催化裂化装置反应再生系统控制方案的现状及改进

1、过程控制实施技术石 油 化 工 自 动 化,2008,1!84AUTOMATIONINPETRO CHEMICALINDUSTRY催化裂化装置反应再生系统控制方案的现状及改进李自皋,吕 行,王明成(中国石油玉门油田分公司炼油化工总厂维护中心,甘肃玉门 735200)摘要:着重对催化裂化装置反应,对现场仪表、DCS组态存在的问题和不足提出了改进建议,并通过大检修进行了整改实施,取得了良好效果。关键词:DCS组态;沉降器;再生器;输出低选;分程控制中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:10077324(2008)010084051 引 言某800kt/a重油催化裂化装置由反应分馏、吸收

2、稳定、富气压缩机、余热锅炉、能量回收、公用工程等部分组成。其工艺技术先进,运行条件苛刻、测控点多、控制复杂。自装置投运以来,DCS和ESD运行基本平稳,大部分控制回路采用单回路PID定值控制和串级控制,PID控制回路总数133个,投入自动调节的PID回路数40个,27个回路停用。PID的自动控制率偏低,操作工的劳动强度大,DCS的真正潜力没有发挥出来。因此,进一步提高装置的自控率,尤其反应自动平衡控制水平,不仅对工艺操作提供方便,而且对稳定生产,降低操作工的劳动强度,提高经济效益起到重要的作用。2 反应2催化裂化反应是一个非常复杂的工业过程,提升管出口温度、沉降器料位、再生器料位、再生器烧焦罐

3、温度、再生器压力等参数的控制关联着相对应的滑阀开度的控制,是反应关键参数,对装置运行、产品分布,及后续分馏、吸收稳定的正常平稳操作都影响较大。目前国内普遍采用的控制策略是,通过控制滑阀开度来改变催化剂循环量达到控制温度和料位的目的,从安全角度考虑,设计上引入了滑阀差压来组成温度(料位)与差压的低值选择控制,即超驰控制。在正常运行时,由温度(或料位)控制滑阀开度(调整催化剂的循环量)来保证反应温度(料位)的平稳。一旦滑阀开度过大而使滑阀压降过小,可能导致危险时,为防止油气催化剂倒窜,滑阀差压调节将自动取代反应温度(料位)来控制滑阀 关小滑阀以防(低选)控制方案,主要控制策略如下。a)反应温度控制

4、。提升管出口温度即反应温度是催化裂化过程中一个至关重要的独立变量。一般来说,反应温度每升高10 ,反应速度提高30%,反应温度升高,焦炭产率下降,C1,C2,C3产率增加。提高反应温度,可大幅度提高液化石油气中烯烃的产率和汽油的辛烷值。影响反应温度的主要因素有原料油流量、预热温度、催化剂循环量、再生剂温度等。原料油流量采用定值控制;原料油预热温度控制在250320 之间,也采用定值控制;再生器温度基本也是恒温控制。因此,反应温度的控制主要是通过改变再生滑阀开度,调节再生催化剂的循环量来控制,正常情况下,再生滑阀由第1提升管出口温度(沉降器内集气室温度)TIC101控制;当压降过低时,再生滑阀由

5、再生滑阀压降调节回路PdIC106控制。即TIC101与第1再生滑阀压降组成超驰(低选)控制。在这里TIC101是正常控制器,PdIC106是超驰控制器,但当再生滑阀压降低到15kPa时,发出报警,10kPa时,自动暂时性放弃反应温度定值控制,并切换到PdIC 106控制,保持再生差压,维持催化剂循环,防止催化剂倒流造成油气进入再生器燃烧以至于再生器超温,此时不保产品质量和效率,只保安全。收稿日期:20071012(修改稿)。作者简介:李自皋(1969 ),男,甘肃庆阳人,1993年毕业于西北师范大学计算机应用专业,学士,现在中国石油玉门油田分公司炼油化工总厂维护中心工作,任副经理,高级工程师

6、,主要从事生产过程自动化控制、先进控制、计算机信息网络及软件开发方面7第1期 李自皋等.催化裂化装置反应再生系统控制方案的现状及改进85第2提升管出口温度TIC101G与第2再生滑阀压降PdIC106G组成超驰(低选)控制。正常情况下,再生滑阀由TIC101G控制;当压降过低时,再生滑阀由再生滑阀压降调节回路PdIC106G控制。低选的安全软限的约束条件相同。b)反应器藏量。提升管装置反应器藏量主要是指沉降器和汽提段藏量。一般沉降器零料位操作,藏量主要在汽提段中。汽提段藏量影响催化汽提效果、两器压力平衡,同时催化剂料封可防止催化剂倒流。通过改变待生滑阀开度,调节待生催化剂的循环量来控制反应器藏

