IGCC公用工程島Cogen裝置主控系統(tǒng)開發(fā)及研究

韓振

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

目前，中國已鄭重向國際社會承諾，力爭2030年實現(xiàn)碳達峰，努力爭取2060年實現(xiàn)碳中和，這需要進一步增強科技創(chuàng)新能力，不斷調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加快產(chǎn)業(yè)升級換代，努力降低碳排放強度，推動經(jīng)濟社會發(fā)展向綠色低碳轉(zhuǎn)型。但基于中國的能源稟賦，以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)在相當長一段時間內(nèi)無法根本改變。在目前的技術(shù)水平下，整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)IGCC(intergraded gasification combine cycle)是煤炭高效清潔利用的最具優(yōu)勢的技術(shù)之一[1]。

IGCC是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉蠢眉夹g(shù)，與傳統(tǒng)的供汽、發(fā)電鍋爐技術(shù)相比，IGCC技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保等領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢。IGCC是一項系統(tǒng)性工程，是由多種設備、多項技術(shù)集成，包括空分裝置、氣化裝置、氣體凈化裝置、燃氣輪機(GTG)/余熱鍋爐(HRSG)、POX蒸汽過熱爐、輔助鍋爐和蒸汽輪機(STG)等的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)[2]。

IGCC技術(shù)目前主要應用在發(fā)電和化工領(lǐng)域。以發(fā)電為目的的IGCC裝置由于產(chǎn)品品種單一，其整體控制方案僅需要滿足裝置負荷變化的調(diào)節(jié)要求，相對簡單；而在石化領(lǐng)域中的IGCC裝置作為煉化一體化項目的公用工程島，不僅要為煉化裝置提供氫氣、氧氣、氮氣、空氣及各等級蒸汽并發(fā)電，還需根據(jù)公用工程需求變化動態(tài)調(diào)整裝置運行負荷。對應各裝置的功能，有幾個相對獨立的子系統(tǒng)，分別為空分系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)(含氣化、凈化等裝置)，以及Cogen系統(tǒng)(聯(lián)合發(fā)電，生產(chǎn)蒸汽并發(fā)電)。由于系統(tǒng)復雜、因素眾多、影響巨大，煉化一體化項目中的IGCC公用工程島的整體控制方案的重要性和復雜性都大幅增加，其運行的可靠性及控制的靈活性對煉化一體化項目的穩(wěn)定連續(xù)運行具有重要意義。因此，需開發(fā)IGCC公用工程島的主控系統(tǒng)，以提高應對事故工況下對煉化一體化裝置的保供能力。

1 主控系統(tǒng)說明

根據(jù)IGCC各裝置特點、核心設備特性、輸出產(chǎn)品對煉化一體化的重要程度以及事故工況下保護對象的關(guān)鍵排序等，開發(fā)、設計主控系統(tǒng)來確保不同工況的系統(tǒng)調(diào)控需求。由于空分裝置帶有后備系統(tǒng)，可滿足2套氣化爐一天的使用量，有足夠的時間供操作人員介入，控制系統(tǒng)相對簡單。氣化系統(tǒng)主要職責為保證煉廠供氫，氣化爐為“兩開一備”，單套規(guī)模即可滿足供氫要求，保障系數(shù)較高。而Cogen系統(tǒng)由多個產(chǎn)汽單元構(gòu)成，向外界提供高壓蒸汽供乙烯裝置、中壓蒸汽供煉油裝置作為主要驅(qū)動蒸汽及熱源使用，蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定性對一體化項目運行非常關(guān)鍵，由于蒸汽生產(chǎn)單元多且種類復雜，故確定合理的蒸汽系統(tǒng)控制方案，關(guān)乎一體化項目整體運行的可靠性。因此，IGCC主控系統(tǒng)主要針對Cogen裝置而言。

主控系統(tǒng)的設計包括“事件驅(qū)動邏輯”和全廠蒸汽平衡控制：“事件驅(qū)動邏輯”是指在產(chǎn)汽設備輔助鍋爐、POX蒸汽過熱爐或余熱鍋爐等跳車的情況下應執(zhí)行的動作；蒸汽平衡控制是指在正常工況下，通過各級蒸汽總管的壓力控制2套輔助鍋爐、2套余熱鍋爐的產(chǎn)汽量、2套STG抽汽量及超高壓-高壓減溫減壓站、高壓-中壓減溫減壓站、中壓-低壓減溫減壓站。

