催化裂化裝置主備風(fēng)機系統(tǒng)智能控制技術(shù)的應(yīng)用

張文全，王春梟，王寶鵬，梅勝，潘東

(1.中石油廣西石化公司，廣西 欽州 535000；2.北京康吉森自動化技術(shù)股份有限公司，北京 101318)

催化裂化裝置是煉油企業(yè)最重要的二次加工裝置，而主、備風(fēng)機是催化裂化裝置最關(guān)鍵的核心設(shè)備之一，主要作用是給再生器提供燒焦用風(fēng)和流化用風(fēng)，回收再生煙氣中的大量能量，并維持沉降器和再生器之間的壓力平衡[1]。主風(fēng)機是由三到四部分組成的復(fù)雜機組，包含煙氣輪機、軸流壓縮機、電動(發(fā)電)機，部分裝置還會有4臺蒸汽輪機。備用風(fēng)機通常只包含電機和軸流風(fēng)機。

主風(fēng)機系統(tǒng)在催化裝置中有三種配置方式，第一種為目前主流的三機組模式：煙氣輪機+主風(fēng)機+齒輪箱+電機；第二種為四機組模式：煙氣輪機+主風(fēng)機+汽輪機+齒輪箱+電機；第三種為純發(fā)電式煙機組：煙氣輪機+齒輪箱+發(fā)電機組。無論哪種方式配置煙機，都是用來進行能量回收再利用的。通過煙氣膨脹做工，把從再生器送來的高溫?zé)煔饣厥漳芰?，盡可能的把高于500 ℃以上的煙氣中熱能及壓降能通過煙氣輪機轉(zhuǎn)子帶動主風(fēng)機組做功，使得主電機盡可能少做功甚至可以發(fā)電，回收煙氣能量。

由于風(fēng)機在催化裂化裝置能量回收、壓力平衡中的關(guān)鍵作用，所以，主備風(fēng)機正常生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性和節(jié)能性是日常操作的重點。而主風(fēng)機中的煙氣輪機長期運行在高溫、高轉(zhuǎn)速、腐蝕、多催化劑粉塵等不利環(huán)境下，既要承受復(fù)雜的作用力和熱負荷，又要承受環(huán)境介質(zhì)的腐蝕和氧化，工作穩(wěn)定性差、振動大，因而煙氣輪機很難長期安全、可靠、高效、經(jīng)濟地運行，通常需要在裝置的運行期內(nèi)，多次停機大修。在一些原料劣化嚴(yán)重，催化劑選型不合理的裝置上，一年甚至需要停機大修2～3次[2-3]。定期切換操作則是催化裂化裝置生產(chǎn)過程中過程復(fù)雜、風(fēng)險高的操作難點。

1 當(dāng)前主備風(fēng)機操作過程常見問題

日常操作過程中，如果控制算法不能充分考慮調(diào)節(jié)系統(tǒng)實際存在的一些非線性特征，適當(dāng)進行補償，會導(dǎo)致風(fēng)機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻繁動作，無法卡邊操作，使風(fēng)機機組長時間不在最優(yōu)區(qū)間運行，電機功率波動比較大，造成非常大的能量浪費。

在裝置開停車及異常工況或在用設(shè)備出現(xiàn)故障時，通常需要進行主、備機切換時，操作中則會存在以下問題[4-5]：

1)切換過程目前以人工操作為主，操作強度大，控制精度難把握，容易出現(xiàn)裝置運行參數(shù)大幅波動。

2)切換過程操作過程風(fēng)險大。一旦主風(fēng)機出口放空閥異常打開，會造成裝置主風(fēng)機自保聯(lián)鎖動作，使裝置進入停工處理程序。目前在國內(nèi)催化裝置主、備風(fēng)機組手動切換過程中，造成裝置聯(lián)鎖動作時有發(fā)生。

3)人工操作難以把握煙機入口蝶閥，煙機大、小旁通閥等非線性特征，導(dǎo)致催化裂化裝置中反應(yīng)器和再生器之間的差壓響應(yīng)滯后、兩器差壓波動比較大。

