制氫裝置燃料用氣流量/壓力選擇性-分程控制算法

胡小東 賀代芳 杜 群 朱新明

(1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依 833600；2.中國(guó)石油獨(dú)山子石化總公司，新疆 克拉瑪依 833600)

制氫裝置燃料用氣包括燃料氣和來(lái)自變壓吸附(PSA)的燃燒脫附氣，其流量恒定是保證轉(zhuǎn)化爐穩(wěn)定燃燒的重要條件。爐前燃料氣進(jìn)料壓力過(guò)高或過(guò)低都會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)化爐的安全燃燒，當(dāng)燃料氣壓力過(guò)高時(shí)噴嘴會(huì)出現(xiàn)脫火現(xiàn)象，造成熄火；當(dāng)燃燒室里形成大量的燃料氣-空氣混合物時(shí)，極易造成爆炸事故；當(dāng)燃料氣壓力過(guò)低時(shí)會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，可能引起燃料氣管道大面積燃燒。王桐海對(duì)使用3年的Incoloy800H合金的天然氣制氫轉(zhuǎn)化爐豬尾管開(kāi)裂進(jìn)行了失效分析，通過(guò)金相和掃描電鏡斷口分析，確定了長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱和結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大是造成其壽命縮短并最終導(dǎo)致該豬尾管發(fā)生了蠕變開(kāi)裂和內(nèi)外壁面晶間氧化開(kāi)裂的主要原因[1]。

筆者以中國(guó)石油獨(dú)山子石化總公司的制氫裝置的生產(chǎn)工藝為背景，充分考慮燃料氣壓力這一限制條件，采用流量/壓力選擇性-分程控制策略，把壓力限制條件構(gòu)成邏輯關(guān)系，疊加到正常的流量控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制保護(hù)與常規(guī)控制的有機(jī)結(jié)合[2]，既滿(mǎn)足了流量穩(wěn)定的控制要求，又保證了轉(zhuǎn)化爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行。另外，由于生產(chǎn)負(fù)荷升、降時(shí)會(huì)引起燃料用氣流量的大幅波動(dòng)，如果僅采用單回路調(diào)節(jié)，很難穩(wěn)定流量，于是對(duì)主要燃料用氣流量，采用滑動(dòng)分程控制算法，很好地解決了這個(gè)難題。

1 脫附氣流量/壓力選擇性控制算法①

脫附氣是補(bǔ)充燃料用氣，其流量/壓力選擇性控制系統(tǒng)儀表工作流程如圖1所示。該系統(tǒng)中設(shè)置了3臺(tái)控制器，一臺(tái)為在正常工況下工作的流量控制器FIC1043；另外兩臺(tái)均作用于極限工況下，一臺(tái)是用于高壓限制的壓力控制器PIC1064B，另一臺(tái)則是用于低壓限制的壓力控制器PIC1064A。

1.1 選擇器類(lèi)型的選擇

從安全角度考慮，確定脫附氣流量控制閥FV1043的氣開(kāi)和氣關(guān)類(lèi)型。由于故障狀態(tài)下應(yīng)該立即切斷脫附氣進(jìn)料，因此FV1043選擇事故關(guān)閥(FC)，即氣開(kāi)閥。

確定正?？刂破鱂IC1043和取代控制器PIC1064A/B的正、反作用。正常控制回路和極限取代控制回路是兩個(gè)獨(dú)立的回路，不能同時(shí)工作，相當(dāng)于兩個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，因此按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的確定方法[3]：當(dāng)流量增大時(shí)，控制器FIC1043輸出減小，閥FV1043關(guān)小，使流量減小恢復(fù)至原值，因此FIC1043選擇反作用方式；同理，PIC1064A/B也選擇反作用方式。

根據(jù)取代控制器的輸出信號(hào)類(lèi)型，確定選擇器是高選器還是低選器[4]。取代控制器PIC1064A/B均為反作用控制器。這時(shí)高壓極限取代條件是PIC1064B.OPFIC1043.OP，則低壓限制取代選擇器FY1043A選擇高選器HS。

1.2 控制規(guī)律的確定

一般來(lái)講，由于正?？刂破髌鹬ＷC產(chǎn)品質(zhì)量的作用，而流量本身滯后較小，因此FIC1043選用PI(比例積分)控制規(guī)律[5]；對(duì)于取代控制器而言，只要求它在非正常情況時(shí)能及時(shí)采取措施，故PIC1064A/B選用P(比例)控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的快速保護(hù)。

