渣油加氫裝置典型控制方案

李 健，周 琴，張乾坤

(1.安徽華東化工醫(yī)藥工程有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200315；2.上海華西化工科技有限公司，上海 200315)

固定床渣油加氫技術(shù)使比較成熟的渣油加氫工藝技術(shù)，相較于其他渣油加氫技術(shù)，固定床渣油加氫技術(shù)的投資和操作費(fèi)油低、運(yùn)行安全簡單，是目前渣油加氫技術(shù)的首選技術(shù)，占渣油加氫總能力的75%[1-2]。在未來幾年渣油加氫裝置建設(shè)中，固定床渣油加氫技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位的格局仍不會有太大的改變。山東地方某煉油企業(yè)新建渣油加氫裝置采用CLG公司(CHEVRON LUMMUS GLOBAL)的VRDS技術(shù)及工藝包，其工藝流程和國內(nèi)普通固定床加氫技術(shù)有較大的不同，自動控制方案也具有其特點(diǎn)。以下對該技術(shù)的工藝流程特點(diǎn)和典型的自動控制方案進(jìn)行介紹。

1 技術(shù)特點(diǎn)及工藝流程

本裝置以減壓渣油、RFCC循環(huán)油(HCO)為原料，經(jīng)過加氫反應(yīng)，脫除硫、氮、金屬等雜質(zhì)，降低殘?zhí)己?，為催化裂化裝置提供優(yōu)質(zhì)原料，同時(shí)生產(chǎn)部分柴油，并副產(chǎn)少量石腦油和含硫干氣。CLG公司VRDS技術(shù)包含1臺上流式反應(yīng)器(UFR)和4臺固定床(單床層)反應(yīng)器，上流式反應(yīng)器采用Ni基球形催化劑，4臺固定床反應(yīng)器采用Ni-Mo基四葉草形催化劑。在上流式反應(yīng)器中反應(yīng)流出物自下而上流動，與傳統(tǒng)的下流式固定床反應(yīng)器相比，上流式反應(yīng)器具有更低的壓降和更大的抗壓降增加能力。此外，上流式反應(yīng)器中催化劑可以分為幾個(gè)床層，裝填不同性能的催化，以便更大程度發(fā)揮各床層催化劑的特點(diǎn)。

該工藝的工藝流程是：原料油與循環(huán)氫混合后經(jīng)加熱爐加熱至一定溫度進(jìn)入上流式反應(yīng)器脫除Na、Ca、Fe等金屬離子，上流式反應(yīng)流出物再依次進(jìn)入4臺固定床反應(yīng)器發(fā)生脫硫、脫氮、芳烴飽和、加氫裂化反應(yīng)等。反應(yīng)流出物經(jīng)換熱、汽液分離后進(jìn)入氣提塔脫除H2S，氣提塔底油經(jīng)加熱爐加熱后進(jìn)入分餾塔分離出石腦油、柴油、渣油等產(chǎn)品。

2 典型自動控制方案

2.1 上流式反應(yīng)器R-101入口溫度控制

上流式反應(yīng)器入口溫度是上流式反應(yīng)器反應(yīng)部分重要的控制參數(shù)，圖1為上流式反應(yīng)器入口溫度控制方案示意圖。

圖1 上流式反應(yīng)器入口溫度控制

本裝置加氫進(jìn)料經(jīng)加熱爐H-101加熱至反應(yīng)溫度后進(jìn)入上流式反應(yīng)器R-101，反應(yīng)器進(jìn)料溫度與加熱爐的燃料氣的流量有關(guān)。提溫時(shí)，提高加熱爐H-101出口溫度TC1068的給定值，通過串級控制FC1043提高燃料氣流量來提高反應(yīng)器R-101入口溫度。反之，降低加熱爐H-101出口溫度TC1068的給定值，通過串級控制FC1043降低燃料氣流量來提高反應(yīng)器R-101入口溫度。如果加熱爐燃料中氫氣含量過大，燃料氣熱值波動將使加熱爐溫度忽高忽低，采用補(bǔ)償控制策略來防止這種溫度忽高忽低。首先由燃料氣流量FI1043、壓力PI1039、溫度TI1042和比重AI1003計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)流量Q(SCFM)如下式：