7、量。正常情况下,待生滑阀由沉降器料位控制,当压降过低时,待生滑阀由待生滑阀压降调节回路控制。低选的安全软限的约束条件相同。对于同轴式装置汽提段及待生斜管的蓄压较大,发生倒流的可能性较小,一般只设待生滑阀压降低限报警(或装置自保)。c)再生器藏量控制。再生部分的控制目标是最大限度地恢复催化剂活性,并向反应部分提供具有适宜温度和油剂比的催化剂。最大限度恢复催化剂活性,尽量降低再生催化剂含炭量,减少催化剂失活。再生器藏量决定了催化剂在再生器中的停留时间。提高藏量可延长烧焦时间,增加烧焦能力,降低再生催化剂含碳。因此在其他参数恒定的情况下再生器藏量也是烧焦能力的一种体现。但在高温下催化剂停留时间过长会

8、导致催化剂失活,因此再生器必须有一个合适的再生器藏量值,也不能过低,否则除烧焦能力降低外,装置操作弹性会变小。对于烧焦罐装置或两段再生装置的藏量控制,一般采用再生器料位与循环滑阀压降组成超驰(低选)控制。正常情况下,循环滑阀由再生器料位控制,当循环滑阀压降过低时,循环滑阀由循环滑阀压降调节回路控制。d)再生温度控制。再生器烧焦罐温度切换控制外取热下滑阀与外取热器流化风流量串级。正常情况下,再生器烧焦罐的温度由外取热下滑阀控制,流化风流量单参数控制。当外取热下滑阀开度保持恒定时,再生器烧焦罐温度与流化风流量串级控制。e)再生器压力控制。烧焦速率与再生烟气氧分压成正比,氧分压是再生压力与再生烟气氧

9、分子体积分数的乘积。所以提高再生压力可以提高烧焦速率。有烟气轮机的装置为获得较高的烟气能量回收率都采用较高的再生压力,一般主分机出口压力为0.250.32MPa,再生器压力为0.20.26MPa。再生器压力(两器差压)是催化裂化装置最关,的压力平衡,再生器压力大幅度波动直接影响再生效果及催化剂的损耗,也将影响着装置的安全运行。几年前设计的能量回收系统中再生器压力(两器差压)控制方法如下。1)再生器压力自动控制烟气轮机入口蝶阀开度,双动滑阀靠手操控制器调整开度。2)烟气轮机入口蝶阀的开度可根据再生器的烟气量固定在某一位置上,而再生器压力由双动滑阀来调节。3)再生器压力采用分程控制,以克服上述两种

10、控制方案中的不足。目前采用再生器压力由烟机入口蝶阀、烟机主旁路双动滑阀分程控制。其分程原则:当烟机处于正常设计负荷或超负荷时,烟机入口蝶阀全开,再生器压力由双动滑阀控制;当烟机处于低负荷运行时,双动滑阀全关,靠入口蝶阀控制再生器压力;对于调节来说,随着再生器压力调节器的输出信号的增加,烟机入口蝶阀首先打开,当阀开至某一开度时,双动滑阀打开;在烟机入口蝶阀控制回路上设有低选器,在正常操作时即当机组转速为设计额定值时,由压力信号控制,反之为速度信号。控制方法1)、2)都较简单,也都有不足之处,前者有可能造成再生器憋压,后者虽然比前者操作安全,但有10%15%的烟气从双动滑阀放掉,双动滑阀处在小开度

11、范围调节,调节的品质较差,再生器的压力波动较大,尤其是烟机自保停机后,再生器压力波动幅度较大,调整需要较长时间。控制方法3)在现场实际调整分程时,发现定位器不能达到预想的效果,也就是说利用定位器调整分程是非常困难的。此外,这个方法还存在着其他问题:由于双动滑阀长期处于关闭或小开度状态,有可能被烟气中的催化剂粉末卡死,在正常操作时,如信号小于0.06MPa时不能使阀立即自动打开;双动滑阀因口径较大,在小开度范围调节时,调节的性能较差。3 反应存在的问题及改进上述控制策略是目前国内重油催化裂化装置普遍采用的控制方案,属于经典控制策略。但是该装置自2005年1月投运以来,反应作几乎全部都在手动控制,

