石油化工装置蒸汽系统的稳定与控制

石油化工装置蒸汽系统的稳定与控制

蒸汽是原油装置中最重要的材料。随着石油化工工业的迅猛发展,蒸汽在其中扮演着越来越重要的多重角色。节能降耗是石油化工装置的永久话题。而蒸汽又是生产装置回收过程废热最便捷的途径。随着装置规模的扩大,作为装置心脏的压缩机,所需轴功率也会越来越大,传统的电机也越来越难以适应。而古老、洁净、环保、高效的蒸汽动力源越来越引起人们的青睐。因此,装置蒸汽系统的平稳控制,对石油化工装置平稳、高效地运行是至关重要的。1再设置蒸汽压实站,以保证锅炉正常大型石油化工生产装置需要各种各样压力等级的蒸汽,为装置提供源源不断的动力、热源或原料。锅炉只能提供一种压力等级的蒸汽源,这就需要设置不同压力等级的蒸汽减压站进行减压自动控制。原始的蒸汽减压站都是采用单回路节流式压力自动控制,即根据所需蒸汽压力等级,从高压蒸汽线分出一路蒸汽,分别由不同调节阀节流减压成不同压力等级的蒸汽。随着生产规模的提高和节能意识的增强,原始的控制方法已难适应节能增效的要求,必须将调节阀节流所白白耗损的能量收回来。这就出现了高压蒸汽透平压缩机或高压蒸汽透平发电机做功,利用多级抽汽加浮水的控制模式,得到了不同等级的蒸汽。这样,不但回收了大量的能源,又达到了蒸汽减压控制的目的,可谓一举两得。由于多级抽汽加浮水式蒸汽透平压缩机或蒸汽透平发电机结构十分复杂,加之受到外界多种因素的干扰,时有故障跳车的可能。为了保证锅炉安全和多级蒸汽管网压力的稳定,必须再设置一套后备蒸汽减压站,以备抽汽透平跳车瞬间,快速、无扰动地接替透平跳车后的各等级蒸汽管网的减压、稳压工作,保证其下游生产装置和其他蒸汽动力设备继续安全、平稳地运行。这套蒸汽减压站的功能而非原始蒸汽减压站的功能,其要求要大大提高。其一,抽汽透平发生意外故障跳车时,在抽汽透平主汽门切断的瞬间,减压站调节阀要在极短时间之内快速全开,以补偿由于联锁动作迟延所造成的很大浪涌冲击,保证正常由蒸汽透平通过的每小时数百吨的蒸汽及时从减压站泄放出去,使蒸汽锅炉不超压,同时保证各等级蒸汽管网的蒸汽能正常供给;其二,由于工艺负荷不同,蒸汽的生产和消耗是不同的,减压站调节阀瞬间全开的同时,在补偿由于联锁动作迟延所造成的浪涌冲击之后,应快速恢复到正常工艺负荷开度,保证锅炉主蒸汽压力不被拉跨,分压蒸汽管网不超压;其三,前两个阶段过后,要进入正常压力调节的范围,由分压蒸汽管网的压力调节器对所控调节阀实施正常减压自动控制。前述三个动作阶段都在很短的时间内完成,特别前两个动作阶段都在数秒时间内完成,操作人员在事故突发的瞬间是难以手动应付的。因此,合理优化设计蒸汽减压站的自控系统,既能减少建设投资,又能无扰动切换,保证下游生产装置继续安全、稳定地运行。大型石油化工生产装置蒸汽减压站有多级,本文主要以高压蒸汽减压站自控系统为例,介绍其巧设计实例。2高压蒸汽增压站合理控制20世纪70年代中后期,我国相继引进国外多套当时世界上最先进的300kt/a大型合成氨装置。在该生产装置中,有90%以上的过程废热通过加热水产生蒸汽的方法予以回收,蒸汽同时为全生产装置提供了92.4%的动力源,为生产装置提供近30%的原料源,为生产装置提供100%的辅助热源,可以讲蒸汽是大型合成氨生产装置的生命线。为了保证各压力等级蒸汽管网压力的稳定,装置设置了一套高压蒸汽透平压缩机,进行能量回收和蒸汽分压控制,同时又设置一套后备蒸汽减压站。其高压蒸汽减压站的设计很有典型性,参见图1。图1为日本东洋工程公司设计的300kt/a大型合成氨装置高压蒸汽减压站自动控制系统示意图。由图1可以看出:正常生产情况下,压力为10.5MPa,温度为481℃,流量为290t/h的高压蒸汽全部通过103J透平压缩机做功。调节器PIC-130控制抽汽流量,保证4.0MPa中压蒸汽管网压力的稳定,透平压缩机的转速靠浮水量来调节。此时,高压蒸汽减压站的控制阀门全部关闭,达到节能降耗的目的。