孫偉

摘 要：無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)實際應(yīng)用的關(guān)鍵，在于它與過程控制的有機結(jié)合。文章敘述無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)再接觸部分的應(yīng)用，著重介紹再接觸控制過程、無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計，以及通過DCS組態(tài)在壓縮機K202A上實現(xiàn)無級氣量調(diào)節(jié)控制。

關(guān)鍵詞：超弛控制；負荷；分程點

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0101-03

1 概述

連續(xù)重整裝置是煉油系統(tǒng)二次加工的關(guān)鍵裝置，是清潔、高辛烷值汽油調(diào)和的重要組份，同時也是煉油加氫裝置氫氣的主要來源。增壓機作為連續(xù)重整的關(guān)鍵設(shè)備，其平穩(wěn)運行對煉油系統(tǒng)氫氣管網(wǎng)壓力的平衡至關(guān)重要。

該裝置連續(xù)重整工藝再接觸部分采用美國UOP公司第二代連續(xù)重整工藝技術(shù)，它的基本控制要求是：在保證重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的前提下向加氫裝置提供氫氣。其中三臺增壓機選用往復(fù)式壓縮機。原機組采用兩段式壓縮三返一回流控制，既級間回流調(diào)節(jié)。其壓縮機負荷采用0%、25%、50%、75%、100%手動梯級控制。這種方式調(diào)節(jié)速度慢，系統(tǒng)壓力波動大，耗費大量能源，且無法實現(xiàn)根據(jù)實際工況連續(xù)自動加載、降載，不能避免開機時快速升壓和大比例回流等干擾因素對機組及系統(tǒng)壓力的沖擊，影響壓縮機機組和系統(tǒng)流程的穩(wěn)定。

2 超馳控制原理

重整再接觸部分采用美國UOP公司工藝技術(shù)，而重整產(chǎn)物分離罐壓力的恒定是整個重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力恒定的標志。其控制過程較為復(fù)雜，采用分程+超馳控制，其目的是保證重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。它是通過氫氣增壓機K202A、B、C及控制重整再接觸部分的三個容器：重整產(chǎn)物分離器D201、1號再接觸罐D(zhuǎn)202（操作壓力0.75MPa）和2號再接觸罐D(zhuǎn)203（操作壓力1.98MPa）的壓力來實現(xiàn)的。在保證反應(yīng)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的前提下，使物料與氫氣接觸，并根據(jù)氫氣管網(wǎng)的需求量平穩(wěn)的供氫。

2.1 超馳控制過程

在工藝正常工況下：由于壓縮機的排量大于重整反應(yīng)產(chǎn)氫量，因此PV2016C為關(guān)閉狀態(tài)。整個系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)，首先是在重整產(chǎn)物分離罐D(zhuǎn)201至2#再接觸罐D(zhuǎn)203之間，通過調(diào)節(jié)后一級高壓氫氣返回線調(diào)節(jié)閥，內(nèi)部互相調(diào)節(jié)和補償以維持系統(tǒng)壓力的平衡。工藝氫氣流則是由前向后逐級輸送，通過D204壓力，控制調(diào)節(jié)閥PV2042的開度向氫氣管網(wǎng)供氫。當系統(tǒng)壓力異常超高，調(diào)節(jié)閥PV2042的開度已全開仍不能穩(wěn)定系統(tǒng)壓力時，工藝氫氣流將按以下壓力關(guān)聯(lián)回路逐級逆向排放。

PIC2042壓力異常超高，調(diào)節(jié)器輸出低信號至低信號選擇器PY2038B，增加PV2038開度，直至全開。

PIC2038壓力異常超高，調(diào)節(jié)器輸出低信號至低信號選擇器PY2016B，增加PV2016A開度，直至全開。

PIC2016壓力異常超高，打開PV2016C至一定開度。

再接觸部分的超馳控制原理圖如圖1所示。

2.2 DCS控制組態(tài)的設(shè)計實現(xiàn)

正常工況下，調(diào)節(jié)器PIC2016、PIC2038和PIC2042的輸出經(jīng)過低信號選擇器PY2016B和PY2038B選擇后，壓縮機一段回流閥PV2016A及二段回流閥PV2038分別由調(diào)節(jié)器PIC2016及PIC2038控制。根據(jù)管網(wǎng)氫氣的需求量，由調(diào)節(jié)器PIC2042控制調(diào)節(jié)閥PV2042向管網(wǎng)提供氫氣。其控制方案中的主要干擾因素是管網(wǎng)氫氣需求量的變小或重整產(chǎn)氫量的增大。

