第9章自动控制及安全联锁Word文档下载推荐.doc
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装置开停工、正常运行、再生、紧急停车(机泵或单元操作)等几乎所有的操作均可在控制室内完成。
只需拨动DCS的键盘、操作台上的开关、按钮即可。
如流量控制,欲增加流量,只要从画面上调出该流量调节器,按调节器给定值增加键使增加流量达到新的要求值,此值与测量值比较,经调节器运算则使输出值变化,经电信号传输线到就地流量调节阀上,使其阀开度加大,流量上升达到所要求的数值。
同样可在室内开、关自动阀门或切断阀门。
危急时刻也在室内启动快速泄压阀泄压,以保证装置安全。
②安全可靠:
只有控制方案的合理,有效,可靠和可操作,才能实现制定系统的安全。
另外,控制系统的可靠性对装置安全、长周期、高效等至关重要。
不仅如此,还要将操作和控制分离,即:
用分散控制系统(DCS)完成监控功能、紧急停车/安全联锁系统(ESD/SIS)用于发生事故(包括DCS故障)时,能够安全、迅速地使装置泄压,实现DCS与ESD/SIS的相互独立和相辅相成。
控制系统的可靠性包括检测的可靠性和控制可靠性。
a检测的可靠性:
加氢裂化装置由于高压分离器、循环氢压缩机入口缓冲罐的假液位、高压原料油泵出口的假流量指示等,已造成过多起停工和事故。
b控制方案的可靠性:
单一信号引发的误动作经常发生,对加氢裂化装置重要的流量、液位等信号应采用“3取2”表决式,即3个信号去安全联锁系统,只有2个信号异常(超高或超低)后,才能启动安全联锁系统。
③足够的信息量:
控制系统能提供完整、充分的信息给操作人员,使其明了目前装置所处的状态:
正常、不正常或接近于约束条件。
由于DCS的开放性,能与全厂管理网络通讯,接受工厂调度所给的指令,也能通讯联络各独立单元,如接受压缩机所给出信息:
轴振动、位移和轴承温度等等以显示压缩机的状态。
具有丰富的流程图画面显示:
温度、压力、流量、液位和物流分析,控制回路的测量值、给定值;
各监视点测量值;
调节器自动、手动、阀门开关、泵开停和报警等状态,以及操作提示等等。
操作人员能全面地掌握装置的情况,确定正确的操作,以保证装置能平稳运行。
加氢裂化装置工艺过程不容易实现本质安全性,当操作条件偏离设计值时,往往会造成危险局面,需要将安全“设计进去”,主要是通过自动控制系统来实现,即依靠安全联锁系统、安全泄压系统等安全保护设施来实现,只有采取了这些有效的安全手段和措施,才能降低事故发生的概率,把事故损失降到最小。
因此,自动控制方案的合理性、有效性、可靠性和可操作性,直接影响装置的安全性,节能降耗和效益的发挥。
9.2.1压力监测与控制
1.典型的压力控制
加氢裂化装置典型压力控制方案主要有:
简单压力控制、压力分程调节控制、压力-自动选择控制、变频调速控制几种形式,压力作为副参数可与温度串级控制等。
①简单压力控制
应用较多的一种压力控制形式,如:
高压分离器顶压力控制排废氢量,低压分离器顶压力控制低分气排放量,新氢压缩机入口压力控制三返一(两级压缩时控制二返一)调节阀、提塔顶夺力控制排酸性气,减压分馏塔真空度靠水封罐顶不凝气返回控制等。
②压力分程调节控制
压力分程调节控制主要用于正常操作不产生气体或不正常时产生气体的设备。
如:
原料油缓冲罐、注水罐、分馏塔顶回流罐和冲洗油罐等设备。
③压力-转速串级控制
压力-转速串级控制主要用于加氢裂化装置循环氢压缩机的控制。
对于蒸汽透平驱动的离心式循环氢压缩机,压缩机出口压力在高压分离器压力稳定的情况下,由系统差压决定。
循环氢压缩机要适应生产方案变化、运转初期和运转末期气体组成的变化、气密阶段新氢的循环、催化剂硫化工况、催化剂再生工况等阶段的考验,不同阶段压缩机出口压力不同。
④压力递推自平衡控制