4)操作過程耗時長，易受環(huán)境突發(fā)變化的影響，容易造成主風(fēng)機組入口工況參數(shù)瞬時變化，如果此時操作人員不及時調(diào)整機組負荷，會造成風(fēng)機出口參數(shù)大幅變化，嚴(yán)重影響裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)。

因此迫切需要一種成套的智能控制系統(tǒng)，既能實現(xiàn)切機過程的自動化，又能實現(xiàn)日常的平穩(wěn)節(jié)能控制。

2 主備風(fēng)機智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

主備風(fēng)機智能控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，整個智能控制系統(tǒng)由三部分組成，包括：主備風(fēng)機自動切機控制器，主風(fēng)機性能控制器和備風(fēng)機性能控制器。切換過程中，三個模塊同時作用，按預(yù)設(shè)流程完成自動切機。在正常運行工況下，則只有在運行的風(fēng)機性能控制器起作用，實現(xiàn)日常的平穩(wěn)、節(jié)能操作。

圖1 主備風(fēng)機智能控制系統(tǒng)架構(gòu)示意

3 主備風(fēng)機自動切機控制

由于煙機要從常溫逐漸暖機到500 ℃以上，才可以正常工作，同時煙機入口管徑為1 m以上的金屬管道，如果暖機過快，經(jīng)常發(fā)生入口管線膨脹變形過大或者入口閥門膨脹受力不均勻，反之如果暖機過長，造成大量的能量浪費，不能夠盡快回收煙氣能量。

主風(fēng)機切備風(fēng)機工藝原理如圖2所示，切換過程如下：

圖2 主風(fēng)機切備風(fēng)機控制原理示意

1)各控制回路均投自動運行，主風(fēng)機組投入送風(fēng)量和總管出口壓力關(guān)聯(lián)加權(quán)性能控制。

2)備風(fēng)機組投入送風(fēng)量和總管出口壓力關(guān)聯(lián)加權(quán)性能控制，備機出口壓力設(shè)定值自動根據(jù)此刻主機出口壓力值自動生成目標(biāo)值，總管流量控制器目標(biāo)值保持此刻實測值。

3)打開備風(fēng)機組送風(fēng)閥。

4)選擇備機切入系統(tǒng)，開始全自動切機。此刻備機出口壓力逐漸升高到大于總管出口壓力一定值時，備機出口單向閥開始打開，總管出口流量開始逐漸增加，當(dāng)檢測到總管流量增加一定量時，主風(fēng)機組放空閥開始逐漸打開，放出多余的主風(fēng)量，當(dāng)再次檢測到主風(fēng)總管流量達到平衡時，開始繼續(xù)循環(huán)上次進程，隨著備風(fēng)機放空閥(防喘振閥)的逐漸關(guān)閉，主風(fēng)進入系統(tǒng)，主風(fēng)機的放空閥自動逐漸打開。

5)由于在切機過程中會有再生器壓力波動，增設(shè)了當(dāng)備風(fēng)機組出口壓力達到設(shè)定值后，程序自動計算調(diào)整目標(biāo)出口壓力設(shè)定值，使得備風(fēng)機組持續(xù)保持出口壓力大于主機出口壓力和總管出口壓力，主備風(fēng)機進行持續(xù)不間斷能量轉(zhuǎn)換。

6)當(dāng)檢測到主風(fēng)機組出口壓力低于總管壓力一定值時，主機出口單向閥開始自動關(guān)閉，此刻切換完成，主風(fēng)機退出系統(tǒng)。

備風(fēng)機切主風(fēng)機工藝原理如圖3所示，切換過程如下：

圖3 備風(fēng)機切主風(fēng)機控制原理示意

1)各控制回路均投自動運行，備風(fēng)機組投入送風(fēng)量和總管出口壓力關(guān)聯(lián)加權(quán)性能控制。

2)主風(fēng)機組投入送風(fēng)量和總管出口壓力關(guān)聯(lián)加權(quán)性能控制，主機出口壓力設(shè)定值自動根據(jù)此刻備機出口壓力值自動生成目標(biāo)值，總管流量控制器目標(biāo)值保持此刻實測值。

