導熱油系統(tǒng)控制方案優(yōu)化設計

劉衍釗，高彩霞

(1.中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101；2.青島環(huán)灣檢測評價股份有限公司,山東 青島 266101)

0 引言

某高壓加氫精密分餾裝置采用導熱油系統(tǒng)，由熱媒循環(huán)泵將導熱油送至導熱油爐進行加熱，再通過供熱節(jié)點(重沸器)將熱量傳遞給油品等工藝介質。導熱油系統(tǒng)采用閉環(huán)系統(tǒng)，所需壓力低，加熱較為均勻，具有傳熱效果好、操作簡單、維護方便和節(jié)能等特點。由于導熱油爐輻射管內的導熱油流速不能過低，若導熱油系統(tǒng)負荷波動，會影響傳熱系數和傳熱平均溫差的變化，導致傳熱效率降低，使得供熱節(jié)點的介質溫度出現波動[1]。對于加氫精密分餾裝置，為提高生產質量，必須保證分餾階段中工藝介質加熱過程平穩(wěn)[2]。因此，需要采用合理的控制方案，保證導熱油系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 導熱油系統(tǒng)

導熱油系統(tǒng)主要由儲油罐、熱媒循環(huán)泵、導熱油爐、換熱器和膨脹罐等設備組成。儲存在儲油罐中的導熱油通過熱媒循環(huán)泵送至導熱油爐加熱，再通過換熱器將熱量傳遞給油品等生產介質；同時，采用膨脹罐防止導熱油因受熱膨脹導致整個導熱油系統(tǒng)超壓，并具有高位補壓以及系統(tǒng)補油等作用[3]。

常規(guī)導熱油系統(tǒng)工藝流程比例積分微分(proportion integrtion differentiation,PID)示意圖如圖1所示。

圖1 工藝流程PID示意圖Fig.1 Diagram of process flow PID

2 導熱油系統(tǒng)控制方案

導熱油系統(tǒng)采用閉環(huán)式循環(huán)系統(tǒng)。在生產中要保證整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，一般需要關注以下幾點。

①生產中換熱單元的負荷可能存在較大的波動，如換熱器堵塞、管道泄漏、單元關停等，會導致整個導熱油系統(tǒng)壓力波動。

②為避免導熱油過熱發(fā)生分解并產生積碳，導熱油爐輻射管內的導熱油流速不能過低，一般不低于2 m/s；同時，對流管內導熱油流速則不低于1.5 m/s。

③各供熱節(jié)點所需的熱能不同，需要對換熱單元導熱油流量進行控制，同時避免引起導熱油系統(tǒng)的壓力波動。

可以看出，以上三點之間相互影響、制約。如：對換熱單元進行流量控制時，會影響系統(tǒng)導熱油流量，進而影響導熱油爐內流速[4]。

本文對導熱油控制系統(tǒng)進行了整體設計、優(yōu)化。

2.1 導熱油系統(tǒng)壓力控制方案

該裝置導熱油系統(tǒng)循環(huán)泵采用了離心泵。泵自身無變頻調速功能，需要通過調節(jié)閥改變管道特性，進而調節(jié)循環(huán)泵的工作點，從而達到調節(jié)流量的目的。調節(jié)閥調節(jié)方案一般有以下2種。

①泵出口直接增加調節(jié)閥的直接節(jié)流控制方案。

②泵出口增加旁路回流調節(jié)閥的回流控制方案。

采用直接節(jié)流控制方案，雖然可以提高控制的反應速度和穩(wěn)定性，但考慮到離心泵流量不能低于額定值的30%以及導熱油爐的流速限制，采用增加旁路回流調節(jié)閥的控制方案相對更加安全、可靠。

與壓縮機控制方案類似，采用旁路調節(jié)雖然會造成一部分能量損失，但旁路調節(jié)閥的尺寸一般小于直接節(jié)流調節(jié)閥，能夠降低成本且便于安裝維護[5]。因此，綜合考慮安全、成本、維護等多方面因素，旁路回流調節(jié)方案更適合該裝置的導熱油循環(huán)系統(tǒng)。