12、操作工多次对目前的控制方案提出质问,由于无法投入自动控制,六大滑阀和相关的重要参数都是操作工在精心的用手动来调节,劳动强度很大。86石油化工自动化 2008年控制方案,几乎都采用了上述控制策略,这说明问题不是控制方案选择的不合理,而是理想化的设计方案与实际生产过程中现场条件发生较大的偏差。现将各种原因分析如下。3.1 超驰(低选)控制的积分饱和及防止措施在超驰(低选)控制系统,选择器位于2个控制器的输出与控制阀之间,所以控制器输出为零时显然能满足安全需要,因此控制器的正反作用、滑阀的气开特性,必须依据工艺过程规律,选择为符合正反馈的控制器,在控制器输出为零时,保证装置系统安全。在控制器的PID

13、参数选择方面,要考虑一达到安全软限即能迅速切换的能力,因此应选择窄比例度的P或PI控制器。在这种可变结构的选择控制系统中,最关键的应该是防止控制器的积分饱和。具体来说,系统中有两个PID调节器,那么只有一个可能被选上,而未被选上的调节器就处于开环状态,因为开环状态总有偏差存在,所以在一段时间以后调节器的输出就会不断地增加或减少,只要调节器有积分作用,最终其输出值达到上下极限值(-14114)。一旦工艺过程要求它重新投入闭环运行时,它就不可能迅速地、及时地作出反应,最终造成选择切换器的滞后和不起控制作用(从-14到0,或从114到100的过程),从而降低了调节质量。严重时,因为选择性控制系统对安

14、全软限保护作用的延误,还有可能导致事故。这种由于控制器处于开环状态,对偏差信号进行积分作用而造成的控制器切换延迟,致使应有的控制作用不能及时产生的现象就被称为第1类型的积分饱和#。应当着重指出的是积分饱和现象是指未被选上的控制器的输出信号不能跟踪选上的控制器的输出信号的变化,因而造成在选择器中控制作用切换的延迟,这种现象并非要在积分作用引起的输出信号达到上、下限值时才会发生。因而这与简单控制系统的控制器的积分达到饱和是有区别的。当进入或超出安全软限时,控制器应立即进行切换。即当偏差为零时,2个控制器应该同步,应该有相同的输出,这样才能保证及时地切换。这是超驰(低选)控制系统特有的积分饱和问题。

15、这个问题在超驰(低选)控制系统显得程度更加严重,这种现象就被称为第2类型的积分饱和#。在超驰(低选)控制系统的DCS组态过程中要特别注意克服这两种类型的积分饱和现象#。防止积分饱和#,最关键的是要保持两个控制器输出的同步,其方法与一般的防积分饱和方案很相近。常用的办法是用选择器的输出,即送往控制阀的信号作为积分外反馈。这样,当控制器1被切换时,u1=Kc1e1+u2;当控制器2被切换时,u2=Kc2e2+u1。因此,在偏差e1或e2等于零,即控制作用u1与u2应该切换的瞬时,u1=u2,满足了同步的要求,在DCS组态时,软件实现的算法与之相同。3.2 超驰(低选)控制的低选条件分析与改进当再生

16、滑阀压降低到10kPa(有的装置是20kPa)时,就要求自动切换到再生滑阀压降控制,防止因催化剂倒流,而造成油气进入再生器燃烧以至于再生器超温,此时不保产品质量和效率,只保安全;当待生滑阀压降低于10kPa(有的装置是20kPa)时,也要自动切换到待生滑阀压降控制,防止因催化剂倒流,而造成空气进入沉降器与沉降器中油气混合以至于产生爆炸,此时不保料位只保压降,只要压降不低于10kPa就不会产生催化剂倒流。因此,第1再生滑阀压降PdIC106,第2再生滑阀压降PdIC106G,待生滑阀压降PdIC108,循环滑阀压降PdIC110和提升管出口温度6个参数是实现超驰控制低选条件的关键参数,现场仪表的

17、可靠性和测量的准确性,是实现控制的前提,表1是装置运行一年多的实际测量数据。表1 装置运行一年多的实际测量数据参数名称第1提升管出口温度TIC101第2提升管出口温度TIC101G沉降器料位LIC104再生器料位LIC105第1再生滑阀压降PdIC106第2再生滑阀压降PdIC106G待生滑阀压降PdIC108循环滑阀压降PdIC110工程单位ttkPakPakPakPa控制指标值49551549553030301015101510151015检修前平均值476.1478.1509.3512.1263641432.252.3225.125.80(坏值)100(坏值)检修后平均值476.8477