3)打開主風(fēng)機組送風(fēng)閥。

4)選擇主機切入系統(tǒng)，開始全自動切機。此刻主機出口壓力逐漸升高到大于總管出口壓力一定值時，主機出口單向閥開始打開，總管出口流量開始逐漸增加，當(dāng)檢測到總管流量增加一定量時，備風(fēng)機組放空閥開始逐漸打開，放出多余的主風(fēng)量，當(dāng)再次檢測到主風(fēng)總管流量達到平衡時，開始繼續(xù)循環(huán)上次進程，隨著主風(fēng)機放空閥(防喘振閥)的逐漸關(guān)閉，主風(fēng)進入系統(tǒng)，備主風(fēng)機的放空閥自動逐漸打開。

5)由于在切機過程中會有再生器壓力波動，增設(shè)了當(dāng)主風(fēng)機組出口壓力達到設(shè)定值后，程序自動計算調(diào)整目標(biāo)出口壓力設(shè)定值，使得主風(fēng)機組持續(xù)保持出口壓力大于備機出口壓力和總管出口壓力，主備風(fēng)機進行持續(xù)不間斷能量轉(zhuǎn)換。

6)當(dāng)檢測到備風(fēng)機組出口壓力低于總管壓力一定值時，備機出口單向閥開始自動關(guān)閉，此刻切換完成，備主風(fēng)機退出系統(tǒng)。

4 兩器差壓控制過程

催化裂化裝置反應(yīng)器和再生器壓力之間應(yīng)保持一定的差壓，叫兩器差壓。兩器差壓不能任意改變，在切換過程中需保持穩(wěn)定。反應(yīng)壓力通過調(diào)節(jié)氣壓機轉(zhuǎn)速或氣壓機出口氣體循環(huán)量而保持不變，再生器壓力通過雙動滑閥或煙機入口蝶閥調(diào)節(jié)再生器壓力而保持與反應(yīng)器恒定的壓差[6-8]。

兩器差壓控制采用了一系列的優(yōu)化措施，平衡差壓控制的速度和穩(wěn)定性之間的矛盾：

1)分析控制閥的閥門特性，增設(shè)了調(diào)節(jié)偏差死區(qū)功能，減少了煙機蝶閥、大小旁通閥頻繁調(diào)節(jié)。

2)結(jié)合工程經(jīng)驗，在保證安全的前提下，調(diào)整控制閥的爬坡速率，加快調(diào)節(jié)速度，使調(diào)節(jié)更及時有效。

3)在穩(wěn)定主風(fēng)總管風(fēng)量和再生器壓力基礎(chǔ)上，利用性能控制的解耦控制能力，優(yōu)選主風(fēng)機靜葉和防喘振閥的調(diào)節(jié)幅度，盡量減小防喘振閥開度，實現(xiàn)防喘振工作點壓線運行，降低主風(fēng)機的總體能耗。

4)兩器差壓解耦控制器實時根據(jù)兩器差壓測量時，計算輸出給煙機入口蝶閥和煙機大小旁通閥開度，當(dāng)需要升高兩器差壓時，優(yōu)先關(guān)小煙機大小旁通閥，然后再關(guān)小煙機入口蝶閥；當(dāng)需要降低兩器差壓時，優(yōu)先開大煙機入口蝶閥，然后再開大煙機大小旁通閥。

5)煙機功率控制器實時計算蝶閥允許的最小開度，一旦超過設(shè)定電機最大發(fā)電功率，煙機入口蝶閥將限制蝶閥繼續(xù)打開。

6)煙機蝶閥故障瞬時關(guān)閉時，系統(tǒng)實時計算對應(yīng)煙氣流量，在一個掃描周期之內(nèi)迅速把雙動滑閥打開到計算位置。

5 應(yīng)用效果

某石化公司3.5 Mt/a催化裂化裝置于2010年8月28日正式投產(chǎn)，該裝置是中國第一套采用UOP技術(shù)的重油催化裂化裝置，所配套的主風(fēng)機、煙機也是國內(nèi)同類裝置中的最大機組。該裝置包含2套主風(fēng)機，分別是主風(fēng)機和備用主風(fēng)機。因此，在2020年檢修前，制訂了詳細的自動切機方案、性能控制方案、煙機蝶閥和大小旁通閥的控制策略，并于檢修期間付諸實施，最終成功實現(xiàn)了主、備機無擾動一鍵切機、全自動控制主風(fēng)量、兩器差壓控制響應(yīng)速率達到了預(yù)期的效果。