旁路調節(jié)控制方案采用導熱油爐出口壓力調節(jié)旁路調節(jié)閥的壓力控制方案。當熱媒循環(huán)泵送出的導熱油與下游各供熱節(jié)點的需求量不一致，反饋至導熱油系統(tǒng)的壓力會發(fā)生變化。此時，通過旁路壓力調節(jié)閥調整送至主路的導熱油量，將系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在設定值處，保持主路系統(tǒng)壓力的平衡狀態(tài)[6]。

2.2 導熱油系統(tǒng)流量控制方案

為保證流經導熱油爐的導熱油流量不低于規(guī)范要求的限定值，通常在導熱油爐出口設置流量計，用于低流量聯鎖保護。低流量時直接聯鎖關停導熱油系統(tǒng)，將會極大地影響裝置的正常生產；而若不能在低流量時及時關停，又會造成導熱油過熱裂解和結焦引發(fā)異常事故。

因此，該裝置導熱油系統(tǒng)設置了3組流量計作3取2流量低低聯鎖，關停導熱油系統(tǒng)，既能保證安全關斷，又可避免因流量計故障導致導熱油系統(tǒng)非正常關停。

采用旁路調節(jié)的導熱油系統(tǒng)控制方案如圖2所示。

圖2 采用旁路調節(jié)的導熱油系統(tǒng)控制方案示意圖Fig.2 Heat transfer oil system control scheme with the bypass regulation

3 導熱油系統(tǒng)優(yōu)化控制方案

采用導熱油系統(tǒng)旁路上的調節(jié)閥調節(jié)主路壓力。以此為主要控制手段，可以減少頻繁的壓力波動，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但當導熱油系統(tǒng)或下游供熱節(jié)點出現異常時，主路壓力下降，旁路上壓力調節(jié)可能會持續(xù)控制回流調節(jié)閥開度，直至其處于關閉狀態(tài)。此時，由于主路導熱油泄漏，同時旁路關閉，可能會導致流經導熱油爐的流量低于限定值，直接引發(fā)導熱油系統(tǒng)的聯鎖關停。

為了使導熱油系統(tǒng)的安全性和經濟性達到最優(yōu)狀態(tài)，降低因下游供熱節(jié)點的故障直接引發(fā)的導熱油系統(tǒng)聯鎖關停頻率，對該裝置導熱油系統(tǒng)控制方案進行優(yōu)化調整。

3.1 系統(tǒng)安全性能優(yōu)化

導熱油系統(tǒng)故障可能造成較高風險或經濟損失。為保證其安全回路的安全完整性等級能夠滿足安全要求，將導熱油爐出口流量3取2低低聯鎖關停優(yōu)化設計為2取1聯鎖觸發(fā)，確保該安全聯鎖在流量低低的情況下能夠及時關停導熱油系統(tǒng)。

①1oo2方案。

(1)

SSTR=6×(λS)2×MMTTR

(2)

②2oo3方案。

PPFD-avg=(λDU)2×TTI2

(3)

SSTR=2×λS

(4)

式中：PPFD-avg為危險失效平均概率；SSTR為安全失效概率；λDU為未檢測到的危險失效率；TTI為維護周期；λS為安全或故障停車失效率；MMTTR為平均維修時間。

