蘭曉升 王歲月
(1.山東高速海南發(fā)展有限公司;2.浙江美福石油化工有限責(zé)任公司)
三機(jī)組是催化裂化裝置的關(guān)鍵設(shè)備,其中軸流式壓縮機(jī)(以下稱為主風(fēng)機(jī))是三機(jī)組的核心設(shè)備,它負(fù)責(zé)提供催化裝置生產(chǎn)過程中再生器燒焦、 床層流化和維持再生器壓力所需的壓縮空氣;同時(shí)也通過再生器燒焦后的煙氣使煙氣輪機(jī)做功回收煙氣中的能量,減少三機(jī)組電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的功耗,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。 某石化企業(yè)1Mt/a重油催化制烯烴裝置三機(jī)組中的主風(fēng)機(jī)組,其防喘振現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)僅做到靜葉52°, 該靜葉角度無法滿足裝置工藝和生產(chǎn)的需要,且主風(fēng)機(jī)組在生產(chǎn)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)喘振的情況。 為防止喘振造成主風(fēng)機(jī)組設(shè)備受損,工藝上通常采用控制閥控制回流量放空大氣, 導(dǎo)致防喘振放空閥開度基本在30%以上,造成裝置能耗高、設(shè)備安全操作運(yùn)行可靠性差的現(xiàn)狀。
為使主風(fēng)機(jī)組防喘振控制功能滿足工藝和生產(chǎn)需要,用戶于2011 年12 月在全廠裝置開工前,按照陜西鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司提供的理論曲線進(jìn)行了防喘振現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 但由于受到三機(jī)組主電機(jī)額定功率負(fù)載能力的限制,主風(fēng)機(jī)防喘振現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)僅做到風(fēng)機(jī)靜葉52°。 全廠裝置開工投產(chǎn)后, 隨著重油催化裝置加工原料的不斷提量,氣溫升高對(duì)大氣密度的影響,以及生產(chǎn)過程中對(duì)再生器壓力要求的不斷提高,裝置對(duì)主風(fēng)機(jī)組送風(fēng)量的需求和出口壓力的要求也在不斷提高。
由于安全儀表系統(tǒng)/機(jī)組綜合控制系統(tǒng)(SIS/ITCC)控制點(diǎn)采用的是52°主風(fēng)機(jī)靜葉角度,使得排氣壓力控制點(diǎn)過低, 導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)能耗過高,裝置的生產(chǎn)負(fù)荷受到提量限制。 當(dāng)主風(fēng)機(jī)靜葉角度大于52°時(shí),工作點(diǎn)基本在防喘振曲線區(qū)間外,工藝無法根據(jù)防喘振曲線圖判斷主風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行在安全狀態(tài),這對(duì)于主風(fēng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行極其不利。 因此,為了解決裝置主風(fēng)量和壓力無法提升的問題,用戶決定在生產(chǎn)不停車過程中利用煙氣輪機(jī)做功,對(duì)主風(fēng)機(jī)防喘振(喘振線/防喘振線)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)靜葉62°的在線修改組態(tài)。
主風(fēng)機(jī)(202-C-101)為AV56-11 軸流式壓縮機(jī),與YL1000K 煙氣輪機(jī)、高速齒輪箱(雙斜齒、硬齒面和雙向扭矩) 和YFKS 900-4 三相異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)組成能量回收三機(jī)組,用于1Mt/a 重油催化制烯烴裝置(圖1)。