1.1 Cogen系統(tǒng)配置

某煉化一體化項目共設置四級蒸汽管網(wǎng)，IGCC公用工程島Cogen裝置與蒸汽管網(wǎng)有關(guān)的設備主要有： 2套燃氣輪機配套余熱鍋爐、2套輔助鍋爐、2套POX超高壓蒸汽過熱爐和2套蒸汽輪機，該項目蒸汽系統(tǒng)規(guī)格見表1所列。

表1 全廠蒸汽系統(tǒng)規(guī)格

主要產(chǎn)汽單元情況如下： 每套輔助鍋爐額定產(chǎn)汽量為225 t/h，額定蒸汽壓為11.5 MPa，額定產(chǎn)汽溫度為530 ℃；每套POX蒸汽過熱爐最大蒸汽流量為174 t/h，過熱蒸汽壓力為11.5 MPa，過熱蒸汽溫度為530 ℃；每套余熱鍋爐最大產(chǎn)汽量均為330 t/h，配備有補燃設施及相關(guān)系統(tǒng)；每套蒸汽輪機消耗超高壓蒸汽最大量為220 t/h，中抽高壓蒸汽最大量為150 t/h。Cogen裝置主要設備與蒸汽管網(wǎng)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Cogen裝置主要設備與蒸汽管網(wǎng)的關(guān)系示意

1.2 主控系統(tǒng)蒸汽平衡控制方案

超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力主要通過超高壓輔助鍋爐負荷調(diào)節(jié)來穩(wěn)定： 當管網(wǎng)壓力低，主控系統(tǒng)要求2套輔助鍋爐同時提升負荷，當管網(wǎng)壓力高，主控系統(tǒng)要求2套輔助鍋爐同時降低負荷；高壓和中壓蒸汽管網(wǎng)壓力主要通過蒸汽輪機的抽汽量調(diào)節(jié)；低壓蒸汽管網(wǎng)壓力通過放空閥調(diào)節(jié)；開啟余熱鍋爐的補燃系統(tǒng)，也可增加高壓蒸汽產(chǎn)量；同時還可以通過超高壓/高壓減溫減壓器、高壓/中壓減溫減壓器、中壓/低壓減溫減壓器調(diào)節(jié)。主控系統(tǒng)的蒸汽平衡控制方案如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)的蒸汽平衡控制方案示意

1.2.1超高壓蒸汽總管壓力控制

在正常工況下，超高壓蒸汽母管壓力是由輔助鍋爐和超高壓/高壓減溫減壓器控制。當蒸汽母管壓力過低時，由主控系統(tǒng)發(fā)出控制指令。超高壓蒸汽壓力控制主控動作見表2所列。

1.2.2高壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制

在正常工況下，由2臺蒸汽輪機的高壓抽氣來控制高壓蒸汽母管壓力，當高壓蒸汽管網(wǎng)壓力過低時，主控系統(tǒng)發(fā)出控制指令。高壓蒸汽壓力控制主控動作見表3所列。

表3 高壓蒸汽壓力控制主控動作

1.2.3中壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制

在正常工況下，由2臺蒸汽輪機的中壓抽氣控制中壓蒸汽母管壓力，當中壓蒸汽管網(wǎng)壓力過高時，可以通過中壓-低壓減溫減壓器調(diào)節(jié)，當中壓蒸汽管網(wǎng)壓力過低時，通過開啟高壓-中壓減溫減壓站進行調(diào)節(jié)，無需主控指令。

1.2.4低壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制

在正常工況下，由低壓排放閥來控制低壓蒸汽主管壓力，當?shù)蛪赫羝麎毫^低時，由中壓/低壓減溫減壓器來調(diào)節(jié)，無需主控指令。

1.3 事件驅(qū)動控制邏輯

根據(jù)對不同事故工況下蒸汽系統(tǒng)壓力波動的動態(tài)模擬分析，結(jié)合不同產(chǎn)汽設備響應速度，確定了3條聯(lián)鎖控制邏輯，分別針對不同工況，具體如下：

1)A邏輯。主控系統(tǒng)發(fā)送信號至余熱鍋爐的燃燒管理系統(tǒng)，要求開啟余熱鍋爐的補燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設定值。