當管網(wǎng)氫氣需求量的急劇減?。簩?dǎo)致2號再接觸罐D(zhuǎn)203的壓力增大且超出“安全軟限”既超壓，調(diào)節(jié)器PIC2042的輸出逐漸增大，大于50%并且與正常工況下的PIC2038的輸出比較，最終經(jīng)過PY2042C反向后被低信號選擇器PY2038B選擇，去控制調(diào)節(jié)閥PV2038，即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內(nèi)。待D203壓力恢復(fù)到“安全軟限”內(nèi)，超弛控制自動退出并將控制權(quán)交給調(diào)節(jié)器PIC2038常規(guī)控制。

如果由于二段回流閥PV2038的打開繼續(xù)使1號再接觸罐D(zhuǎn)202的壓力升高且超出“安全軟限”既超壓，調(diào)節(jié)器PIC2038的輸出逐漸增大，大于50%并且與正常工況下的PIC2016的輸出比較，最終經(jīng)過PY2038D反向后被低信號選擇器PY2016B選擇，去控制調(diào)節(jié)閥PV2016A，即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內(nèi)。待D202壓力恢復(fù)到“安全軟限”內(nèi)，超弛控制自動退出并將控制權(quán)交給調(diào)節(jié)器PIC2016常規(guī)控制。如果由于一段回流閥PV2016A的打開繼續(xù)使重整產(chǎn)物分離器D201的壓力升高且調(diào)節(jié)器PIC2016的輸出大于50%，此時由放空閥PV2016C逐漸放空。

當重整產(chǎn)氫量增加，壓縮機負荷不足：導(dǎo)致重整產(chǎn)物分離器D201壓力增大，使調(diào)節(jié)器PIC2016輸出大于50%由放空閥PV2016C逐漸放空，而在50%以下則與調(diào)節(jié)器PIC2038的超弛控制部分PY2038D進行低選作為判斷是否由超弛控制的依據(jù)，去控制一段回流閥PV2016A。由于壓縮機的壓縮比固定，導(dǎo)致1號再接觸罐D(zhuǎn)202的壓力升高，調(diào)節(jié)器PIC2038的輸出增大，使其輸出大于50%且與PIC2016的分程部分PY2016E進行低信號選擇以決定是否由超弛控制D202的壓力。如果經(jīng)過壓縮機二段的壓縮繼續(xù)使D203的壓力增加則與D202的控制方式相同。

總之，當整個反應(yīng)系統(tǒng)壓力高時，PV2016C打開部分氫氣放空，而當整個反應(yīng)系統(tǒng)壓力低時，關(guān)小或關(guān)閉PV2042，減小或不向外送氫氣。而再接觸部分內(nèi)部則是依靠調(diào)節(jié)壓縮機的回流量來控制級間壓力的。這對于壓縮機來說等于白白浪費電能，且壓力不易控制，操作難度大。

3 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 無極氣量調(diào)節(jié)的基本原理

它的主要工作原理是運用了“回流省功”原理，由無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)實時處理壓縮機運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將信號反饋至執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)電子模塊，通過液壓執(zhí)行機構(gòu)來即時控制往復(fù)式壓縮機進氣閥的開啟與關(guān)閉時間，實現(xiàn)壓縮機排氣量0-100%全行程范圍無級調(diào)節(jié)。通過進氣閥的延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進氣總管，壓縮循環(huán)中只壓縮了需要壓縮的氣量。該系統(tǒng)在最大限度節(jié)省能源的同時，還擁有較高的控制動態(tài)特性。根據(jù)不同的控制要求和設(shè)計，可精確控制各級的狀態(tài)參數(shù)，如壓力、流量、溫度等。

3.2 無級調(diào)量系統(tǒng)控制介入點的選擇

反應(yīng)系統(tǒng)壓力和再接觸部分壓力的穩(wěn)定與平衡最終是靠調(diào)節(jié)壓縮機一、二段回流閥的回流量實現(xiàn)的，兩個回流閥均為氣關(guān)閥。如果低信號選擇器的輸出增大則回流量減小，也就是說，需要增加壓縮機的負荷。反之，如果低信號選擇器的輸出減小則回流量增大，也就是說，需要減小壓縮機的負荷。回流量可以真實體現(xiàn)壓縮機在此工況下所需實際負荷。因此，選擇兩個低信號選擇器PY2016B和PY2038B的輸出分別作為無級氣量調(diào)節(jié)控制的介入點，無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)通過即時調(diào)節(jié)壓縮機一、二段負荷來穩(wěn)定一、二級的總?cè)肟趬毫Α?/p>