裝置運(yùn)行參數(shù)如下:
入口壓力 0.099 6MPa(A)
入口溫度 15.8℃
出口壓力 0.360 0MPa(A)
出口流量 2 797Nm3/min
圖1 重油催化制烯烴裝置三機(jī)組示意圖
工作轉(zhuǎn)速 5 800r/min
軸功率 8 057kW
介質(zhì) 空氣
級(jí)數(shù) 11 級(jí)
靜葉可調(diào)級(jí)數(shù) 11 級(jí)
靜葉調(diào)節(jié)方式 SIPOS 5 電動(dòng)執(zhí)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
靜葉工作角度 22~79°
啟動(dòng)時(shí)靜葉角度 22°
重油催化制烯烴裝置SIS/ITCC 系統(tǒng)采用的是ICS TRUSTED 控制系統(tǒng),具有三重化冗余結(jié)構(gòu)(TMR)和冗錯(cuò)能力,主風(fēng)機(jī)防喘振聯(lián)鎖IO 點(diǎn)表如圖2 所示。
圖2 主風(fēng)機(jī)防喘振聯(lián)鎖IO 點(diǎn)表
2011 年11 月19 日,用戶與SIS/ITCC 系統(tǒng)廠家共同進(jìn)行了主風(fēng)機(jī)組在4 個(gè)靜葉角度(32、42、52、62°) 下的現(xiàn)場(chǎng)喘振性能試驗(yàn), 主風(fēng)機(jī)分別在32、42、52°靜葉角度時(shí)發(fā)生了喘振現(xiàn)象。當(dāng)主風(fēng)機(jī)靜葉角度52°時(shí),排氣表壓已達(dá)0.300 7MPa;在靜葉角度62°、排氣表壓0.219 0MPa 時(shí),由于三機(jī)組主電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)能力不夠,試驗(yàn)被迫終止。 為保證主風(fēng)機(jī)的安全生產(chǎn)運(yùn)行,SIS/ITCC 系統(tǒng)在進(jìn)行防喘振曲線組態(tài)時(shí), 只能使62°的防喘振曲線引用52°時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)。
2012 年7 月18 日防喘振線修改前, 該主風(fēng)機(jī)靜葉角度為52°,三機(jī)組運(yùn)行工況HMI 界面、主風(fēng)機(jī)防喘振控制界面分別如圖3、4 所示。
防喘振線組態(tài)在修改以前, 防喘振線到靜葉52°以后就沒有了。喘振點(diǎn)與控制點(diǎn)之間的設(shè)定基本裕度為5%(圖4), 而靜葉角度52°的風(fēng)量無法滿足生產(chǎn)需要。 當(dāng)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)整提量時(shí),隨著靜葉角度的增大,主風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)逐漸進(jìn)入盲區(qū)。為了保證主風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)不進(jìn)入防喘振區(qū),就必須盡可能提高喉部壓差,以保證工作點(diǎn)在防喘振點(diǎn)下方的安全區(qū)域內(nèi)。 提高喉部壓差的方法只有增大靜葉角度,以保證足夠大的入口流量,而為了使工作點(diǎn)在防喘振安全區(qū)域內(nèi),多余的主風(fēng)只能被迫放空(小放空閥的開度達(dá)到30%以上)。 即使在這樣的情況下,工作點(diǎn)距離防喘振點(diǎn)也僅為有限的5kPa,操作難度和安全風(fēng)險(xiǎn)都較大。 生產(chǎn)運(yùn)行過程中曾多次出現(xiàn)午后氣溫最高時(shí),因空氣密度變小、喉部壓差降低而導(dǎo)致的工作點(diǎn)小幅度越過防喘振線、放空閥自動(dòng)開大的情況。
圖3 修改前三機(jī)組運(yùn)行工況HMI 界面
圖4 修改前主風(fēng)機(jī)防喘振控制界面