2)B邏輯。主控系統(tǒng)發(fā)送信號至余熱鍋爐的燃燒管理系統(tǒng)，要求開啟余熱鍋爐的補燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設定值，同時發(fā)送信號至汽輪機的壓縮機組綜合控制系統(tǒng)(ITCC)，要求1套汽輪機聯(lián)鎖跳車。

3)C邏輯。主控系統(tǒng)發(fā)送信號至余熱鍋爐的燃燒管理系統(tǒng)，要求開啟余熱鍋爐的補燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設定值，同時發(fā)送信號至汽輪機的ITCC，要求2套汽輪機聯(lián)鎖跳車。

1.4 事故工況下主控系統(tǒng)控制邏輯

蒸汽管網(wǎng)壓力是主控系統(tǒng)的主要保護對象之一，而影響蒸汽管網(wǎng)壓力波動的主要因素是6套產(chǎn)汽設備中的1套或多套跳車。將運行中的產(chǎn)汽設備數(shù)目設為N1，N1的范圍為0～6；將產(chǎn)汽設備跳車數(shù)目設為N，N的范圍為0～6；將檢修或離線的產(chǎn)汽設備數(shù)目設為M；其中N+N1=6，N≥M，N-M為當前跳車的產(chǎn)汽設備數(shù)量；若N-M=0，表示無產(chǎn)汽設備跳車。Cogen裝置典型事故工況如下： 1套輔助鍋爐跳車(N≥1)，2套輔助鍋爐跳車(N≥2)，1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車(N≥1)，2套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車(N≥2)，1套POX蒸汽過熱爐跳車(N≥1)，2套POX蒸汽過熱爐跳車(N≥2)。

主控系統(tǒng)在不同事故工況下，執(zhí)行的控制邏輯如下：

1)1套產(chǎn)汽設備跳車，即N-M=1，且M=0，執(zhí)行A邏輯。

2)至少2套產(chǎn)汽設備跳車，即N-M>1，或1套產(chǎn)汽設備跳車且1套或多套處于檢修/離線狀態(tài)，即N-M=1，M≥1，執(zhí)行B邏輯。

產(chǎn)汽設備的運行信號通過計數(shù)器1來統(tǒng)計N1，此時，N=6-N1，產(chǎn)汽設備的檢修/離線信號由操作員手動輸入，通過計數(shù)器2來統(tǒng)計當前的M。則N-M為當前跳車的產(chǎn)汽設備數(shù)量，根據(jù)跳車產(chǎn)汽設備數(shù)量及處于檢修/離線狀態(tài)的產(chǎn)汽設備數(shù)量來判斷執(zhí)行A邏輯或B邏輯。

3)2套輔助鍋爐均跳車，或1套輔助鍋爐處于檢修/離線狀態(tài)，而另一套輔助鍋爐跳車，執(zhí)行C邏輯。

2 主控系統(tǒng)的動態(tài)模擬驗證

采用動態(tài)模擬軟件Dysim模擬了上述典型事故工況以及相應的控制方案，模型范圍包括與所有保護對象相關(guān)的主要設備、管道和儀表。通過保護對象的流量或壓力隨時間的變化曲線來表征工況的影響程度以及主控系統(tǒng)做出相應的響應以及動作是否能夠保證研究對象的波動在允許范圍內(nèi)，滿足裝置正常運行的要求。

在Cogen系統(tǒng)中，與煉化一體化裝置關(guān)聯(lián)度最大的是超高壓蒸汽管網(wǎng)和高壓蒸汽管網(wǎng)，此外6臺產(chǎn)汽設備的運行/故障直接影響這2條管網(wǎng)的穩(wěn)定運行，中壓與低壓蒸汽管網(wǎng)通過簡單的DCS控制即可實現(xiàn)，無需主控系統(tǒng)介入。因此，動態(tài)模擬對各種事故工況的分析著眼于針對超高壓/高壓管網(wǎng)。

2.1 1套輔助鍋爐跳車

該工況是指2套輔助鍋爐運行情況下，1套輔助鍋爐忽然跳車，主控系統(tǒng)執(zhí)行A邏輯，另一套輔助鍋爐在超高壓蒸汽母管壓力控制下自動提升負荷。1套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 1套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線示意

由圖3可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力在10.7～11.2 MPa波動，5 min后平穩(wěn)；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力波動很小，波動時間不足10 min。

2.2 2套輔助鍋爐跳車

該工況是指2套輔助鍋爐運行情況下同時跳車，或1套檢修時另1套跳車，主控系統(tǒng)執(zhí)行C邏輯。2套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 2套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線示意