当103J透平压缩机意外故障停车时,透平压缩机调速油的油压下跌引发联锁系统动作,使HCV-23油动调节阀上电磁阀励磁并推开措油阀,HCV-23油动调节阀在7.5MPa压力油的驱动下1s钟内快速全开,迅速旁路被透平压缩机主汽门切断的高压蒸汽通道,防止由于联锁动作时间差造成的高压蒸汽管网瞬间超压和中压蒸汽管网压力的瞬间下跌。当HCV-23油动调节阀全开躲过浪涌冲击之后,操作人员要在数秒时间内迅速通过HC-23手操,调整HCV-23油动调节阀的阀位开度,防止高压蒸汽的过量泄放,保证高、中压蒸汽管网压力的稳定。当高、中压蒸汽管网压力基本稳定后,逐步手动关闭HC-23油动调节阀,将蒸汽管网减压控制权转由调节阀PCV-13进行压力自动控制。高压蒸汽经直接节流降压后温度较高,为保证4.0MPa中压蒸汽温度稳定在368℃,需要注入一定数量的锅炉水进行减温,由温度调节器控制锅炉水注入量,保证中压蒸汽管网不超温。由PIC-39/PIC-13所组成的选择性控制系统,目的是使高压蒸汽管网压力不超高。如果超高,PIC-39调节器输出信号增大,高选器选中并开大PCV-13调节阀,加大向中压蒸汽管网泄压,从而保证高压蒸汽管网压力不过高;当中压蒸汽管网压力低于PIC-13给定值时,PIC-13输出增加,经高选器选中并控制PCV-13调节阀开度,从而保证中压蒸汽管网压力不过低。为消噪,同时也为延长阀门的寿命,在调节阀入口端分别设置多组降压限流孔板。为防止油动调节阀动作瞬间,驱动压力油油压下跌,在油动调节阀旁设置一个7.5MPa压力等级的压力油蓄压油瓶。该高压蒸汽减压站自控系统在无数次合成氨的事故停车中,发挥了很大且不可替代的作用。但在长期的使用与维护过程中,也发现其投资大、维护量大、联锁动作后造成蒸汽系统波动大等弊端。特别是在事故停车瞬间的人工介入,常常因为事故的突发和报警的惊吓,造成操作人员判断失误和操作错误,致使蒸汽管网的蒸汽压力大幅度波动,引发事故进一步扩大,重者使生产装置大面积停车。能否进一步优化设计方案,尽可能消除上述弊端,又节省大量投资呢?这在另一套装置上进行了大胆的尝试。3优化控制策略经过多年的使用、维护和总结,传统的高压蒸汽减压站的自控系统的优点和弊端都摸得很透,能否有一个“集其利、避其弊”的设计方案呢?就此提出了大胆的设想。3.1高压蒸汽降压站及控制优化技术以传统高压蒸汽减压站自控系统为模型,进行设计方案的优化。将起开关作用的油动调节阀和起调节作用的调节阀合二为一,即一个调节阀完成高压蒸汽减压站的联锁快开、自控调节全部功能。要完成高压蒸汽减压站快开的第一功能,即联锁信号一到,1s之内迅速打开阀门,快速取代被透平压缩机切断的高压蒸汽通道,相当微分作用,以补偿由于联锁动作迟延所造成的高压蒸汽管网超压,中压蒸汽管网欠压的作用;完成高压蒸汽减压站第二功能,即抵偿联锁动作迟延造成的瞬间蒸汽管网的浪涌冲击之后,应快速回复到正常生产负荷下阀门所处的开度,以避免严重影响蒸汽管网高压侧,同时也避免中压蒸汽管网超压,保持正常生产条件下各压力等级蒸汽管网总量的平衡;工艺状况基本稳定后,操作人员可以较为从容地手动操作或投自动控制调节阀,保持蒸汽系统的平衡和进一步的压力稳定,使下游生产装置安全、平稳地运行。能否实现上述改进设想,这在另一套德国引进的大型化工生产装置的改造中得以实践。3.2高压蒸汽压实站及系统构成根据改进设想,经与国外Masoneilan调节阀制造商进一步的技术商讨,一套经优化了的高压蒸汽减压站自控系统实现了,参见图2。图2所示是改造后的大型甲醇、空分厂高压蒸汽减压站的自控系统图。从系统图可以看出油动开关阀取消了,系统功能全部由减压调节阀取代。系统是如何工作的呢?由图2可以看出:正常生产条件下,7.8MPa,500℃的高压蒸汽经NT901透平发电机做功发电,由PIC-01自动控制抽汽流量,保证4.0MPa中压蒸汽管网压力的稳定,高压蒸汽减压站调节阀处全关状态。当NT901透平发电机因故停车时,停车联锁信号触发逻辑开关,逻辑开关发出一个动作信号,动作信号使PCV-02调节阀执行快开动作,使阀门在1s之内快速全开,迅速旁路被透平发电机主汽门切断的高压蒸汽通道,阀门全开的时间由逻辑开关单元事先设定,设定时间一到,逻辑开关单元经触点自动切入HCV-03手操器预置信号。