主要指加氢裂化装置新氢压缩机的级间返回控制,对于三级压缩的新氢压缩机其压力控制可采用:
a、三级出口直接返回一级入口的大返回控制方案。
b、三级出口返回三级入口、二级出口返回二级入口、一级出口返回一级入口的逐级返回控制方案。
⑤压力分程-自动选择控制
主要用于加氢裂化装置高压分离器与新氢压缩机系统的联合控制。
加氢裂化装置是一个耗氢装置,反应需要在一定的压力和氢气条件下进行,反应系统压力的维持,通过稳定高压分离器的压力控制。
新氢气的供给,由新氢压缩机提供。
新氢压缩机由于压缩比较大,一般采用多级往复式压缩,将高压分离器与多级压缩的新氢压缩机系统联合控制,同时控制了反应系统压力和反应的深度,实现了反应部分的稳定操作。
2.加氢进料缓冲罐的压力分程控制
加氢进料缓冲罐的位置见图9-2-1-1,缓冲罐的下部为原料油,上部空间充氮气,当原料油进入罐内时,液位上升;
原料油被泵抽出时,液位下降。
正常操作时液位在一定范围内波动,液位上升时上部气体去火炬,液位下降时则向上部空间补充氮气,保证缓冲罐一直为正压,不让空气进入缓冲罐。
为此,缓冲罐设置了压力控制PIC-l01。
PIC-l01的取压点在缓冲罐(V-1)顶或罐顶与切断阀连接的管道上。
而调节器输出至两个调节阀:
PV-l01A(阀开时向罐补充氮气)、PV-l0lB(阀开时罐内的气体排至火炬)如图9-2-1-2所示。
调节器的输出分为两部分:
0%-50%和50%-100%,分别作用于PV-l01A和PV-l01B,这种方式称为分程控制。
两个调节阀选用气开式阀(FC),当净化压缩空气(仪表风)故障(即停风)时,两个阀门都处于关闭状态,以便保持缓冲罐内的压力,减少恢复正常操作的时间以及氮气的损失。
当PIC-l01输出为0%时,PV-l01A阀全开,而PV-l01B处于全关;
当PIC-l01输出为50%时PV-l01A阀与PV-l01B都处于全关;
当PIC-l01输出为100%时,PV-l01A阀全关,而PV-l01B处于全开。
分程控制在石油化工装置得到广泛应用,它与简单控制不同之处在于一个调节器的输出控制两个或多个调节阀,而每个调节阀在不同的输出范围内工作。
两个阀工作范围在某种情况下允许交叉,但在此处进料缓冲罐压力控制不能采用,因为这样会增加氮气耗量。
3.反应系统压力控制
由于反应耗氢、溶解、泄漏损失等因素,需要及时补充氢气。
如不补充氢气,势必反应系统压力下降。
循环氢压缩机出口的氢气,一部分作为反应器急冷氢控制温度,另一部分与补充氢气混合后,经与反应器流出物换热升温后进入循环氢加热炉。
原料油经进料泵升压后与反应器流出物换热升温,与循环氢加热炉加热后的氢气混合进入加氢精制、加氢裂化反应器,生成的反应产物及未反应物(反应器流出物),经高压换热器换热、冷却降温后进人高压分离器。
无论何种工艺流程,只须高压分离器顶或循环氢压缩机人口设置一套压力控制,即可控制反应系统的压力。
(1)高压分离器压力控制
加氢裂化每吨原料耗氢一般为200Nm3~400Nm3。
1.5Mt/a加氢裂化装置每小时须补充氢气约40000Nm3~60000Nm3。
由于从制氢装置或其他产氢装置来的氢气压力一般只有1~3MPa,因此要经过压缩机升压后才能进入反应系统。
往复式压缩机具有低排量、高出口压力的特点,适合于加氢裂化补充氢压缩机的工艺要求,一般补充氢压缩机都采用往复式。
a)通常高压分离器的压力控制往往与补充氢压缩机压力控制系统联系在一起,其目的是自动补氢,以平衡加氢裂化的氢耗,稳定反应系统的压力。
见图9-2-1-3所示。
当高压分离器压力下降时,其容器上的压力输出信号给PV-101,使PV-101阀开度减小,返回氢量减少,则去高分的氢气量增多,促使高分压力上升;
