石油化工裝置蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制

石油化工裝置蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制

蒸汽是原油裝置中最重要的材料。隨著石油化工工業(yè)的迅猛發(fā)展,蒸汽在其中扮演著越來越重要的多重角色。節(jié)能降耗是石油化工裝置的永久話題。而蒸汽又是生產(chǎn)裝置回收過程廢熱最便捷的途徑。隨著裝置規(guī)模的擴(kuò)大,作為裝置心臟的壓縮機,所需軸功率也會越來越大,傳統(tǒng)的電機也越來越難以適應(yīng)。而古老、潔凈、環(huán)保、高效的蒸汽動力源越來越引起人們的青睞。因此,裝置蒸汽系統(tǒng)的平穩(wěn)控制,對石油化工裝置平穩(wěn)、高效地運行是至關(guān)重要的。1再設(shè)置蒸汽壓實站,以保證鍋爐正常大型石油化工生產(chǎn)裝置需要各種各樣壓力等級的蒸汽,為裝置提供源源不斷的動力、熱源或原料。鍋爐只能提供一種壓力等級的蒸汽源,這就需要設(shè)置不同壓力等級的蒸汽減壓站進(jìn)行減壓自動控制。原始的蒸汽減壓站都是采用單回路節(jié)流式壓力自動控制,即根據(jù)所需蒸汽壓力等級,從高壓蒸汽線分出一路蒸汽,分別由不同調(diào)節(jié)閥節(jié)流減壓成不同壓力等級的蒸汽。隨著生產(chǎn)規(guī)模的提高和節(jié)能意識的增強,原始的控制方法已難適應(yīng)節(jié)能增效的要求,必須將調(diào)節(jié)閥節(jié)流所白白耗損的能量收回來。這就出現(xiàn)了高壓蒸汽透平壓縮機或高壓蒸汽透平發(fā)電機做功,利用多級抽汽加浮水的控制模式,得到了不同等級的蒸汽。這樣,不但回收了大量的能源,又達(dá)到了蒸汽減壓控制的目的,可謂一舉兩得。由于多級抽汽加浮水式蒸汽透平壓縮機或蒸汽透平發(fā)電機結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,加之受到外界多種因素的干擾,時有故障跳車的可能。為了保證鍋爐安全和多級蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定,必須再設(shè)置一套后備蒸汽減壓站,以備抽汽透平跳車瞬間,快速、無擾動地接替透平跳車后的各等級蒸汽管網(wǎng)的減壓、穩(wěn)壓工作,保證其下游生產(chǎn)裝置和其他蒸汽動力設(shè)備繼續(xù)安全、平穩(wěn)地運行。這套蒸汽減壓站的功能而非原始蒸汽減壓站的功能,其要求要大大提高。其一,抽汽透平發(fā)生意外故障跳車時,在抽汽透平主汽門切斷的瞬間,減壓站調(diào)節(jié)閥要在極短時間之內(nèi)快速全開,以補償由于聯(lián)鎖動作遲延所造成的很大浪涌沖擊,保證正常由蒸汽透平通過的每小時數(shù)百噸的蒸汽及時從減壓站泄放出去,使蒸汽鍋爐不超壓,同時保證各等級蒸汽管網(wǎng)的蒸汽能正常供給;其二,由于工藝負(fù)荷不同,蒸汽的生產(chǎn)和消耗是不同的,減壓站調(diào)節(jié)閥瞬間全開的同時,在補償由于聯(lián)鎖動作遲延所造成的浪涌沖擊之后,應(yīng)快速恢復(fù)到正常工藝負(fù)荷開度,保證鍋爐主蒸汽壓力不被拉跨,分壓蒸汽管網(wǎng)不超壓;其三,前兩個階段過后,要進(jìn)入正常壓力調(diào)節(jié)的范圍,由分壓蒸汽管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)器對所控調(diào)節(jié)閥實施正常減壓自動控制。前述三個動作階段都在很短的時間內(nèi)完成,特別前兩個動作階段都在數(shù)秒時間內(nèi)完成,操作人員在事故突發(fā)的瞬間是難以手動應(yīng)付的。因此,合理優(yōu)化設(shè)計蒸汽減壓站的自控系統(tǒng),既能減少建設(shè)投資,又能無擾動切換,保證下游生產(chǎn)裝置繼續(xù)安全、穩(wěn)定地運行。