18、.0522.1523.021.322.068.368.552.152.682.182.875.176.268.169.8第1期 李自皋等.催化裂化装置反应再生系统控制方案的现状及改进87从表1可以看出,关键参数TIC101低于控制指标近30 ,PdIC106低于10kPa,PdIC108和PdIC110测量值长期处于坏值状态,满足超驰控制低选条件的只有PdIC106G,因此,从低选条件的仪表测量值来看,现场仪表的安装、检测故障是制约自动超驰控制的关键所在。改进措施如下。a)改进现场仪表的安装、检测条件,完善现场仪表的检测性能,提高现场仪表的可靠性和可重复性,为超驰控制创造基础条件。b)改进组态

19、方式,增加控制手段,实现两器平衡的多手段控制,对提高两器正常流化将起着重要的作用。利用反应器藏量(沉降器料位)料封可防止催化剂倒流的特点,以沉降器料位作为超驰控制的低选条件,同样也可以起到两器平衡的保护功能;以各斜管推动力为参考值,在低选条件仪表失灵的情况下,把(超驰)控制改为软开关切换控制,由操作工自主选择提升管出口温度(料位)或滑阀压降控制滑阀的开度,当低选条件满足时,再切换回超驰控制。3.3 现场仪表的安装及检测存在的问题与改进3.3.1 第1提升管出口温度的检测误差分析与改进该重油催化裂化装置自建成投产时,第1提升管出口温度热电偶就被含大量催化剂颗粒的油气冲刷断裂,导致提升管出口温度失

20、灵,无法进行测量。提升管出口温度是提高反应速度的一项重要的控制指标,也是超驰控制的目标参数,因此该参数如果失灵或测量误差较大的话,任何自动控制也就失去了意义。在大检修中,对第1提升管出口温度TIC101进行了恢复与安装。把原安装的3m直杆式铠装热电偶,改为长度为2.5m的弹簧式铠装热电偶,提高了其活动余量,减少了含大量催化剂颗粒的油气冲刷,延长了热电偶的使用寿命,自安装改造以来,测量效果较好。但由于在改造安装过程中,铠装热电偶的头部安装的300mm的耐磨套管没有深入到提升管的中心位置,只伸出到提升管管壁大约20mm,导致目前虽然有测量值,但测量误差较大,比实际温度低将近30 。需要进一步的改进

21、安装位置。3.3.2 两器反吹风系统存在的设计不足及改进装置对含催化剂颗粒的油气,为防止固体颗粒进入导压管,反应设计上存在较为严重的缺陷,一根管线上串接了数十个取压点,导致反吹风压力下降,尤其是反应器顶部反吹风压力下降更为明显,加之反吹风的带水,取压管嘴由原来的25mm改为15mm而且取压管嘴由于空间狭小弯曲安装,经常造成取压开关损坏,仪表取压管嘴堵塞,疏通困难,使仪表故障率增大,可靠性降低,增加了投用自动的难度。而且作为低选条件的滑阀压降变送器的取压孔很容易受到催化剂因反吹风带水而堵塞,导致差压失灵,因此,即是低选条件满足,滑阀压降PID自动控制滑阀开度的外部差压测量条件也并不可靠,所以超驰

22、控制的外部条件很脆弱。在大检修中,对重点部位的控制阀进行了更换,取压点进行了疏通、保温伴热进行了改造。着重对反吹风系统进行了一次较为彻底的整改,对关键重点的料位、密度、压力等部位的反吹风管线进行了单独供风,以提高反吹风的压力,在部分位置较低的管线处设置了排水放空开关,有效地解决了反吹风压力低的问题。通过这次较为彻底的检修,基本满足了现场仪表条件,提高了现场仪表的可靠性和稳定性,对进一步提高反应平,创造了良好条件。3.4 再生器压力控制(分程控制)的组态分析与改进3从上面典型的控制策略分析可以看出,再生器压力控制采用不同形式的分程控制,是最常用最合适的控制方案。但从现运行的DCS的组态来看,控制

23、方案却如图1所示。PIC_114.PID控制器信号分成3路 PV_114A和PV_114B去控制双动滑阀,PV_114C去控制烟机入口蝶阀。双动滑阀带有手操控制器,蝶阀没有组态手操控制器。图1 再生器压力控制方案3.5 控制器投运自动状态时作用分析a)PIC 114.PID的作用方式为反作用,蝶阀为气开阀,双动滑阀为气关阀。当压力信号增加(大于设定值)时,PID输出减小,双动滑阀由于是气关阀,结果双动滑阀打开及时泄压,MV减小,蝶88石油化工自动化 2008年力,使MV增大。b)当压力信号减小(小于设定值)时,PID输出增大,双动滑阀由于是气关阀,结果双动滑阀关小及时恢复压力,MV增大,蝶阀为

