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本項(xiàng)催化重整氫增壓縮機(jī)組先進(jìn)控制解決方案，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)組的全自動(dòng)智能優(yōu)化運(yùn)行，配合該裝置工藝過程先進(jìn)控制（APC），根據(jù)先進(jìn)控制的參數(shù)自動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)組工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，效益提高顯著。除降低壓縮機(jī)組的運(yùn)行成本(能耗)和操作成本（實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行）外，通過對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)和重整氫增壓機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化協(xié)調(diào)運(yùn)行，提高了產(chǎn)品（芳烴產(chǎn)物和副產(chǎn)氫氣）的收率，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降耗智能化運(yùn)行，對(duì)全國20余套大型和特大型催化重整裝置的壓縮機(jī)自動(dòng)化控制產(chǎn)生了標(biāo)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(shè)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(yīng)，產(chǎn)出高辛烷值汽油和芳烴原料，同時(shí)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(shè)了一大批大型和特大型催化重整裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)320萬噸/年。世界前10大催化重整裝置也大部分在中國建設(shè)。重整氫增壓機(jī)組是裝置的核心設(shè)備之一，壓縮機(jī)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(jī)組停止運(yùn)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(fèi)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(jìn)而影響整個(gè)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(jī)組的布置如圖1所示。

圖1 催化重整裝置壓縮機(jī)示意圖

循環(huán)氫壓縮機(jī)將氫氣壓縮后在反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)循環(huán)，保證催化重整反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，同時(shí)帶走反應(yīng)器中的熱量，對(duì)反應(yīng)深度進(jìn)行控制。重整氫增壓機(jī)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(yùn)行的穩(wěn)定，大型催化重整裝置重整氫增壓機(jī)組通常采用汽輪機(jī)（或變頻電機(jī)）驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)。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(jī)固有的喘振流量的限制，在裝置產(chǎn)出氣體量較低時(shí)，壓縮機(jī)需要在最低工作轉(zhuǎn)速下工作，壓縮機(jī)入口壓力需要由壓縮機(jī)的回流閥（防喘振閥）實(shí)現(xiàn)控制；而當(dāng)外輸氫氣受阻時(shí)，入口壓力又要靠入口前的放火炬閥實(shí)現(xiàn)控制。在催化重整的工藝設(shè)計(jì)上通常有一套完整的分程控制方案對(duì)該壓縮機(jī)組的入口壓力實(shí)施控制。

長期以來，在壓縮機(jī)控制系統(tǒng)軟件配置和現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，全國大多數(shù)催化重整裝置中重整氫增壓機(jī)的操作基本依賴操作人員的手動(dòng)調(diào)節(jié)，操作強(qiáng)度大，壓縮機(jī)組運(yùn)行中有較多的能耗浪費(fèi)。同時(shí)由于循環(huán)氫壓縮機(jī)和重整氫增壓機(jī)處于串聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，為穩(wěn)定裝置運(yùn)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(yīng)溫度，也降低了催化重整裝置的產(chǎn)品收率。

2 目標(biāo)與原則

通過完善壓縮機(jī)控制應(yīng)用軟件的配置和現(xiàn)場(chǎng)精調(diào)，實(shí)現(xiàn)重整增壓機(jī)組在各種工況下的全自動(dòng)運(yùn)行。裝置工藝操作人員只需根據(jù)催化重整裝置的運(yùn)行狀況，遠(yuǎn)程設(shè)定壓縮機(jī)入口壓力（高分罐壓力），壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)根據(jù)工況變化自動(dòng)協(xié)調(diào)并調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速和防喘振閥的開度，保持入口壓力穩(wěn)定。在實(shí)現(xiàn)智能化（自動(dòng)化）優(yōu)化運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組運(yùn)行效率的提高，即節(jié)能增效運(yùn)行。同時(shí)工藝操作人員可以自由地根據(jù)裝置先進(jìn)控制（APC）的要求，根據(jù)反應(yīng)溫度和反應(yīng)深度的要求，調(diào)整循環(huán)氫的流量，重整氫增壓機(jī)將自動(dòng)調(diào)整外輸氫氣量實(shí)現(xiàn)裝置的先進(jìn)控制。

3 項(xiàng)目實(shí)施與應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目規(guī)劃

在機(jī)組控制系統(tǒng)的應(yīng)用控制軟件的配置中，將原工藝專利商對(duì)于壓縮機(jī)機(jī)入口壓力（催化重整裝置高分罐壓力）控制與機(jī)組轉(zhuǎn)速和一段防喘振控制之間的固定分程控制改為動(dòng)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(jī)入口壓力）控制總量程中0~33%為壓縮機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)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(shí)全關(guān)，33%-60%之間由機(jī)組轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。在實(shí)際裝置中，由于壓縮機(jī)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(shí)現(xiàn)這種控制方式的，需要用戶采用手動(dòng)方式控制。這也是此類機(jī)組難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的主要原因。