然后乘以低熱值(LHV)得出輸入熱量q。燃料氣熱值根據(jù)燃料氣比重AI1003推導(dǎo)出。

輸入熱量q與溫控TC1068共同作為加熱爐燃料氣流控FC1043給定，通過調(diào)節(jié)加熱爐燃料氣量使反應(yīng)器入口保持所需要的溫度。

2.2 反應(yīng)器系統(tǒng)壓力控制

由于加氫反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)，所以從熱力學(xué)看，加壓對于化學(xué)平衡是有利的。同時(shí)，在壓力增加條件下,催化劑表面上反應(yīng)物和氫的濃度都增大，其反應(yīng)速度也隨之加快。圖2為反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制方案示意圖。

圖2 反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制

本裝置取循環(huán)氫壓縮機(jī)的入口處壓力為基準(zhǔn)點(diǎn)，控制補(bǔ)充新氫到循環(huán)氫壓縮機(jī)出口處的量；在循環(huán)氫壓縮機(jī)的入口處氣相，1路PV1001控制系統(tǒng)外排火炬量來保護(hù)反應(yīng)器系統(tǒng)回路；另一路FC1024控制系統(tǒng)外排到提濃氫單元的氫氣量；液相到V-210富胺液閃蒸罐。

本裝置反應(yīng)系統(tǒng)的壓力控制點(diǎn)設(shè)在循環(huán)氫壓縮機(jī)的入口處，通過壓控PC1090調(diào)節(jié)新氫補(bǔ)充量來恒定系統(tǒng)壓力。壓控PC1001控制系統(tǒng)外排火炬量來保護(hù)反應(yīng)器系統(tǒng)回路不超壓。壓控PC1001設(shè)定值應(yīng)高于循環(huán)氫壓縮機(jī)入口壓力低于冷高分器頂安全閥的設(shè)定值，主要的系統(tǒng)外排應(yīng)通過壓控PC1001來實(shí)現(xiàn)。通過開啟釋放氣排放調(diào)節(jié)器FC1024排放廢氫到提濃氫單元，在保證總壓的條件下可提高系統(tǒng)氫分壓。在正常情況下該調(diào)節(jié)閥的給定值不得任意變動。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于催化劑床層結(jié)焦，反應(yīng)器的壓降將逐步增大，為了保持反應(yīng)器系統(tǒng)回路的壓力，反應(yīng)器入口的壓力將會逐漸提高。提壓時(shí)，提高PC1090的給定值，通過提高系統(tǒng)的補(bǔ)充氫量來提高反應(yīng)器系統(tǒng)壓力；降壓反之。

2.3 熱高壓分離器液位的控制

經(jīng)換熱至360℃的反應(yīng)流出物熱高壓分離器進(jìn)行汽液分離，氣相經(jīng)冷卻后進(jìn)入循環(huán)氫系統(tǒng)循環(huán)，液相經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后進(jìn)入熱低壓分離器。液位是熱高壓分離器控制的重要參數(shù)，防止高壓氣體串流至低壓設(shè)備，造成低壓設(shè)備的超壓。圖3為熱高壓分離器液位控制方案示意圖。

從反應(yīng)流出物/反應(yīng)進(jìn)料換熱器E-104A/B出來的流出物，進(jìn)入熱高分離器V-103，高壓分離的氣相到熱高分氣/混合氫換熱器E-106A/B，液相經(jīng)減壓后到熱低壓分離器V-104。正常時(shí)候，熱高分離器V-103液位應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，設(shè)定的液位波動不超過±10%，液位波動時(shí)嚴(yán)防高壓串低壓。通過液控閥LV1001A/B調(diào)整流入熱低分的流量來控制熱高分離器的液位。配備平行的兩個(gè)高壓減壓閥組，一個(gè)"A"正常操作，另一個(gè)“B”備用。液位指示器LI1013的低低液位關(guān)閉功能使液控LC1001AB進(jìn)入手動狀態(tài)并輸出信號關(guān)閉液控閥。正常使用LC1001A來控制熱高分離器V-103的液位，LC1001B作為備用。