24、气开阀,结果蝶阀开大,使MV减小。在控制器投入自动的过程中,设定值与测量值偏差的存在,或者少量扰动的出现,都会导致PID的输出发生变化,而这一变化,至少需要两个振荡周期,由于蝶阀和双动滑阀的动作方向不同,一个使压力增大(减小);另一个使压力减小(增大),这样更加剧了再生器压力MV的波动,使被控变量压力很难平稳、迅速和准确地趋近或恢复到设定值,几乎不可能达到预期的控制效果。通过上述分析,可以看出,这样的控制方案在DCS组态过程中实现起来很容易,但要投入真正的现场运行,却根本无法操作。表2是装置运行一年来,再生器压力PIC114,PI103,沉降器压力PI102/2和两器差压PdI103的实际测量

25、数据。从数据看两器压力一直维持在0.24MPa,处于设计值(控制目标值)以下,因此上述的分程控制方案虽然不合理,但表现不突出,但是当烟机自保停机后,再生器压力波动幅度就会明显加剧,调整需要较长时间,所以适当地改进组态,增加灵活可靠、及时的调控手段非常必要。再生器压力采取的双动滑阀、烟机入口蝶阀控制方案,如图2所示。MPa检修后平均值0.24450.250.219-0.031表2 实际测量数据参数名称再生器压力PIC114再生器压力PI103沉降器压力PI102/2两器差压PdIC103控制指标值0.190.330.190.330.170.29-55检修前平均值0.240.2590.240.25

26、90.220.225-0.265-0.0328注:PdIC 103为(PT102%PV)-(PT103%PV)。图2 再生器压力控制方案3.6 改进措施a)增加烟机入口蝶阀的手操控制器PHC114C组态,增加蝶阀操作的灵活性。b)再生器压力采取双动滑阀、烟机入口蝶阀分程控制方案。开工期间,由于轴流式烟机未投用,烟机入口蝶阀处于关闭状态,催化沉降器和再生器压力平衡采用双动滑阀控制。一路双动滑阀(西)用手操器PHC114B做辅助控制;另一路双动滑阀(东)PHC114A控制有两种:分别为再生器压力控制PIC114和沉降器与再生器差压(两器差压#)控制PdIC103,它们之间可根据工艺需要任意切换DC

27、S组态的软手动切换开关PHS114AB方式来实现。在DCS组态切换开关时,操作模式、PID的输出要相互跟踪,以避免切换时的扰动。烟机投用后为了保护机组平稳运行,再生器压力控制就成为保护机组重要的控制手段之一。烟机投用后,再生器压力控制由PIC114分程控制,将0100%信号分解为050%,50%100%,然后分别放大到0100%(克服信号小于0.06MPa时不能使阀立即自动打开),而后由PV114C和PV114A输出分别送到定位器变换为420mA信号,送到手操器PHC114C控制烟机入口蝶阀,PHC114A控制另一路双动滑阀(东)。控制过程控制实施技术石 油 化 工 自 动 化,2008,1!

28、89AUTOMATIONINPETRO CHEMICALINDUSTRY隔爆仪表电缆引入和保护的探讨及实践梁 达(中国五环化学工程公司,湖北武汉 430223)摘要:通过对相关标准规范的应用,探讨了隔爆仪表电缆引入和保护的设计和安装方法。关键词:隔爆仪表;电缆引入装置;防爆挠性管;防爆密封接头中图分类号:TP206.3 文献标识码:B 文章编号:1007 7324(2008)01 0089 021 引言在爆炸性气体环境中,依气体环境等级,仪表通常采用本质安全、隔爆等防爆措施。对于防爆仪表或电器,正确的接线和电缆引入将确保危险区域中仪表和电器的防爆性能。目前国内针对防爆电器的设计和施工有多项国家或行业标准及规范。由于各标准规范的文字表述有所不同,使用者在理解时可能会产生一些偏差,造成一些争议。中国五环化学工程公司在某工程中,隔爆仪表采用隔爆密封接头作为电缆引入装置,同时采用防水挠性管对电缆进行机械保护。工程验收时,当地安监部门依据石化标准&石油化工仪表工程施工技术规程(SH3521 1999)6.5.4第5条,保护管与现场仪表、检测仪表之间应按其所在危险区域的级别,选用隔爆型金属软管连接#1,对笔者的设计和安装提出异议,认为必须采用防爆挠