大型石油化工生產(chǎn)裝置蒸汽減壓站有多級,本文主要以高壓蒸汽減壓站自控系統(tǒng)為例,介紹其巧設(shè)計實例。2高壓蒸汽增壓站合理控制20世紀(jì)70年代中后期,我國相繼引進(jìn)國外多套當(dāng)時世界上最先進(jìn)的300kt/a大型合成氨裝置。在該生產(chǎn)裝置中,有90%以上的過程廢熱通過加熱水產(chǎn)生蒸汽的方法予以回收,蒸汽同時為全生產(chǎn)裝置提供了92.4%的動力源,為生產(chǎn)裝置提供近30%的原料源,為生產(chǎn)裝置提供100%的輔助熱源,可以講蒸汽是大型合成氨生產(chǎn)裝置的生命線。為了保證各壓力等級蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定,裝置設(shè)置了一套高壓蒸汽透平壓縮機,進(jìn)行能量回收和蒸汽分壓控制,同時又設(shè)置一套后備蒸汽減壓站。其高壓蒸汽減壓站的設(shè)計很有典型性,參見圖1。圖1為日本東洋工程公司設(shè)計的300kt/a大型合成氨裝置高壓蒸汽減壓站自動控制系統(tǒng)示意圖。由圖1可以看出:正常生產(chǎn)情況下,壓力為10.5MPa,溫度為481℃,流量為290t/h的高壓蒸汽全部通過103J透平壓縮機做功。調(diào)節(jié)器PIC-130控制抽汽流量,保證4.0MPa中壓蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定,透平壓縮機的轉(zhuǎn)速靠浮水量來調(diào)節(jié)。此時,高壓蒸汽減壓站的控制閥門全部關(guān)閉,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。當(dāng)103J透平壓縮機意外故障停車時,透平壓縮機調(diào)速油的油壓下跌引發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)動作,使HCV-23油動調(diào)節(jié)閥上電磁閥勵磁并推開措油閥,HCV-23油動調(diào)節(jié)閥在7.5MPa壓力油的驅(qū)動下1s鐘內(nèi)快速全開,迅速旁路被透平壓縮機主汽門切斷的高壓蒸汽通道,防止由于聯(lián)鎖動作時間差造成的高壓蒸汽管網(wǎng)瞬間超壓和中壓蒸汽管網(wǎng)壓力的瞬間下跌。當(dāng)HCV-23油動調(diào)節(jié)閥全開躲過浪涌沖擊之后,操作人員要在數(shù)秒時間內(nèi)迅速通過HC-23手操,調(diào)整HCV-23油動調(diào)節(jié)閥的閥位開度,防止高壓蒸汽的過量泄放,保證高、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。當(dāng)高、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力基本穩(wěn)定后,逐步手動關(guān)閉HC-23油動調(diào)節(jié)閥,將蒸汽管網(wǎng)減壓控制權(quán)轉(zhuǎn)由調(diào)節(jié)閥PCV-13進(jìn)行壓力自動控制。高壓蒸汽經(jīng)直接節(jié)流降壓后溫度較高,為保證4.0MPa中壓蒸汽溫度穩(wěn)定在368℃,需要注入一定數(shù)量的鍋爐水進(jìn)行減溫,由溫度調(diào)節(jié)器控制鍋爐水注入量,保證中壓蒸汽管網(wǎng)不超溫。由PIC-39/PIC-13所組成的選擇性控制系統(tǒng),目的是使高壓蒸汽管網(wǎng)壓力不超高。如果超高,PIC-39調(diào)節(jié)器輸出信號增大,高選器選中并開大PCV-13調(diào)節(jié)閥,加大向中壓蒸汽管網(wǎng)泄壓,從而保證高壓蒸汽管網(wǎng)壓力不過高;當(dāng)中壓蒸汽管網(wǎng)壓力低于PIC-13給定值時,PIC-13輸出增加,經(jīng)高選器選中并控制PCV-13調(diào)節(jié)閥開度,從而保證中壓蒸汽管網(wǎng)壓力不過低。