3.3 系統(tǒng)設(shè)計方案

K202A作為常開機組，設(shè)計使用無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)0～100%的無級調(diào)節(jié)。另外兩臺機組互為備機，100%滿負荷運行。無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的主控變量為K202機組的一級總?cè)肟趬毫?，控制壓力取樣自D201分離罐，輔控變量為二級總?cè)肟趬毫?，控制壓力取樣自D202接觸罐。主控變量通過分程+超馳控制影響輔控變量。無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的超馳控制系統(tǒng)互不干涉，在工藝系統(tǒng)波動超過無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍時，超馳控制系統(tǒng)與無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)配合一起穩(wěn)定各級壓力。

根據(jù)工藝要求，原超馳控制與無極氣量調(diào)節(jié)控制應(yīng)互不干擾和藕合，它們共同完成控制任務(wù)。在工藝需要時，可以在原超弛控制和無極氣量調(diào)節(jié)控制之間切換。所謂超弛控制是指通過無極氣量調(diào)節(jié)控制手動控制壓縮機負荷，由回流閥控制壓力。所謂無極氣量調(diào)節(jié)控制是指回流閥全關(guān)，無極氣量調(diào)節(jié)控制依據(jù)實際工況自動調(diào)節(jié)壓縮機負荷來控制壓力。

經(jīng)過計算，如果壓縮機負荷長期工作在30%以下將會使進氣溫度升高，因而導(dǎo)致進氣閥和排氣溫度升高。無極氣量調(diào)節(jié)控制建議溫升不應(yīng)超過10℃。因此，壓縮機負荷取30%做為超弛控制和無極氣量調(diào)節(jié)控制的分界點，如圖2所示。負荷在0～30%由原超馳控制，對應(yīng)回流閥0～100%的關(guān)度，此時無極氣量調(diào)節(jié)控制的負荷固定在30%。負荷在30～100%由無極氣量調(diào)節(jié)控制，此時回流閥為全關(guān)。完全利用其“回流省功”原理，根據(jù)實際工況（低信號選擇器的輸出）實時調(diào)節(jié)壓縮機負荷，以達到控制再接觸罐及系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

超弛控制和無極氣量調(diào)節(jié)控制之間的切換，既手動模式和自動模式之間的切換，可以簡化為分程控制分程點在30%（無極氣量調(diào)節(jié)控制）～100%（超弛控制）的移動過程。為了減少在切換過程中對系統(tǒng)壓力的擾動，分程點是以2%/秒的速率移動。另外，在手動模式切換至自動模式時，應(yīng)先手動調(diào)節(jié)壓縮機負荷，使其與低信號選擇器的輸出基本一致時再切換至自動模式，在控制方案中考慮到無極氣量調(diào)節(jié)控制自身（HU、CIU）故障發(fā)生時，無極氣量調(diào)節(jié)控制從控制系統(tǒng)中自動退出，并把控制權(quán)交給原超弛控制。

控制方案在DCS操作站表示的手動模式是指：分程點移至100%，壓縮機負荷被置為100%，原超弛控制信號（低選器的輸出）直接控制回流閥，操作員可在0～100%之間手動調(diào)節(jié)壓縮機負荷。

控制方案在DCS操作站表示的自動模式是指：分程點移至30%，如果低信號選擇器的輸出在30～100%范圍內(nèi)，回流閥全關(guān)，壓縮機跟據(jù)低信號選擇器的輸出自動調(diào)節(jié)負荷（最佳控制模式）；如果低信號選擇器的輸出在0～30%范圍內(nèi)，壓縮機負荷被固定置為30%，回流閥閥位對應(yīng)0～100%的關(guān)度?？刂葡到y(tǒng)手、自動模式切換如圖3所示。

4 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 系統(tǒng)控制功能要求

實現(xiàn)K202A壓縮機在0～100%負荷內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)和30～100%負荷內(nèi)自動調(diào)節(jié)且長期穩(wěn)定運行。

對壓縮機K202A/B/C一、二級總?cè)肟趬毫投壙偝隹趬毫M行自動控制，僅需輸入要求的壓力值，控制系統(tǒng)便自動跟蹤并快速穩(wěn)定其壓力。

當無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自身故障時可自動切除，壓縮機進入100%負荷運行，原超馳控制系統(tǒng)完全接手控制任務(wù)（與未上無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)之前的狀態(tài)完全一樣）。

能夠?qū)崿F(xiàn)K202A壓縮機的平穩(wěn)啟動、加載、切機、停機和重新投用。

根據(jù)工藝需要可實現(xiàn)無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的手動切除，K202A壓縮機平穩(wěn)恢復(fù)到原超馳控制狀態(tài)。

實現(xiàn)無極氣量調(diào)節(jié)控制液壓油站HU和中間接口單元CIU故障聯(lián)鎖邏輯控制。

4.2 控制功能的實現(xiàn)