圖3 熱高壓分離器液位控制

根據(jù)CLG的設(shè)計(jì)理念，熱高壓分離器油相管線、冷高壓分離器油相管線和水相管線、循環(huán)氫脫硫塔富液管線均不設(shè)置快速開關(guān)閥，僅設(shè)置1開1備的液位控制閥。在液位控制閥內(nèi)部有多級的可調(diào)節(jié)的孔板。在多級閥閥體內(nèi)部通過一個(gè)障礙物來控制閥通道內(nèi)限流部位。從而達(dá)到限制流量、防止串壓的目的。

2.4 注水罐液位控制

圖4 注水罐液位控制

加氫裝置熱高分氣換熱后容易產(chǎn)生硫化銨鹽的結(jié)晶，當(dāng)產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶的時(shí)候會導(dǎo)致管束堵塞，管束腐蝕及管束的污垢下腐蝕。 反應(yīng)注水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是在反應(yīng)流出物空冷器中熱高分氣達(dá)到結(jié)晶溫度之前，要保證注入系統(tǒng)的洗滌水要有一定的液相。本裝置的洗滌水選用凈化水(來自酸性水汽提裝置)、含油污水(來自本裝置分餾塔回流罐)及除鹽水。圖4為注水罐液位控制方案示意圖。

除氧水，凈化水，含油污水共計(jì)3路進(jìn)入注水罐V-201，要求液位應(yīng)控制40%～60%，注水罐液位由液控LC1032控制?？刂破?順序"控制進(jìn)料線上的三個(gè)閥門：含油污水閥“A”、凈化水閥“B”和除氧水閥“C”。當(dāng)液位下降時(shí)，優(yōu)先開啟含油污水閥“A”，液位仍下降時(shí)，再開啟凈化水閥“B”，當(dāng)液位仍下降時(shí)，再開啟除氧水閥“C”；反之，先關(guān)小除氧水閥“C”，再關(guān)小凈化水閥“B”，最后關(guān)小含油污水閥“A”。

2.5 分餾塔進(jìn)料加熱爐F-3001緊急循環(huán)控制

如果加熱爐進(jìn)料管線超過一路，那么出入口的管線要進(jìn)行熱和液壓平衡以保證每條之路的流量相等。CLG的設(shè)計(jì)依賴各支路管線的平衡而不是支路控制閥。為防止低負(fù)荷下各路進(jìn)料偏流，本裝置在分餾塔進(jìn)料加熱爐入口設(shè)置一條緊急循環(huán)油線。圖5為分餾塔進(jìn)料加熱爐緊急循環(huán)控制方案示意圖。

圖5 分餾塔進(jìn)料加熱爐緊急循環(huán)控制方案圖

自汽提塔C-301來的正常物料在塔底液位和流量串級控制下進(jìn)入分餾塔進(jìn)料加熱爐，進(jìn)料管系采用均勻?qū)ΨQ布置。當(dāng)汽提塔進(jìn)料減小及汽提塔抽出流量變低時(shí)，通過加熱爐緊急循環(huán)流控FC1082，讓一部分分餾塔底物流返回至加熱爐入口作為加熱爐補(bǔ)充進(jìn)料，以維持加熱爐的最小安全流量，防止各路管線偏流。當(dāng)分餾塔底返回物流與汽提塔底油合并依舊低于加熱爐的最小安全流量，這時(shí)需要聯(lián)鎖停爐。