為消噪,同時也為延長閥門的壽命,在調(diào)節(jié)閥入口端分別設(shè)置多組降壓限流孔板。為防止油動調(diào)節(jié)閥動作瞬間,驅(qū)動壓力油油壓下跌,在油動調(diào)節(jié)閥旁設(shè)置一個7.5MPa壓力等級的壓力油蓄壓油瓶。該高壓蒸汽減壓站自控系統(tǒng)在無數(shù)次合成氨的事故停車中,發(fā)揮了很大且不可替代的作用。但在長期的使用與維護(hù)過程中,也發(fā)現(xiàn)其投資大、維護(hù)量大、聯(lián)鎖動作后造成蒸汽系統(tǒng)波動大等弊端。特別是在事故停車瞬間的人工介入,常常因為事故的突發(fā)和報警的驚嚇,造成操作人員判斷失誤和操作錯誤,致使蒸汽管網(wǎng)的蒸汽壓力大幅度波動,引發(fā)事故進(jìn)一步擴(kuò)大,重者使生產(chǎn)裝置大面積停車。能否進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案,盡可能消除上述弊端,又節(jié)省大量投資呢?這在另一套裝置上進(jìn)行了大膽的嘗試。3優(yōu)化控制策略經(jīng)過多年的使用、維護(hù)和總結(jié),傳統(tǒng)的高壓蒸汽減壓站的自控系統(tǒng)的優(yōu)點和弊端都摸得很透,能否有一個“集其利、避其弊”的設(shè)計方案呢?就此提出了大膽的設(shè)想。3.1高壓蒸汽降壓站及控制優(yōu)化技術(shù)以傳統(tǒng)高壓蒸汽減壓站自控系統(tǒng)為模型,進(jìn)行設(shè)計方案的優(yōu)化。將起開關(guān)作用的油動調(diào)節(jié)閥和起調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)閥合二為一,即一個調(diào)節(jié)閥完成高壓蒸汽減壓站的聯(lián)鎖快開、自控調(diào)節(jié)全部功能。要完成高壓蒸汽減壓站快開的第一功能,即聯(lián)鎖信號一到,1s之內(nèi)迅速打開閥門,快速取代被透平壓縮機切斷的高壓蒸汽通道,相當(dāng)微分作用,以補償由于聯(lián)鎖動作遲延所造成的高壓蒸汽管網(wǎng)超壓,中壓蒸汽管網(wǎng)欠壓的作用;完成高壓蒸汽減壓站第二功能,即抵償聯(lián)鎖動作遲延造成的瞬間蒸汽管網(wǎng)的浪涌沖擊之后,應(yīng)快速回復(fù)到正常生產(chǎn)負(fù)荷下閥門所處的開度,以避免嚴(yán)重影響蒸汽管網(wǎng)高壓側(cè),同時也避免中壓蒸汽管網(wǎng)超壓,保持正常生產(chǎn)條件下各壓力等級蒸汽管網(wǎng)總量的平衡;工藝狀況基本穩(wěn)定后,操作人員可以較為從容地手動操作或投自動控制調(diào)節(jié)閥,保持蒸汽系統(tǒng)的平衡和進(jìn)一步的壓力穩(wěn)定,使下游生產(chǎn)裝置安全、平穩(wěn)地運行。能否實現(xiàn)上述改進(jìn)設(shè)想,這在另一套德國引進(jìn)的大型化工生產(chǎn)裝置的改造中得以實踐。3.2高壓蒸汽壓實站及系統(tǒng)構(gòu)成根據(jù)改進(jìn)設(shè)想,經(jīng)與國外Masoneilan調(diào)節(jié)閥制造商進(jìn)一步的技術(shù)商討,一套經(jīng)優(yōu)化了的高壓蒸汽減壓站自控系統(tǒng)實現(xiàn)了,參見圖2。圖2所示是改造后的大型甲醇、空分廠高壓蒸汽減壓站的自控系統(tǒng)圖。從系統(tǒng)圖可以看出油動開關(guān)閥取消了,系統(tǒng)功能全部由減壓調(diào)節(jié)閥取代。系統(tǒng)是如何工作的呢?