無極氣量調(diào)節(jié)控制本身不承擔(dān)任何控制任務(wù)。它本質(zhì)上是一個接受4～20mA標準電流信號的調(diào)節(jié)閥，可直接用裝置現(xiàn)有的DCS進行控制。實現(xiàn)控制功能的整體控制方案由DCS組態(tài)完成。壓縮機一、二段控制方案相同，以下主要介紹一段控制方案的實現(xiàn)。

由于控制方案較為復(fù)雜，因此采用DCS內(nèi)部多個計算模塊CLAC組合編程。圖4為控制系統(tǒng)DCS模塊組織結(jié)構(gòu)示意圖，其中虛線部分為原有模塊，細實線為模塊內(nèi)部控制信號，粗實線為連續(xù)量控制信號。

PY2016GA是主控模塊，其作用如下：

根據(jù)操作員操作手動模式、自動模式實現(xiàn)分程點以2%/秒的速率在30～100%之間的移動。

判斷無極氣量調(diào)節(jié)控制聯(lián)鎖邏輯K202ALS輸出狀態(tài)，置位分程點：當狀態(tài)為1（正常）時，分程點不變化；當狀態(tài)為0（故障）時，置分程點為100%。

當分程點在移動過程中無極氣量調(diào)節(jié)控制發(fā)生故障聯(lián)鎖時，置分程點為100%，并將移動標志復(fù)位。

輸出實時分程點。

PY2016GB是隨動模塊，其作用一是根據(jù)PY2016GA輸出的實時分程點，判斷低信號選擇器PY2016B的輸出值。當控制系統(tǒng)為自動模式（分程點為30%）時，如果低信號選擇器PY2016B的輸出值為0～30%，PY2016GB將控制權(quán)交給回流閥PV2016A，通過運算對應(yīng)0～100%的關(guān)度，并將壓縮機負荷置為30%；如果低信號選擇器PY2016B的輸出值為30～100%，回流閥PV2016A全關(guān)，低信號選擇器PY2016B的輸出通過開關(guān)模塊PY2016SWCH直接送至下游模塊UIC1701A作線性化處理后去控制壓縮機負荷，這是無極氣量調(diào)節(jié)控制控制的最佳模式（系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)定并節(jié)省大量電能）。二是在分程點移動過程中，PY2016GB根據(jù)分程點的實時位置與低信號選擇器PY2016B的輸出進行比較、判斷和跟隨計算，并將結(jié)果送給回流閥和無極氣量調(diào)節(jié)控制。

PY2016MA為控制系統(tǒng)手、自動模式切換模塊。PY2016GE為控制系統(tǒng)在手動模式時，壓縮機負荷0～100%的手動輸入模塊，它的工作方式（手動和自動）由主控模塊PY2016GA控制；當PY2016MA為自動模式時，PY2016GE也為自動方式，其輸入跟蹤PY2016GB至無極氣量調(diào)節(jié)控制的輸出值，并輸出至PY2016SWCH的第二個輸入端，等待控制系統(tǒng)切換至手動模式時實現(xiàn)無擾動；當PY2016MA為手動模式時，PY2016GE為手動方式，操作員可在0～100%范圍內(nèi)手動輸入壓縮機負荷。PY2016SWCH可簡化為“單刀雙擲”開關(guān)，動作由PY2016GA控制。

K202ALS1、2、3使用計算模塊（CLAC）編程，其功能實現(xiàn)壓縮機啟動邏輯、聯(lián)鎖邏輯和時序控制。首先液壓油站HU啟動，待油壓建立后啟動主電機，延時20秒待轉(zhuǎn)速正常后，等待手動輸入壓縮機負荷值大于0%時，中間接口單元CIU ENABLE。此時，壓縮機負荷在0～30%范圍內(nèi)經(jīng)過線性器UIC1701A后均被置為40%的實際負荷。

此外，液壓油壓力低、HU和CIU故障等信號均參與聯(lián)鎖控制。有如下4種狀態(tài)：

（1）主電機運行、油站停，壓縮機負荷為100%；（2）主電機停，壓縮機負荷0%；（3）主電機運行、油站運行，但CIU為DISABLE狀態(tài)，壓縮機負荷0%；（4）主電機運行、油站運行，CIU為ENABLE狀態(tài)，為控制系統(tǒng)控制壓縮機負荷0～100%，這是無極氣量調(diào)節(jié)控制的正常運行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投用極大地改善了壓縮機的可操作性，滿足復(fù)雜多變的工藝需求外，還能最大限度地節(jié)省能量。有效地降低了壓縮機機組級間冷卻器的負荷，也是現(xiàn)有超弛控制系統(tǒng)的有益補充。對同類裝置的應(yīng)用具有一定的參考意義。

參考文獻：

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