實(shí)現(xiàn)脫附氣流量/壓力選擇性控制算法的功能模塊如圖2所示，工藝脫附氣流量FT1043A/B/C先經(jīng)過(guò)中值過(guò)濾，完成密度補(bǔ)償(由壓力測(cè)量PT1064和脫附氣分子量設(shè)定HC10708提供補(bǔ)償數(shù)據(jù))后，作為脫附氣流量控制器FIC1043的PV信號(hào)?？刂破鱂IC1043的遠(yuǎn)程給定值來(lái)自PSA系統(tǒng)，其輸出信號(hào)FIC1043.OP先與高壓限制控制器PIC1064B輸出信號(hào)PIC1064B.OP同時(shí)輸入到低選器中進(jìn)行比較。當(dāng)壓力不超過(guò)高壓極限(即在正常范圍)時(shí)，不滿(mǎn)足取代條件，F(xiàn)IC1043.OP順利通過(guò)低選器，再與低壓限制控制器PIC1064A輸出信號(hào)PIC1064A.OP進(jìn)行高選。如果此時(shí)壓力信號(hào)也沒(méi)有超過(guò)低壓極限(即仍處于正常范圍)，則此時(shí)正常控制回路工作，由流量控制器FIC1043輸出控制FV1043動(dòng)作，進(jìn)行正常調(diào)節(jié)。而壓力只要超過(guò)高限或低限，取代條件滿(mǎn)足，壓力控制將取代流量控制。這樣的設(shè)計(jì)可以有效防止脫附氣壓力過(guò)低或過(guò)高引發(fā)停車(chē)。

圖2 脫附氣流量/壓力選擇性控制算法功能模塊

2 燃料氣流量/壓力選擇性-分程控制算法

燃料氣的流量/壓力選擇性控制算法與脫附氣的算法相同。燃料氣流量控制器FIC1042先后與高、低壓限取代控制器PIC1059B、PIC1059A進(jìn)行低、高選比較，如果壓力在高壓、低壓極限范圍內(nèi)(即在正常范圍)，則實(shí)現(xiàn)流量控制；當(dāng)壓力過(guò)高或過(guò)低時(shí)系統(tǒng)立刻為壓力控制取代，從而防止燃料氣壓力過(guò)低或過(guò)高引發(fā)停車(chē)。篇幅原因，不再贅述。

燃料氣作為制氫裝置的主要燃料用氣，其流量的穩(wěn)定是保證轉(zhuǎn)化爐燃燒控制穩(wěn)定的關(guān)鍵。為了進(jìn)一步提高流量的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了滑動(dòng)分程控制算法。通過(guò)高選和低選環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)分成兩路，一路由控制器HC1042A控制大閥FV1042A，一路由控制器HC1042B控制小閥FV1042B，使A、B兩閥按照?qǐng)D3所示的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)分程調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足了不同生產(chǎn)負(fù)荷下燃料氣流量穩(wěn)定升降的控制要求。

圖3 A、B兩閥滑動(dòng)分程動(dòng)作

滑動(dòng)分程控制算法結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滑動(dòng)分程控制算法結(jié)構(gòu)

2.1 傳送控制模塊算法

圖5 傳送控制模塊結(jié)構(gòu)

2.2 低負(fù)荷區(qū)域分程控制算法

當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷量較低時(shí)，燃料氣流量小，由于FIC1042是反作用，因此高選輸出信號(hào)W為大信號(hào)，傳送模塊S=0。

小閥分程計(jì)算模塊：OP=IP×(1+K)，而送至減法器的E=0，可以使小閥FV1042B的閥位以1+K的斜率滑動(dòng)增大或減小，用以調(diào)節(jié)流量。

2.3 臨界至正常負(fù)荷區(qū)域的分程控制算法

當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷量達(dá)到臨界值時(shí)，高選輸出信號(hào)W為臨界信號(hào)，傳送模塊S由0跳變到1(在正常區(qū)域內(nèi)S恒定為1狀態(tài))。

2.4 高負(fù)荷區(qū)域分程控制算法

當(dāng)繼續(xù)提升生產(chǎn)負(fù)荷量時(shí)，高選輸出信號(hào)W為小信號(hào)，傳送模塊E端信號(hào)由0跳變到1，這時(shí)M=0。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)石油獨(dú)山子石化總公司在聯(lián)合加氫制氫裝置中采用CS3000系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燃料用氣流量/壓力選擇性-滑動(dòng)分程控制算法，燃料用氣流量/壓力選擇性控制系統(tǒng)在滿(mǎn)足流量穩(wěn)定控制要求的同時(shí)，又保證了轉(zhuǎn)化爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行；滑動(dòng)分程控制算法則使系統(tǒng)在不同生產(chǎn)負(fù)荷下進(jìn)一步提高了流量控制穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 王桐海.制氫轉(zhuǎn)化爐Incoloy800H合金下豬尾管斷裂分析[J].化工機(jī)械,2011,38(3):361～363,369.

[2] 逯建權(quán),梁官軍.基于超馳-分程控制的加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)壓力復(fù)雜控制方案[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,36(4):477～480.

[3] 陸德民.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[4] 雷軍霞,王赟.分程控制在DeltaV系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(8):1068～1069.

[5] 蔡吉明,方宏昌.防喘振控制中的過(guò)程解耦與超馳控制分析[J].石油化工自動(dòng)化,2012,47(6):45～48.