具體實施中，首先是提升了硬件平臺的性能，將原TRICON控制系統(tǒng)CPU版本升級，使系統(tǒng)掃描時間從80 ms，縮短到50 ms。更高的系統(tǒng)采樣頻率使現(xiàn)場數(shù)據(jù)能更及時地反饋運行情況，從而提升控制性能。

軟件方面，更新了控制系統(tǒng)防喘振函數(shù)庫，采用了目前為止最新的性能控制算法、自動切機算法、兩器差壓控制算法等先進智能控制功能。另外在人機界面中增加了自動切機畫面，完善了兩器差壓控制參數(shù)。

項目最終在2020年5月2日投入運行，成功實現(xiàn)了主備風(fēng)機全自動一鍵切機，將原來需要1 h左右的切機過程縮短到10 min內(nèi)完成。正常運行狀態(tài)中，兩器壓力調(diào)節(jié)迅速及時，實現(xiàn)了卡邊控制，使電機功耗降低了8.4 MW，降幅達47%，節(jié)能效果十分顯著。

兩器壓差控制工藝趨勢如圖4所示，可以看出，兩器差壓很好地穩(wěn)定在一定區(qū)域內(nèi)，在一定波動范圍內(nèi)不進行調(diào)節(jié)，只有超過一定波動范圍，才會調(diào)節(jié)。

圖4 兩器差壓控制工藝趨勢示意

投用性能控制后，主風(fēng)機組靜葉由38.8°關(guān)到了28.8°，防喘振閥開度由11.3%關(guān)到了1.5%，主風(fēng)總管流量波動范圍在0～30 m3/min，主電機功率由17.398 MW降到8.973 MW，電機功率降幅達8.425 MW。

系統(tǒng)還有效地提升了裝置安全運行的水平。在備風(fēng)機性能控制投用后，備風(fēng)機組在某一時段檢測到總管流量異常下降后，靜葉自動由51.0°增大到57.0°，主電機功率由15.594 MW升到了15.816 MW，主風(fēng)總管流量波動始終保持在30 m3/min之內(nèi)。在事后分析異常發(fā)生原因時，工藝人員發(fā)現(xiàn)是因裝置的安全閥存在故障，異常跳開導(dǎo)致的。如果當(dāng)時沒有投用性能控制，此事將會造成主風(fēng)低流量，進而切斷進料，導(dǎo)致非計劃停車的事故發(fā)生。

6 結(jié)束語

自機組聯(lián)動試車到正式開車以來，經(jīng)不斷調(diào)整優(yōu)化后，備用主風(fēng)機自動切至主風(fēng)機組運行，整個過程只需10 min就自動完成，切換過程中主風(fēng)總管流量波動小于30 m3/min，壓力波動小于5 kPa。與傳統(tǒng)催化裂化的手動操作方式完成主備風(fēng)機的切換模式相比，智能切換技術(shù)的應(yīng)用可以使控制更加平穩(wěn)可靠、高效安全，并杜絕誤判誤操作的可能，從而保證了工藝系統(tǒng)平穩(wěn)操作的要求。

主備風(fēng)機性能控制投用狀態(tài)下，主風(fēng)總管流量穩(wěn)定，主電機功率大幅降低，裝置運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。

自1965年國內(nèi)第一套催化裂化裝置投產(chǎn)以來，全國所有催化裝置的主、備風(fēng)機的切換一直采用手動操作，兩器差壓或再生器壓力、主風(fēng)機靜葉控制控制通常采用手動模式。該石化公司3.5 Mt/a催化裂化裝置主備風(fēng)機智能控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，驗證了智能控制技術(shù)的安全可靠性和高效平穩(wěn)性，對于國內(nèi)同類裝置提高智能操作水平、穩(wěn)定操作工況、減輕操作強度、實現(xiàn)節(jié)能增效具有很強的指導(dǎo)意義。