導熱油系統控制方案優化設計

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，由熱媒循環泵將導熱油送至導熱油爐進行加熱，再通過供熱節點(重沸器)將熱量傳遞給油品等工藝介質。導熱油系統采用閉環系統，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[2]。因此，需要采用合理的控制方案，保證導熱油系統的穩定運行。

1 導熱油系統

導熱油系統主要由儲油罐、熱媒循環泵、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超壓，并具有高位補壓以及系統補油等作用[3]。

常規導熱油系統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 導熱油系統控制方案

導熱油系統采用閉環式循環系統。在生產中要保證整個系統的平穩運行，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壓力波動。

②為避免導熱油過熱發生分解并產生積碳，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進行了整體設計、優化。

2.1 導熱油系統壓力控制方案

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

①泵出口直接增加調節閥的直接節流控制方案。

②泵出口增加旁路回流調節閥的回流控制方案。

采用直接節流控制方案，雖然可以提高控制的反應速度和穩定性，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，采用旁路調節雖然會造成一部分能量損失，但旁路調節閥的尺寸一般小于直接節流調節閥，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，旁路回流調節方案更適合該裝置的導熱油循環系統。

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

2.2 導熱油系統流量控制方案

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，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異常事故。

因此，該裝置導熱油系統設置了3組流量計作3取2流量低低聯鎖，關停導熱油系統，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非正常關停。

采用旁路調節的導熱油系統控制方案如圖2所示。

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

3 導熱油系統優化控制方案

采用導熱油系統旁路上的調節閥調節主路壓力。以此為主要控制手段，可以減少頻繁的壓力波動，提高整個系統的穩定性。但當導熱油系統或下游供熱節點出現異常時，主路壓力下降，旁路上壓力調節可能會持續控制回流調節閥開度，直至其處于關閉狀態。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，直接引發導熱油系統的聯鎖關停。

為了使導熱油系統的安全性和經濟性達到最優狀態，降低因下游供熱節點的故障直接引發的導熱油系統聯鎖關停頻率，對該裝置導熱油系統控制方案進行優化調整。

3.1 系統安全性能優化

導熱油系統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低低聯鎖關停優化設計為2取1聯鎖觸發，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。

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，增加了系統的誤停車率[7]。

3.2 系統可靠性能優化

為合理調整系統的安全性和可靠性、減少系統不必要的停車概率，將不參與聯鎖的1路流量計與導熱油系統壓力調節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，旁路上調節閥的調節回路將由壓力調節切換至流量調節，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的壓力和流量最小限值，避免因流量和壓力持續降低直接導致系統聯鎖關停造成不必要的損失，保證系統最低運行工況，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控制方案如圖3所示。

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

4 供熱節點流量控制優化方案

該導熱油系統的供熱節點溫度控制方案，由加熱介質出口溫度直接控制導熱油量。同時，為保證供熱節點導熱油的穩定性，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現：若某供熱節點(或多個供熱節點)對導熱油需求量較大，當溫度調節發生滯后時，采用上述控制方案會導致導熱油系統很難獲得控制平衡點。這會使導熱油系統發生較大的負荷波動，影響其他供熱節點的溫度調節[9]。

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

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

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

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

由圖6可知：曲線B供熱節點采用分程控制方案對系統壓力的控制明顯優于采用流量串級控制的曲線A，保證了其他供熱節點不會受到導熱油系統波動的影響。實踐證明，導熱油系統優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

通過對導熱油系統和供熱節點控制方案的優化設計，對導熱油系統的安全性和穩定性進行了合理分配。該方案既提高了導熱油系統的安全等級，又保證了導熱油系統的穩定運行，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、降低了系統的風險概率和能量損失，對導熱油系統長期穩定的運行起到了至關重要的作用。