当高分压力上升时,其容器上的压力输出信号给PV-101,使PV-101阀开度增加,返回氢量也增加,去高分的氢气量减小,从而使高压分离器压力达到给定值。
b)压力递推自平衡控制的意义:
压缩机出口压力控制的需要:
当压缩机出口压力高时,从三级出口逐级返回一级入口,由于三级出口流量减少,新氢入反应系统的流量减少,高压分离器压力降低,压缩机出口压力降低。
当压缩机出口压力低时,关闭或级出口逐级返回一级入口的流量,三级出口流量增加,新氢入反应系统的流量增大,高压分离器压力提高,压缩机出口压力升高。
当然,压缩机出口压力的高低,都是以控制装置平衡为目的。
压缩机动力平衡的需要:
多级压缩的往复式新氢压缩机一般采用卧式对称平衡型,从动力平衡的角度选择偶数列布置,最佳的设计方案为各列往复部分的质量相等,每段都有氢气的返回,因此每段的压缩比都等于或接近设计值,从而减少往复及旋转质量惯性力的影响,保证机器长周期稳定运行。
4.压差测量
①反应器压差测量
固定床加氢裂化装置反应器压差大小直接影响循环氢压缩机的差压,从而影响中压蒸汽的消耗,反应器压差大小也直接影响装置的长周期运行。
压差测量的防凝、防堵措施:
a、正负取压点分别从反应器入、出口管线顶部接管,中间床层的接管在反应器冷氢管顶部,出、入口接管根部用循环氢吹扫,吹扫点靠近差压变送器的正负压室,正负反吹循环氢的流量采用气动高压内藏孔板差压流量变送器计量指示,方便调整。
b、正负取压点分别从反应器入、出口管线顶部接短管,引压线分别从入、出口短管侧顶部接管。
压差测量信号一般要求直接引入DCS控制系统,以便操作人员及时掌握。
②反应器各床层差测量
可与固定床加氢裂化装置反应器差测量共用测量仪表。
但可切换操作,需要时可分别测量反应器各床层压差。
反应器各床层压差测量的意义:
加氢裂化原料中含有非油溶性的微小固体颗粒、金属离子、上游装置生产产生的腐蚀产物、携带的焦粉、催化剂粉末等,高温反应还可能产生积碳,这些物质具有粘结和固化催化剂的性质,使催化剂中毒,堵塞催化剂床层,增加系统压降,缩短装置运转周期。
由于不同的物质在反应器中的沉降析出时间不同,生产操作时应密切监控反应器各床层压差,尤其是加氢精制反应器第一床层压差,各床层压差测量原则上应在DCS系统体现。
③原料油过滤器的压差控制
加氢裂化装置加工的原料油主要为:
减压馏分油、焦化蜡油、减粘蜡油、溶剂脱沥青油、催化裂化循环油,渣油加氢裂化加工的原料油主要为:
常压渣油、减压渣油,润滑油加氢裂化加工的原料油主要为:
减压馏分油、溶剂脱沥青油、糠醛精制油、加氢裂化尾油。
这些原料不同程度地含有残炭、沥青质、各种金属化合物、上游装置的腐蚀产物等,这些物质均会不同程度地沉积在反应器床层,造成催化剂中毒和反应器床层压降增大,威胁装置长周期运转,一般通过原料油过滤器尽可能除去。
9.2.2温度监测与控制
加氢裂化反应温度的增加会加快反应速度,从而释放较多的热量,如果不及时地将反应热从系统中取出,势必引起反应器床层温度骤升,导致反应温度失控,严重时会损坏催化剂及反应器。
此外,反应温度的高低还影响反应深度。
当温度高于要求值,反应过度,结果气体及轻馏分增多,未转化油减少;
温度低于要求值,反应深度不够,产生原料部分未转化,因此控制反应温度是很重要的。
除反应器外,换热系统也设置了一些温度控制回路。
为了解装置运行情况,还设置许多温度监视点,其典型的温度控制方案主要有:
简单温度控制、平均温度控制、温度分程调节控制、温度-压力串级控制、温度-流量串级控制、温度-热通量串级分程控制、温度-叶片调角串级控制等几种形式。
(1)反应温度控制的组成
①反应器床层温度测量:
一般采用多点测量,测量点位于催化剂床层上部,填充物以下。
典型的测量方式有:
3点、4点、12点、24点等,国内已有加氢裂化装置多采用3支(或4支)铠装热电偶横插入设备内1个共用保护管内,每一横截面测量3点(或4点)温度。