由圖2可以看出:正常生產(chǎn)條件下,7.8MPa,500℃的高壓蒸汽經(jīng)NT901透平發(fā)電機做功發(fā)電,由PIC-01自動控制抽汽流量,保證4.0MPa中壓蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定,高壓蒸汽減壓站調(diào)節(jié)閥處全關(guān)狀態(tài)。當(dāng)NT901透平發(fā)電機因故停車時,停車聯(lián)鎖信號觸發(fā)邏輯開關(guān),邏輯開關(guān)發(fā)出一個動作信號,動作信號使PCV-02調(diào)節(jié)閥執(zhí)行快開動作,使閥門在1s之內(nèi)快速全開,迅速旁路被透平發(fā)電機主汽門切斷的高壓蒸汽通道,閥門全開的時間由邏輯開關(guān)單元事先設(shè)定,設(shè)定時間一到,邏輯開關(guān)單元經(jīng)觸點自動切入HCV-03手操器預(yù)置信號。根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷預(yù)先設(shè)定的閥門開度信號自動將閥門由全開回復(fù)到正常生產(chǎn)負(fù)荷開度,使高壓、中壓蒸汽管網(wǎng)在小的階躍波動后,較快地回復(fù)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。之后,操作人員據(jù)需要可以從容地通過儀表盤上替代切換開關(guān),手動切向PIC-02調(diào)節(jié)器。由調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)減壓站調(diào)節(jié)閥開度,保證各蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。其他設(shè)置,如減溫器、降壓限流孔板組等同傳統(tǒng)的高壓蒸汽減壓站相同,這里就不一一闡述。從系統(tǒng)構(gòu)成圖和簡單的闡述可以看出,優(yōu)化設(shè)計的最大優(yōu)點是硬件設(shè)備減少一半,而調(diào)節(jié)功能又得到進(jìn)一步加強。優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵點就在邏輯開關(guān)單元和調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)附件的巧設(shè)置。下面重點介紹一下這兩個部件的設(shè)計考慮。3.2.1繼電器閉合及自鎖邏輯開關(guān)由常規(guī)繼電器組合而成,完成調(diào)節(jié)閥速開的時間控制和手操器HC預(yù)置信號的切入。邏輯開關(guān)原理圖如圖3所示。由圖3可以看出:送上220V電源后1s,T0繼電器閉合,系統(tǒng)正常運行。當(dāng)聯(lián)鎖信號一到,CSIN繼電器斷電(信號觸點正常為帶電閉合狀態(tài)),CSB,CRT繼電器閉合。送出CSB觸點將HC手操器信號送到調(diào)節(jié)閥定位器信號輸入端,同時聯(lián)鎖動作回路自鎖。信號經(jīng)DT延時繼電器常閉觸點使CSA繼電器閉合,接通220VAC電源信號到調(diào)節(jié)閥電磁閥,電磁閥勵磁;同時延時繼電器DT計時開始,當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定時間(0.8～1.5s),自動切斷觸點,使CSA繼電器失電,送到調(diào)節(jié)閥電磁閥,電磁閥的電源斷開,完成邏輯開關(guān)的聯(lián)鎖動作。系統(tǒng)復(fù)位,按下PB開關(guān),CSB及CRT自鎖解除,延時繼電器清零復(fù)位,手操器HC信號切除,系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。3.2.2高壓蒸汽可控系統(tǒng)的工作原理高壓蒸汽減壓站自控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵點在調(diào)節(jié)閥,而調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵點在執(zhí)行結(jié)構(gòu)附件設(shè)置的巧妙。