解決方案是采用動(dòng)態(tài)分程的模式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

由于壓縮機(jī)組的轉(zhuǎn)速和防喘振閥的開度都會(huì)影響到壓縮機(jī)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(dāng)兩種控制動(dòng)作同時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互干擾，振蕩。因此在機(jī)組控制應(yīng)用軟件中必須采取協(xié)調(diào)控制，消除控制動(dòng)作之間的耦合作用。

在動(dòng)態(tài)分程模式下，機(jī)組控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測(cè)到的壓縮機(jī)喘振線設(shè)定安全的防喘振控制線，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)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(jī)的各個(gè)控制回路協(xié)調(diào)控制機(jī)組的主要工藝參數(shù)。在保證機(jī)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(shí)現(xiàn)入口壓力的自動(dòng)控制同時(shí)保持壓縮機(jī)的防喘振閥在該工況下的最小開度（或全關(guān)），實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行。在工藝氣體溫度較高（分子量較大）時(shí)，防喘振閥將在33%的“固定”分程點(diǎn)之前全部關(guān)閉；工藝氣體溫度較低（分析量較小）時(shí)，防喘振閥將在“固定”分程點(diǎn)右側(cè)才能關(guān)閉，以保證機(jī)組不發(fā)生喘振。

3.2 解決方案的實(shí)施

在裝置大修停車和大修后的開車期間實(shí)現(xiàn)改造和精調(diào)。從而使機(jī)組不同負(fù)荷下都能自動(dòng)滿足工藝操作對(duì)壓縮機(jī)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(shè)定點(diǎn)，機(jī)組控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和防喘振閥的開度（如果需要），實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人為干預(yù)的優(yōu)化運(yùn)行。

創(chuàng)新性地采用了新的壓縮機(jī)控制模型，并根據(jù)此模型完善了機(jī)組控制應(yīng)用軟件。

在大修機(jī)組停車前，康吉森工程師對(duì)機(jī)組進(jìn)行了喘振線驗(yàn)證，保證防喘振控制的控制基準(zhǔn)。重新計(jì)算了該壓縮機(jī)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(duì)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)儀表（變送器、防喘振閥和調(diào)速機(jī)構(gòu)）進(jìn)行了校準(zhǔn)和調(diào)校，以保證控制精度。

在機(jī)組開車以后根據(jù)工藝擾動(dòng)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(shí)的抗干擾能力，對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行精調(diào)。

優(yōu)化解決方案實(shí)施的難點(diǎn)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(shí)可以調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，有時(shí)甚至需要人為制造一些小的擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，以實(shí)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(shí)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(jī)的此項(xiàng)優(yōu)化解決方案在2017年10月正式實(shí)施以后，按規(guī)劃要求，機(jī)組可以根據(jù)工藝操作要求實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作，既保證安全又實(shí)現(xiàn)優(yōu)化高效運(yùn)行。得到了以下幾方面的效果：
投用了壓縮機(jī)入口壓力性能控制，穩(wěn)定了高分罐的壓力，工藝裝置運(yùn)行更加穩(wěn)定；

實(shí)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(jī)自動(dòng)控制；

在同等工況下壓縮機(jī)防喘振閥實(shí)現(xiàn)全關(guān)，使壓縮機(jī)始終工作在最佳性能區(qū)間；

實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，裝置高負(fù)荷工況下同比平均每小時(shí)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(jìn)料量下，產(chǎn)出更多的產(chǎn)品。

根據(jù)測(cè)算：根據(jù)標(biāo)定的原料性質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制（APC），通過降低循環(huán)氫的流量，適當(dāng)提高反應(yīng)溫度（按提高5oC計(jì)算）可提高4%的芳烴原料收率和1.2%的氫氣收率，而實(shí)際循環(huán)氫壓縮機(jī)和重整氫增壓機(jī)總體蒸汽耗量基本不變。在當(dāng)前石化產(chǎn)品利潤較高的市場(chǎng)環(huán)境下，增加收率所帶來的效益增加是十分可觀的。

此項(xiàng)成果對(duì)國內(nèi)大型和特大型催化重整裝置的壓縮機(jī)組智能化節(jié)能運(yùn)行有著標(biāo)志性的示范效應(yīng)。此解決方案具備大規(guī)模實(shí)際推廣的條件并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年7月刊