根据生产负荷预先设定的阀门开度信号自动将阀门由全开回复到正常生产负荷开度,使高压、中压蒸汽管网在小的阶跃波动后,较快地回复到基本稳定状态。之后,操作人员据需要可以从容地通过仪表盘上替代切换开关,手动切向PIC-02调节器。由调节器自动调节减压站调节阀开度,保证各蒸汽管网压力的稳定。其他设置,如减温器、降压限流孔板组等同传统的高压蒸汽减压站相同,这里就不一一阐述。从系统构成图和简单的阐述可以看出,优化设计的最大优点是硬件设备减少一半,而调节功能又得到进一步加强。优化设计的关键点就在逻辑开关单元和调节阀执行机构附件的巧设置。下面重点介绍一下这两个部件的设计考虑。3.2.1继电器闭合及自锁逻辑开关由常规继电器组合而成,完成调节阀速开的时间控制和手操器HC预置信号的切入。逻辑开关原理图如图3所示。由图3可以看出:送上220V电源后1s,T0继电器闭合,系统正常运行。当联锁信号一到,CSIN继电器断电(信号触点正常为带电闭合状态),CSB,CRT继电器闭合。送出CSB触点将HC手操器信号送到调节阀定位器信号输入端,同时联锁动作回路自锁。信号经DT延时继电器常闭触点使CSA继电器闭合,接通220VAC电源信号到调节阀电磁阀,电磁阀励磁;同时延时继电器DT计时开始,当达到预先设定时间(0.8～1.5s),自动切断触点,使CSA继电器失电,送到调节阀电磁阀,电磁阀的电源断开,完成逻辑开关的联锁动作。系统复位,按下PB开关,CSB及CRT自锁解除,延时继电器清零复位,手操器HC信号切除,系统恢复正常运行。3.2.2高压蒸汽可控系统的工作原理高压蒸汽减压站自控系统优化设计的关键点在调节阀,而调节阀的关键点在执行结构附件设置的巧妙。图4为执行机构附件设置的原理图。从图4可知,调节阀执行机构共完成三项功能:联锁动作第1步(0.8～1.5s),调节阀瞬间全开;联锁动作第2步接受手操器HC预置信号,由定位器执行阀门由全开到预置阀位的定位工作;完成调节阀意外中断气源对系统安全保护的三项主要功能。当逻辑开关发出的联锁信号一到,电磁阀带电励磁,将锁位阀1～4上的锁位气压排空而动作,上汽缸锁位阀3,4被打开,将上气缸内的气压放空;下气缸锁位阀1,2动作,将储气罐0.25MPa的气压信号直接送到执行机构下汽缸。气缸活塞在强大气压的推动下,快速打开调节阀,迅速旁路被透平发电机切断的高压蒸汽通道,自动完成高压蒸汽自控系统的第1功能。当预先设定的时间一到,逻辑开关CSA动作切断电磁阀电源,电磁阀失磁并接通锁位气压,将锁位阀1～4打开并重新开通上下气缸气路。上气缸随之充入由1∶1继动器7发出并经锁位阀5送来的0.14MPa的弹簧气压;下汽缸充入HC手操器送出并经定位器定位发出、经1∶1继动器8气量放大和锁位阀6来的阀位信号。此时,调节阀由全开快速恢复到HC手操器预置的阀位值,自动完成高压蒸汽自控系统的第2功能。为保证联锁信号一到,有充足的动力将调节阀在1s内全开,在调节阀旁边设置储气罐一个,防止动作时耗气量大造成供气压力的瞬间下跌。当外供气压力跌到0.26MPa以下时,锁位阀5,6,9动作,锁位阀6将下汽缸气压放空,锁位阀5将1.4MPa气压充入上汽缸,锁位阀9锁位,保证锁位阀1～4气路畅通,调节阀自锁在全关的位置。调节阀执行机构附件设置,由该厂提出方案,调节阀生产厂按要求制造完成。4高压蒸汽降压站联锁动作时间的确定其高压蒸汽减压站自控系统的优化方案比传统的设计方案设备投入减少50%,仅高温、高压调节阀和手动副线阀一项就可节约基建投资近100万元,当然也减少了大量的维修费用;由于联锁动作后的前两步都是按预设值自动完成,增强了无扰动切换功能,减少了人工应急介入造成的被动,保证了各等级蒸汽管网切换过程中压力的稳定。由于高压蒸汽减压站调节阀工作环境十分恶劣,压差大、温度高,有时调节阀会处于小开度下工作,单个大阀易引起振动,会大大缩短调节阀的使用寿命,且调节品质也差。在实际应用中往往采用一小一大两阀分程控制,以克服介质巨大的不平衡力和提高调节品质。当然,要由大阀执行联锁动作的全部功能,而小阀完成小流量下的调节功能。关于联锁动