2.6 分餾塔塔頂壓力的控制

分餾塔的壓力越高，塔頂產(chǎn)品的沸點(diǎn)也越高，以至輕組分的分離越困難，所以被分離出來的產(chǎn)品偏輕且少；相反，壓力降低時(shí)分餾的產(chǎn)品偏重且多。因此塔頂壓力是分餾塔操作一個(gè)重要的控制參數(shù)。圖6為分餾塔塔頂壓力控制方案示意圖。

圖6 分餾塔塔頂壓力控制方案圖

分餾塔氣相由塔頂空冷器及后水冷器完全冷凝。由分餾塔的背壓控制器PC1153來控制空冷器的冷凝液液位。PC1153是分程控制，能自動調(diào)整空冷器的冷凝液液位。冷凝液液位的變化使氣相冷凝量與從分餾塔來的氣相量相匹配。分餾塔塔頂回流罐V-302超壓保護(hù)是由帶有高設(shè)定值的壓控PC1154來實(shí)現(xiàn)的。控制器通過控制外排不凝氣的量來控制回流罐的壓力。壓控PC1154的高設(shè)定值要高于分餾塔壓控PC1153設(shè)定值。這樣可保證外排到火炬系統(tǒng)的塔頂氣相不冷凝。

正常操作中，空冷器冷卻氣相物流通過部分打開控制閥“A”自流進(jìn)入到回流罐中?？刂崎y“B”是壓力平衡線的控制閥。這個(gè)平衡閥正常操作時(shí)全開使分餾塔壓力與回流罐壓力相同。當(dāng)分餾塔壓力降低時(shí)，自流閥稍關(guān)一些，通過減少空冷管表面積來增加空冷器的的液位、減少塔頂氣相的冷凝。當(dāng)分餾塔壓力升高時(shí)，自流閥稍開一些，通過增加空冷管表面積來降低空冷器的的液位、增加塔頂氣相的冷凝。當(dāng)分餾塔的壓力升到控制器PC1153的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，自流閥"A"全開，平衡閥"B"開始慢慢關(guān)閉。如果分餾塔壓力繼續(xù)上升，平衡閥將會全部關(guān)閥使全部的氣相物流通過空冷器。如果分餾塔壓力繼續(xù)上升到回流罐壓控"超壓"即PC1154的設(shè)定值時(shí)，超壓控制閥將打開將氣相外排至火炬系統(tǒng)來降壓。

2.7 柴油汽提塔C-303塔底重沸器熱負(fù)荷的控制

柴油汽提塔C303塔底液，1路經(jīng)過柴油汽提塔重沸器E-301打循環(huán)，另1路經(jīng)柴油泵P-304A/B 去柴油/冷低分油換熱器E-205，然后經(jīng)柴油空冷器A-303出裝置。

圖7 柴油汽提塔C-303塔底重沸器熱負(fù)荷的控制

分餾塔底物流旁通汽提塔重沸器的流量控制由流量比值控制器FFC1090來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)控制器控制著操作員設(shè)定的負(fù)荷/產(chǎn)品比率。重沸器加熱負(fù)荷是與柴油抽出量成比例，提供足夠的能脫除柴油汽提塔中輕烴組分所需的熱量。輕烴組分的脫除使柴油產(chǎn)品能滿足閃點(diǎn)要求。重沸器的負(fù)荷是由通過重沸器(分餾塔底物流)的溫差、分餾塔底物流流量和柴油熱容計(jì)算出來的。根據(jù)柴油閃點(diǎn)指標(biāo)，改變柴油外送量即可自動實(shí)現(xiàn)重沸器提供熱量的操作。見圖7。

3 結(jié)論

近年來，我國引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)建設(shè)了多套大型渣油加氫裝置，在復(fù)雜控制回路和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)都有全新的思想理念。因此，正確理解該引進(jìn)技術(shù)的工藝特點(diǎn)及自動控制方案對工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作及消化吸收引進(jìn)技術(shù)起著非常重要的作用。