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案例頻道 摘要：以鎮海煉化延遲焦化裝置為背景，通過對延遲焦化裝置中焦炭塔的給水冷焦操作分析，設計了延遲焦化裝置給水操作的先進控制系統。工業實際應用表明：先進控制系統投運后，縮短了給水冷焦時間，降低操作強度，并明顯改善給水操作的平穩性、提高過程控制精度。
關鍵詞：延遲焦化；自動給水冷焦；先進控制
1 前言
延遲焦化裝置廣泛用于重質渣油的加工，作為一種間歇式反應的熱裂化工藝，焦化裝置中加熱爐及焦炭塔構成了焦化反應的核心。焦炭塔的周期性操作包括試壓預熱、反應生焦、蒸汽冷焦、給水冷焦、水力除焦等操作步驟。給水冷焦操作的關鍵是給水流量的控制。給水流量的上限約束是進給水受熱汽化后的蒸汽壓，該蒸汽壓不能超過塔頂的許可操作壓力，否則塔體應力會超出安全范圍； 給水流量的下限約束是進給水經過炙熱的焦炭層到達塔壁時其水溫應能達到規定的汽化溫度，否則大量的焦炭熱量就會在進給水到達塔壁前被汽化蒸汽從塔頂帶走。因此給水冷焦操作的約束較為苛刻，現有的給水冷焦操作由人工完成，導致給水冷焦操作的強度大，精度低。
本文采用先進控制策略，在滿足給水冷焦操作約束的前提下，縮短給水冷焦時間、降低操作強度，取得了明顯的效果。
2 常規控制分析
延遲焦化裝置原有的給水冷焦人工操作存在著以下問題：
（1）大多數操作人員在給水操作時，往往會對給水量進行大幅度調節，這樣不僅影響到給水泵的長周期運行，而且會引起焦碳塔的晃動。
（2）在當前國內延遲焦化裝置普遍縮短生焦周期等背景下，能否在焦炭塔切換過程中及時完成給水操作，直接影響到整個生焦周期按時完成與否。如果給水不及時，冷焦過程的節點不能按時完成，就失去了縮短生焦周期的意義。
（3）操作人員需要花大量的時間（16小時左右）在給水操作上，嚴重影響到對裝置平穩性和產品產、質量的關注，常常顧此失彼。
3 給水冷焦過程先進控制策略
焦炭塔給水冷焦先進控制策略包括了程序、手動兩種模式。兩種模式可以無擾動切換，當由“程序”改“手動”時，給水控制閥的閥位不變。具體實施步驟如下：
（1）選塔。選擇將要進行給水冷焦操作的焦炭塔。
（2）通過塔底溫度判斷選擇是否正確。如果選擇的焦炭塔塔底溫度小于60℃，選擇正確，繼續執行；否則提示出錯，重新進行選塔操作。
（3）根據給水冷焦塔的焦炭塔塔頂壓力，進行給水冷焦操作。用計時器，根據塔頂壓力所處的區間，定時逐步增加給水流量，完成自動給水過程。壓力區間與對應的流量增加值，及流量增加后應保持的時間如表1所示。
其中，壓力變化趨勢判斷優先于時間的判斷。當10分鐘的壓差大于0.05MPa，給水控制閥的設定值流量下降10 t/h，當10分鐘壓差小于0.05MPa，則給水控制閥不作任何調整。
（1）在投用期間，可以修改給水流量的設定值，自動給水操作，會參照修改后的設定值執行。
（2）當給水流量大于180t/h后，直接設定給水流量的設定值為250t/h。程序終止。
（3）當給水塔的第三點中子料位計大于60%，提示“應該采取溢流操作”。
（ 4 ） 當出現如下異常情況時， 會自動終止給水程序的執行：
①程序設定壓力保護限值。當壓力高于0.23MP，給水流量回路由自動模式變為手動模式，給水流量回路閥位開度變為10%，并提示操作人員根據實際情況對給水操作進行后續處理。