圖4為執(zhí)行機構(gòu)附件設(shè)置的原理圖。從圖4可知,調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)共完成三項功能:聯(lián)鎖動作第1步(0.8～1.5s),調(diào)節(jié)閥瞬間全開;聯(lián)鎖動作第2步接受手操器HC預(yù)置信號,由定位器執(zhí)行閥門由全開到預(yù)置閥位的定位工作;完成調(diào)節(jié)閥意外中斷氣源對系統(tǒng)安全保護(hù)的三項主要功能。當(dāng)邏輯開關(guān)發(fā)出的聯(lián)鎖信號一到,電磁閥帶電勵磁,將鎖位閥1～4上的鎖位氣壓排空而動作,上汽缸鎖位閥3,4被打開,將上氣缸內(nèi)的氣壓放空;下氣缸鎖位閥1,2動作,將儲氣罐0.25MPa的氣壓信號直接送到執(zhí)行機構(gòu)下汽缸。氣缸活塞在強大氣壓的推動下,快速打開調(diào)節(jié)閥,迅速旁路被透平發(fā)電機切斷的高壓蒸汽通道,自動完成高壓蒸汽自控系統(tǒng)的第1功能。當(dāng)預(yù)先設(shè)定的時間一到,邏輯開關(guān)CSA動作切斷電磁閥電源,電磁閥失磁并接通鎖位氣壓,將鎖位閥1～4打開并重新開通上下氣缸氣路。上氣缸隨之充入由1∶1繼動器7發(fā)出并經(jīng)鎖位閥5送來的0.14MPa的彈簧氣壓;下汽缸充入HC手操器送出并經(jīng)定位器定位發(fā)出、經(jīng)1∶1繼動器8氣量放大和鎖位閥6來的閥位信號。此時,調(diào)節(jié)閥由全開快速恢復(fù)到HC手操器預(yù)置的閥位值,自動完成高壓蒸汽自控系統(tǒng)的第2功能。為保證聯(lián)鎖信號一到,有充足的動力將調(diào)節(jié)閥在1s內(nèi)全開,在調(diào)節(jié)閥旁邊設(shè)置儲氣罐一個,防止動作時耗氣量大造成供氣壓力的瞬間下跌。當(dāng)外供氣壓力跌到0.26MPa以下時,鎖位閥5,6,9動作,鎖位閥6將下汽缸氣壓放空,鎖位閥5將1.4MPa氣壓充入上汽缸,鎖位閥9鎖位,保證鎖位閥1～4氣路暢通,調(diào)節(jié)閥自鎖在全關(guān)的位置。調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)附件設(shè)置,由該廠提出方案,調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠按要求制造完成。4高壓蒸汽降壓站聯(lián)鎖動作時間的確定其高壓蒸汽減壓站自控系統(tǒng)的優(yōu)化方案比傳統(tǒng)的設(shè)計方案設(shè)備投入減少50%,僅高溫、高壓調(diào)節(jié)閥和手動副線閥一項就可節(jié)約基建投資近100萬元,當(dāng)然也減少了大量的維修費用;由于聯(lián)鎖動作后的前兩步都是按預(yù)設(shè)值自動完成,增強了無擾動切換功能,減少了人工應(yīng)急介入造成的被動,保證了各等級蒸汽管網(wǎng)切換過程中壓力的穩(wěn)定。由于高壓蒸汽減壓站調(diào)節(jié)閥工作環(huán)境十分惡劣,壓差大、溫度高,有時調(diào)節(jié)閥會處于小開度下工作,單個大閥易引起振動,會大大縮短調(diào)節(jié)閥的使用壽命,且調(diào)節(jié)品質(zhì)也差。在實際應(yīng)用中往往采用一小一大兩閥分程控制,以克服介質(zhì)巨大的不平衡力和提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。當(dāng)然,要由大閥執(zhí)行聯(lián)鎖動作的全部功能,而小閥完成小流量下的調(diào)節(jié)功能。關(guān)于聯(lián)鎖動