由圖4可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力無問題，高壓蒸汽管網(wǎng)2 min內(nèi)壓力下降到3.45 MPa，3 min后壓力就可以恢復。

2.3 1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車

該工況是指2套燃氣輪機和余熱鍋爐正常運行情況下，1套燃氣輪機和余熱鍋爐跳車，主控系統(tǒng)執(zhí)行A邏輯。1套燃氣輪機跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 1套燃氣輪機跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線示意

由圖5可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力在10.94～11.02 MPa波動，10 min內(nèi)恢復穩(wěn)定；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力在3.56～3.66 MPa內(nèi)波動，20 min內(nèi)恢復。

2.4 2套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車

該工況是指在2套燃氣輪機和余熱鍋爐在正常運行時同時跳車，主控系統(tǒng)執(zhí)行B邏輯。2套燃氣輪機跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 2套燃氣輪機跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線示意

由圖6可知，超高壓及高壓蒸汽管網(wǎng)壓力2 min內(nèi)下降到10.2 MPa，而后開始提升。高壓蒸汽管網(wǎng)壓力瞬間降到3.5 MPa后，繼續(xù)下降，管網(wǎng)壓力無法維持。通過主控系統(tǒng)調(diào)整不能滿足外部裝置用汽要求，還需公用工程島外部裝置減少高壓蒸汽用量以維持管網(wǎng)穩(wěn)定。

2.5 1套POX蒸汽過熱爐跳車

該工況是指2套POX蒸汽過熱爐正常運行情況下，其中1套跳車，主控系統(tǒng)執(zhí)行A邏輯。1套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力瞬間降到10.63 MPa，然后開始回升，5 min內(nèi)恢復；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力稍有波動，20 min內(nèi)恢復平穩(wěn)。

圖7 1套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線示意

2.6 2套POX蒸汽過熱爐跳車

該工況是指2套POX蒸汽過熱爐運行情況下同時跳車，主控系統(tǒng)執(zhí)行B邏輯。2套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線如圖8所示。

圖8 2套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線示意

由圖8可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力瞬間降到10.95 MPa，40 min后恢復平穩(wěn)。高壓蒸汽管網(wǎng)壓力20 min內(nèi)降到3.5 MPa，而后開始緩慢提升，最終穩(wěn)定。通過主控系統(tǒng)調(diào)整，蒸汽供應量和蒸汽管網(wǎng)壓力均能夠達到要求。

2.7 1套輔助鍋爐運行時1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車

該工況是指在只有1套輔助鍋爐運行情況下，2套燃氣輪機和余熱鍋爐正常運行時，1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車，主控系統(tǒng)執(zhí)行B邏輯。1套輔鍋運行時1套燃機跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線如圖9所示。

圖9 1套輔鍋運行時1套燃機跳車后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的變化曲線示意

由圖9可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力無問題，在11.1～11.5 MPa內(nèi)波動，約40 min后恢復穩(wěn)定；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力約20 min后最低降到3.47 MPa，而后開始提升，35 min內(nèi)恢復至3.55 MPa。通過主控系統(tǒng)調(diào)整，蒸汽供應量和蒸汽管網(wǎng)壓力均能夠達到要求。

3 結(jié)束語

作為公用工程島的IGCC裝置是整個煉化一體化工工程的能源中心，為其他裝置提供所需的氫氣、蒸汽以及電，是一套復雜的系統(tǒng)工程，需要相應的控制系統(tǒng)才能應對各種復雜工況，保證裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行。本文主要從蒸汽平衡的角度闡述了Cogen裝置主控系統(tǒng)的設計原則、控制邏輯以及事故工況的研究分析，以期為該類主控系統(tǒng)的設計提供借鑒。

通過實例研究，采用動態(tài)模擬的方法進行多工況組合分析，驗證主控系統(tǒng)控制邏輯的合理性，量化調(diào)控參數(shù)以及影響時間，發(fā)現(xiàn)主控系統(tǒng)難以解決的事故工況，并對不同工況下的生產(chǎn)操作、全廠協(xié)同控制、應急管理措施等方面提供設計依據(jù)。

將Cogen裝置內(nèi)的主要設備和蒸汽管網(wǎng)進行有機整合、統(tǒng)一控制，提出了一套切實可行的邏輯控制方案，可供實際工程設計借鑒使用。