主風(fēng)機(jī)防喘振(喘振點(diǎn)/控制點(diǎn))控制算法是通過溫壓補(bǔ)償后的喉部壓差值經(jīng)過折線運(yùn)算得出出口壓力并作為PID 控制的設(shè)定值SP,來控制測(cè)量值出口壓力PV。 防喘振控制偏差e=PV-SP即為出口壓力的控制偏差,當(dāng)壓力升高碰到防喘振線時(shí),防喘振閥便開始調(diào)節(jié)。 主風(fēng)機(jī)最大的特點(diǎn)是入口處為大氣,防喘振控制閥控制回流量放空至大氣。 防喘振線的作用是防止機(jī)組喘振,并防止壓縮機(jī)壓力過高造成設(shè)備損壞。
防喘振線組態(tài)在修改前,用戶多次進(jìn)行仿真運(yùn)行試驗(yàn),確認(rèn)在線修改喘振曲線參數(shù)不存在安全問題。2012 年8 月22 日,儀表和催化車間按照相關(guān)管理規(guī)定,辦理了SIS 系統(tǒng)特級(jí)作業(yè)票。在相同風(fēng)量和出口壓力的前提下,切除了喉部壓差聯(lián)鎖, 為防止主風(fēng)機(jī)防喘振閥動(dòng)作, 將防喘振控制由半自動(dòng)切換為手動(dòng)控制。 主風(fēng)機(jī)組持續(xù)喘振3s 或者20s 內(nèi)喘振3 次,都會(huì)引起安全運(yùn)行信號(hào)動(dòng)作, 從而引起裝置聯(lián)鎖閥門動(dòng)作, 所以在輸入排氣壓力和喉部壓差時(shí), 先輸入72°下的排氣壓力K202_AIR_YL06_1、 喉部壓差r202_AIR_AS_XL106_1,再輸入62°下的排氣壓力 K202_AIR_YL05_1、 喉 部 壓 差r202_AIR_AS_XL105_1。在線修改參數(shù)并更新應(yīng)用程序后, 機(jī)組各參數(shù)運(yùn)行正常。 修改前后的排氣壓力和喉部壓差見表1, 組態(tài)邏輯如圖5所示。
表1 喘振曲線修改前后的參數(shù)值 kPa
圖5 在線修改防喘振線組態(tài)邏輯
2012 年8 月22 日,防喘振線控制組態(tài)(圖6)在線修改成功,該主風(fēng)機(jī)靜葉角度達(dá)到62°,且三機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。 修改后的三機(jī)組運(yùn)行工況HMI界面、主風(fēng)機(jī)防喘振控制界面分別如圖7、8 所示。
圖6 主風(fēng)機(jī)防喘振裕度控制組態(tài)
圖7 修改后三機(jī)組運(yùn)行工況HMI 界面
圖8 修改后主風(fēng)機(jī)防喘振控制界面
主風(fēng)機(jī)平衡工況參數(shù)如下:
出口壓力 240kPa
主風(fēng)量 2 250Nm3/min
再生器壓力 193~195kPa
雙動(dòng)滑閥開度 1%~2%
三機(jī)組工況參數(shù)對(duì)比見表2。
表2 三機(jī)組工況參數(shù)對(duì)比
軸流式壓縮機(jī)采用了壓力防喘振控制方法,通過防喘振線組態(tài)的成功在線修改,其主要功能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo), 滿足了工藝及生產(chǎn)的需要,具體表現(xiàn)在3 個(gè)方面:
a. 重油催化制烯烴裝置生產(chǎn)更加穩(wěn)定、安全, 為全廠各裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。主風(fēng)機(jī)可調(diào)靜葉角度達(dá)到62°, 使得主風(fēng)機(jī)在4個(gè)靜葉角度(32、42、52、62°)下都有了對(duì)應(yīng)的防喘振值,操作依據(jù)更加直觀準(zhǔn)確,為主風(fēng)機(jī)組的安全運(yùn)行提供了保障,機(jī)組運(yùn)行更為可靠。
b. 提升了主風(fēng)流量和出口壓力,打破了原制約裝置提升主風(fēng)量和壓力的瓶頸,裝置生產(chǎn)調(diào)整及提量的空間增大,操作更加安全穩(wěn)定靈活。
c. 主風(fēng)機(jī)運(yùn)行中在相同的主風(fēng)流量和出口壓力下,可調(diào)靜葉角度對(duì)比修改防喘振線組態(tài)前減小了4°, 三機(jī)組的10kV 高壓電機(jī)運(yùn)行電流大幅下降,節(jié)能降耗效果明顯。