jīng)過催化重整反應，產(chǎn)出高辛烷值汽油和芳烴原料，同時副產(chǎn)大量富氫氣體，可以作為石油煉化企業(yè)成本低廉的氫源。特別是近年來聚酯類產(chǎn)品的需求旺盛，石化生產(chǎn)企業(yè)紛紛加大聚酯原料（芳烴）產(chǎn)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(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)境污染和浪費所產(chǎn)出的氣體產(chǎn)品，致使下游用氫裝置降低處理量以至停產(chǎn)。進而影響整個煉化一體化企業(yè)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(huán)氫壓縮機將氫氣壓縮后在反應器實現(xiàn)循環(huán)，保證催化重整反應的連續(xù)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(chǎn)的氫氣壓縮后送至界區(qū)外用戶。

為保持催化重整裝置運行的穩(wěn)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(qū)動的離心式壓縮機。裝置產(chǎn)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(chǎn)出氣體量較低時，壓縮機需要在最低工作轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)軟件配置和現(xiàn)場調(diào)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(xiàn)自動控制，全國大多數(shù)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(diào)節(jié)，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(huán)氫壓縮機和重整氫增壓機處于串聯(lián)運行狀態(tài)，為穩(wěn)定裝置運行，工藝操作人員往往加大裝置循環(huán)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(chǎn)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(xiàn)場精調(diào)，實現(xiàn)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(jù)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(tǒng)根據(jù)工況變化自動協(xié)調(diào)并調(diào)整機組轉(zhuǎn)速和防喘振閥的開度，保持入口壓力穩(wěn)定。在實現(xiàn)智能化（自動化）優(yōu)化運行的同時，實現(xiàn)壓縮機組運行效率的提高，即節(jié)能增效運行。同時工藝操作人員可以自由地根據(jù)裝置先進控制（APC）的要求，根據(jù)反應溫度和反應深度的要求，調(diào)整循環(huán)氫的流量，重整氫增壓機將自動調(diào)整外輸氫氣量實現(xiàn)裝置的先進控制。

3 項目實施與應用

3.1 項目規(guī)劃

在機組控制系統(tǒng)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(zhuǎn)速和一段防喘振控制之間的固定分程控制改為動態(tài)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制（最小工作轉(zhuǎn)速至最大工作轉(zhuǎn)速）；60~100%（6-5）由壓縮機入口前的放空閥控制。在理想狀態(tài)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(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)節(jié)。在實際裝置中，由于壓縮機選型和工藝參數(shù)變化的原因，固定分程控制幾乎是不可能實現(xiàn)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(xiàn)自動控制的主要原因。

解決方案是采用動態(tài)分程的模式實現(xiàn)優(yōu)化控制。

由于壓縮機組的轉(zhuǎn)速和防喘振閥的開度都會影響到壓縮機入口壓力：

轉(zhuǎn)速升高，入口壓力降低

轉(zhuǎn)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(fā)生時，會產(chǎn)生相互干擾，振蕩。因此在機組控制應用軟件中必須采取協(xié)調(diào)控制，消除控制動作之間的耦合作用。

在動態(tài)分程模式下，機組控制系統(tǒng)根據(jù)實測到的壓縮機喘振線設定安全的防喘振控制線，實現(xiàn)汽輪機轉(zhuǎn)速及防喘振閥的協(xié)調(diào)（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(xié)調(diào)控制機組的主要工藝參數(shù)。在保證機組安全的前提下，通過防喘振閥和轉(zhuǎn)速控制的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)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(xiàn)節(jié)能優(yōu)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(fā)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(xiàn)改造和精調(diào)。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(shù)的調(diào)整。工藝操作可根據(jù)工況調(diào)整入口壓力設定點，機組控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速和防喘振閥的開度（如果需要），實現(xiàn)全自動無人為干預的優(yōu)化運行。

創(chuàng)新性地采用了新的壓縮機控制模型，并根據(jù)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(tài)的更新；對壓縮機控制系統(tǒng)相關的現(xiàn)場儀表（變送器、防喘振閥和調(diào)速機構）進行了校準和調(diào)校，以保證控制精度。

在機組開車以后根據(jù)工藝擾動的情況，調(diào)整控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，提高控制系統(tǒng)在工況變化時的抗干擾能力，對機組控制系統(tǒng)進行精調(diào)。

優(yōu)化解決方案實施的難點在于在控制系統(tǒng)的精調(diào)階段需要業(yè)主與調(diào)試工程師的緊密配合，在工況變化時可以調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，有時甚至需要人為制造一些小的擾動對控制系統(tǒng)的響應進行驗證，以實現(xiàn)良好的控制效果。在雙方的密切配合下，優(yōu)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(yōu)化解決方案在2017年10月正式實施以后，按規(guī)劃要求，機組可以根據(jù)工藝操作要求實現(xiàn)全自動操作，既保證安全又實現(xiàn)優(yōu)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(wěn)定了高分罐的壓力，工藝裝置運行更加穩(wěn)定；

實現(xiàn)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(xiàn)全關，使壓縮機始終工作在最佳性能區(qū)間；

實現(xiàn)了節(jié)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(jié)約蒸汽消耗約3萬噸以上；

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

根據(jù)測算：根據(jù)標定的原料性質(zhì)，在實現(xiàn)先進控制（APC），通過降低循環(huán)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(huán)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(chǎn)品利潤較高的市場環(huán)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(nèi)大型和特大型催化重整裝置的壓縮機組智能化節(jié)能運行有著標志性的示范效應。此解決方案具備大規(guī)模實際推廣的條件并取得良好的經(jīng)濟效益。

摘自《自動化博覽》2018年7月刊