但對于相同的安全或故障停車失效率λS，采用2取1方案的SSTR則遠高于3取2方案，增加了系統(tǒng)的誤停車率[7]。

3.2 系統(tǒng)可靠性能優(yōu)化

為合理調整系統(tǒng)的安全性和可靠性、減少系統(tǒng)不必要的停車概率，將不參與聯鎖的1路流量計與導熱油系統(tǒng)壓力調節(jié)回路作自動選擇控制。流量計設定低流量報警(該報警值略高于低低流量聯鎖值)。當流量低于報警值時，旁路上調節(jié)閥的調節(jié)回路將由壓力調節(jié)切換至流量調節(jié)，通過回流保證導熱油流量不低于限定值。該控制方案可以在導熱油系統(tǒng)壓力或流量波動的情況下，及時調整導熱油回流量來保證系統(tǒng)的壓力和流量最小限值，避免因流量和壓力持續(xù)降低直接導致系統(tǒng)聯鎖關停造成不必要的損失，保證系統(tǒng)最低運行工況，為生產操作爭取更多的調整時間。

采用選擇控制的導熱油系統(tǒng)控制方案如圖3所示。

圖3 采用選擇控制的導熱油系統(tǒng)控制方案示意圖Fig.3 Heat transfer oil system control scheme with the selective control

4 供熱節(jié)點流量控制優(yōu)化方案

該導熱油系統(tǒng)的供熱節(jié)點溫度控制方案，由加熱介質出口溫度直接控制導熱油量。同時，為保證供熱節(jié)點導熱油的穩(wěn)定性，將加熱介質出口溫度(TE-201)與導熱油流量(FT-201)作串級控制，可有效減少系統(tǒng)干擾對供熱效果的影響[8]。

加熱介質溫度與導熱油流量的串級控制方案如圖4所示。

圖4 串級控制方案示意圖Fig.4 Cascade control scheme

但在裝置運行過程中發(fā)現：若某供熱節(jié)點(或多個供熱節(jié)點)對導熱油需求量較大，當溫度調節(jié)發(fā)生滯后時，采用上述控制方案會導致導熱油系統(tǒng)很難獲得控制平衡點。這會使導熱油系統(tǒng)發(fā)生較大的負荷波動，影響其他供熱節(jié)點的溫度調節(jié)[9]。

因此，為降低供熱節(jié)點對導熱油系統(tǒng)的影響，為負荷較大的供熱節(jié)點增加旁路并設置旁路調節(jié)閥。采用加熱介質出口溫度(TE-201)分程控制導熱油供熱線調節(jié)閥(TV-201A)和導熱油旁路調節(jié)閥(TV-201B)的控制方案。

加熱介質溫度分程控制方案如圖5所示。

圖5 加熱介質溫度分程控制方案示意圖Fig.5 Split control scheme for heating medium temperature

在供熱節(jié)點負荷發(fā)生波動的情況下，導熱油通過旁路流量進行調節(jié)，使通過該節(jié)點的導熱油總量保持不變，保證了導熱油系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性[10-11]。

通過仿真某供熱節(jié)點負荷波動的異常工況，導熱油系統(tǒng)出口壓力調節(jié)仿真曲線如圖6所示。

圖6 導熱油系統(tǒng)出口壓力調節(jié)仿真曲線Fig.6 Simulation curves of outlet pressure adjustment of heat transfer oil system

由圖6可知：曲線B供熱節(jié)點采用分程控制方案對系統(tǒng)壓力的控制明顯優(yōu)于采用流量串級控制的曲線A，保證了其他供熱節(jié)點不會受到導熱油系統(tǒng)波動的影響。實踐證明，導熱油系統(tǒng)優(yōu)化控制方案在實際投運后，裝置的控制效果和產品收益均有明顯提升。

5 結論

通過對導熱油系統(tǒng)和供熱節(jié)點控制方案的優(yōu)化設計，對導熱油系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進行了合理分配。該方案既提高了導熱油系統(tǒng)的安全等級，又保證了導熱油系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并在實際的生產應用中得到了很好的驗證，對同類裝置的設計應用具有積極的指導意義。

優(yōu)化設計所采用的控制方案均成熟可靠、易于實現，極大地提高了該裝置生產產品的質量和生產操作的效率、降低了系統(tǒng)的風險概率和能量損失，對導熱油系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運行起到了至關重要的作用。