②在給水困難時，如給水流量小于20t/h，給水流量回路切回“手動”模式，保持原有閥位，并提示操作人員待過程平穩后重新運行給水操作程序。
4 給水冷焦操作先進控制系統的實施
焦炭塔給水冷焦先進控制系統在DCS平臺中實施，具體操作畫面如表2所示。
投用方法：在“自動給水控制”畫面中，先在對應的焦炭塔一欄雙擊“選塔”，再點擊表格上方“投用”按鈕（每次投用必須按次序點擊二個按鈕）。程序執行后，“選塔”由綠色變為紅色。如果選塔錯誤，出現報警，“選塔”字體顏色不變。重新選塔。
停止方法：在相應的焦炭塔一欄雙擊“切出”按鈕，終止程序的執行。
5 應用效果
取原料性質相近，焦炭塔焦高接近的人工控制2010年6月29日（18:37~23:37）給水操作與先進控制2010年7月11日（18:33~23:37）給水操作進行先進控制應用效果的對比。
圖1 給水流量的對比
（1）給水流量的變化HHH人工控制與先進控制下給水流量的變化如圖1所示。圖中，人工控制給水操作，冷焦水流量明顯的分為30t/h、50t/h、30t/h和200t/h四個臺階。流量之間階躍變化大。先進控制給水操作給水流量變化連續，水量迅速增加到200t/h的大流量，進行泡焦式冷焦。
（2）對焦炭塔溫度變化的影響
圖2~圖4分別給出了給水操作人工控制與先進控制下焦炭塔16米、20米和24米等各點溫度變化情況。焦炭塔各點溫度在人工控制給水操作下，接近階躍式的變化。在某個時間點，溫度幾乎是直線下降，而先進控制給水操作下，焦炭層和泡沫層基本上勻速下降。在油氣層（在冷焦狀態下為空塔）先勻速下降，當水到達熱電偶位置時，出現一個階躍式下降。溫度均勻變化，更有利防止焦炭塔糖葫蘆式變形，有助于焦炭塔的長周期安全生產。
6 結論
人工控制焦炭塔給水閥門對焦炭進行冷卻，雖然作業環節簡單，但是步驟繁瑣，操作頻繁，給水量控制不好，容易造成焦炭塔超壓，影響安全生產。為此，操作人員在給水冷焦作業上花費的時間和精力較多。據測算，一天24小時內，操作人員花費在給水冷焦作業的時間總共達到了16小時。
將給水冷焦作業實現先進控制操作，平穩裝置運行，收效良好。具體體現在以下幾個方面：
圖2 焦炭塔16米溫度變化
圖3 焦炭塔20米溫度變化
圖4 焦炭塔24米溫度變化
（1）實現平穩給水。程序每隔10分鐘判斷一次冷焦塔頂壓力，并根據壓力情況按照一定的速度提升給水流量，避免給水量的大幅波動。
（2）促進工況優化。與原先人工給水模式下的工況相比，焦炭塔冷焦時壓力下降50％以上，焦炭塔溫度的變化從階躍式下降變為勻速下降，有助于焦炭塔的長周期安全生產。
（3）提高焦炭塔安穩長運行水平。程序設置了焦炭塔壓力高保護、給水流量低報警和保護等各種自動安全保護，有利于突發情況的處理。
（4）取代了人工給水操作。節約16工時/天作業量，加強操作人員對整個裝置系統的精細調節力度，提高了生產效率。
參考文獻
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傅鋼強（1977-）
浙江磐安人，碩士，畢業于華東理工大學化學工程專業。1999年7月至今在中國石化鎮海煉化分公司工作，歷任操作工、工藝員、工藝技術主辦，現任煉油二部副總工程師、安全副總監。主要從事延遲焦化裝置技術管理工作。
摘自《自動化博覽》2012年第一期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號