本項催化重整氫增壓縮機組先進(jìn)控制解決方案，實(shí)現了壓縮機組的全自動(dòng)智能優(yōu)化運行，配合該裝置工藝過(guò)程先進(jìn)控制（APC），根據先進(jìn)控制的參數自動(dòng)對壓縮機組工藝參數進(jìn)行調整，效益提高顯著(zhù)。除降低壓縮機組的運行成本(能耗)和操作成本（實(shí)現全自動(dòng)運行）外，通過(guò)對循環(huán)氫壓縮機和重整氫增壓機實(shí)現優(yōu)化協(xié)調運行，提高了產(chǎn)品（芳烴產(chǎn)物和副產(chǎn)氫氣）的收率，真正實(shí)現節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(dòng)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(guò)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(guò)催化重整反應，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(lái)聚酯類(lèi)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。據統計，國內近年建成100萬(wàn)噸/年及以上的催化重整裝置超過(guò)20余套，目前單套最大產(chǎn)能已達320萬(wàn)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(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(shí)現循環(huán)，保證催化重整反應的連續進(jìn)行，同時(shí)帶走反應器中的熱量，對反應深度進(jìn)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外用戶(hù)。

為保持催化重整裝置運行的穩定，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）驅動(dòng)的離心式壓縮機。裝置產(chǎn)出的富氫氣體是隨著(zhù)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(shí)，壓縮機需要在最低工作轉速下工作，壓縮機入口壓力需要由壓縮機的回流閥（防喘振閥）實(shí)現控制；而當外輸氫氣受阻時(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(shí)施控制。

長(cháng)期以來(lái)，在壓縮機控制系統軟件配置和現場(chǎng)調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)現自動(dòng)控制，全國大多數催化重整裝置中重整氫增壓機的操作基本依賴(lài)操作人員的手動(dòng)調節，操作強度大，壓縮機組運行中有較多的能耗浪費。同時(shí)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(guò)完善壓縮機控制應用軟件的配置和現場(chǎng)精調，實(shí)現重整增壓機組在各種工況下的全自動(dòng)運行。裝置工藝操作人員只需根據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），壓縮機組控制系統根據工況變化自動(dòng)協(xié)調并調整機組轉速和防喘振閥的開(kāi)度，保持入口壓力穩定。在實(shí)現智能化（自動(dòng)化）優(yōu)化運行的同時(shí)，實(shí)現壓縮機組運行效率的提高，即節能增效運行。同時(shí)工藝操作人員可以自由地根據裝置先進(jìn)控制（APC）的要求，根據反應溫度和反應深度的要求，調整循環(huán)氫的流量，重整氫增壓機將自動(dòng)調整外輸氫氣量實(shí)現裝置的先進(jìn)控制。

3 項目實(shí)施與應用

3.1 項目規劃

在機組控制系統的應用控制軟件的配置中，將原工藝專(zhuān)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(zhuān)利商原來(lái)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速，由一段防喘振閥（1-2，代表0~100%防喘振閥的開(kāi)度）控制入口壓力；33%~60%（4-3）由機組轉速控制（最小工作轉速至最大工作轉速）；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(shí)全關(guān)，33%-60%之間由機組轉速實(shí)現調節。在實(shí)際裝置中，由于壓縮機選型和工藝參數變化的原因，固定分程控制幾乎是不可能實(shí)現這種控制方式的，需要用戶(hù)采用手動(dòng)方式控制。這也是此類(lèi)機組難于實(shí)現自動(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)現優(yōu)化控制。

由于壓縮機組的轉速和防喘振閥的開(kāi)度都會(huì )影響到壓縮機入口壓力：

轉速升高，入口壓力降低

轉速降低，入口壓力升高

防喘振閥開(kāi)度增加，入口升高

防喘振閥開(kāi)度減小，入口壓力下降。

當兩種控制動(dòng)作同時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì )產(chǎn)生相互干擾，振蕩。因此在機組控制應用軟件中必須采取協(xié)調控制，消除控制動(dòng)作之間的耦合作用。

在動(dòng)態(tài)分程模式下，機組控制系統根據實(shí)測到的壓縮機喘振線(xiàn)設定安全的防喘振控制線(xiàn)，實(shí)現汽輪機轉速及防喘振閥的協(xié)調（解耦）控制和壓力超馳控制，充分利用壓縮機的各個(gè)控制回路協(xié)調控制機組的主要工藝參數。在保證機組安全的前提下，通過(guò)防喘振閥和轉速控制的協(xié)調控制實(shí)現入口壓力的自動(dòng)控制同時(shí)保持壓縮機的防喘振閥在該工況下的最小開(kāi)度（或全關(guān)），實(shí)現節能優(yōu)化運行。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?。r(shí)，防喘振閥將在“固定”分程點(diǎn)右側才能關(guān)閉，以保證機組不發(fā)生喘振。

3.2 解決方案的實(shí)施

在裝置大修停車(chē)和大修后的開(kāi)車(chē)期間實(shí)現改造和精調。從而使機組不同負荷下都能自動(dòng)滿(mǎn)足工藝操作對壓縮機工藝參數的調整。工藝操作可根據工況調整入口壓力設定點(diǎn)，機組控制系統自動(dòng)調節汽輪機轉速和防喘振閥的開(kāi)度（如果需要），實(shí)現全自動(dòng)無(wú)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，并根據此模型完善了機組控制應用軟件。

在大修機組停車(chē)前，康吉森工程師對機組進(jìn)行了喘振線(xiàn)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(xiàn)。

在停車(chē)階段，康吉森工程師完成了控制軟件組態(tài)的更新；對壓縮機控制系統相關(guān)的現場(chǎng)儀表（變送器、防喘振閥和調速機構）進(jìn)行了校準和調校，以保證控制精度。

在機組開(kāi)車(chē)以后根據工藝擾動(dòng)的情況，調整控制系統的控制參數，提高控制系統在工況變化時(shí)的抗干擾能力，對機組控制系統進(jìn)行精調。

優(yōu)化解決方案實(shí)施的難點(diǎn)在于在控制系統的精調階段需要業(yè)主與調試工程師的緊密配合，在工況變化時(shí)可以調整控制系統的參數，有時(shí)甚至需要人為制造一些小的擾動(dòng)對控制系統的響應進(jìn)行驗證，以實(shí)現良好的控制效果。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的此項優(yōu)化解決方案在2017年10月正式實(shí)施以后，按規劃要求，機組可以根據工藝操作要求實(shí)現全自動(dòng)操作，既保證安全又實(shí)現優(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，穩定了高分罐的壓力，工藝裝置運行更加穩定；

實(shí)現了全工況下，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(dòng)控制；

在同等工況下壓縮機防喘振閥實(shí)現全關(guān)，使壓縮機始終工作在最佳性能區間；

實(shí)現了節能減排，裝置高負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(hù)節約蒸汽消耗約3萬(wàn)噸以上；

隨著(zhù)高分罐壓力的穩定，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。

根據測算：根據標定的原料性質(zhì)，在實(shí)現先進(jìn)控制（APC），通過(guò)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(shí)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(chǎng)環(huán)境下，增加收率所帶來(lái)的效益增加是十分可觀(guān)的。

此項成果對國內大型和特大型催化重整裝置的壓縮機組智能化節能運行有著(zhù)標志性的示范效應。此解決方案具備大規模實(shí)際推廣的條件并取得良好的經(jīng)濟效益。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年7月刊