②反应器床层温度控制:
一般由冷态的急冷氢控制床层温度。
冷态的急冷氢进入反应器后,与上床层高温油气混合,温度降低,均匀分配到下床层,实现对下床层温度的控制。
急冷氢流量的大小由其中1支测量温度控制急冷氢调节阀,其测量值在DCS显示。
③反应温度调节阀的选择:
冷氢调节阀一般采用气关式(FO),当净化压缩空气故障时,调节阀打开,防止床层温度急剧上升。
(2)加氢精制反应器入口温度的控制
氢气在循环氢加热炉升温后,与原料油混合后的温度即为加氢精制反应器入口温度。
如果入口温度太低,就不会发生反应;
温度太高,又会导致床层超温。
对于第2或第3床层,如果注入急冷氢不当,将导致床层入口温度超高,或床层严重超温,甚至损坏催化剂及设备。
因此,加氢精制反应器入口温度一般由温度调节器与加热炉燃料气(油)压力(流量)调节器串级控制反应器入口温度,以克服来自燃料方面的干扰。
加氢精制反应器入口温度调节器为主调节器,它的输出值是燃料气压力调节器(副调节器)的给定值。
当入口温度偏离给定值时,则温度调节器的输出值发生变化,即燃料气压力调节器的给定值变化,因而此调节器输出改变,燃料气调节阀开度相应变化,进入炉子燃料气量变化,使反应器入口温度达到给定值。
当燃料气压力变化时,即压力调节器的测量值发生变化,而此时的给定值未变(即温度调节器的输出未变化),因此压力调节器的输出变化,调节阀开度相应改变而维持压力不变。
从此看出,当燃料气压力变化(即干扰),还未引起炉出口温度(反应器入口温度)变化之前已由副回路压力调节器进行了修正。
图表01精制反应器入口温度与燃料气压力串级控制
加热炉出口温度与燃料气压力串级控制,当炉出口温度变化,TIC1114输出信号发生变化,改变PIC1106的给定,使燃料气的压力改变,达到控制温度的目的。
当系统燃料气压力波动,PT1106测得其信号传输给PIC1106,PIC1106调节器自动跟踪调节。
TIC1114、PIC1106采用反作用调节器。
TIC1114温度升高,TIC1114输出减少,降低PIC1106给定,瓦斯压力降低,减少燃烧量,温度得到控制。
当系统瓦斯压力上升,PIC1106测量增加,应PIC1106采用反作用调节器,其输出减少,阀关小,保持瓦斯压力恒定,保证了温度的稳定。
加氢裂化装置有很多台加热炉,共用一个燃料气(油)系统,各个炉子单独进行温度控制,燃料压力常有波动,采用串级控制有利于克服加热炉燃料带来的干扰。
在调节过程中,副回路具有先调、快调、粗调的特点;
主回路则相反,具有后调、慢调、细调的特点。
主、副回路互相配合与单回路控制(如只设温度控制)相比,大大改善调节过程的品质,串级控制回路有此优点,在炼油、化工厂获得了广泛应用。
循环氢加热炉被加热的介质为氢气,因此,在循环氢加热炉炉管上,设有表面热电偶以监视炉管工况。
对加热炉设有联锁系统确保安全运行,有的加热炉还设有一套完整的燃烧控制系统以提高效率。
(3)加氢精制反应器床层温度的控制
加氢裂化装置精制反应器床层温度由急冷氢进行温度控制。
加氢精制反应器一般由1-3层催化剂床层组成,其氮、硫、氧非烃化合物的氢解反应及烯烃、芳烃的加氢均为放热反应。
因此反应器一床层出口温度必然会上升,为了使二床层入口温度不致过高,在二床层入口温度处设有温度调节器,通过调节冷氢入口管线上的调节阀,控制二床层入口温度。
当入口温度上升时,温度调节器的测量值上升与给定值产生偏差,经调节器运算输出一个变化后的信号给调节阀,使其开度加大,注入更多的急冷氢,使其入口温度下降与给定值一致。
(4)加氢裂化反应器入口温度控制
①尾油循环式:
在循环氢加热炉升温后氢气与加氢精制反应器流出物及循环油混合后的温度即为加氢裂化反应器入口温度。
当入口温度超高时,易造成反应器温度失控,因此必须严格控制。
采用反应器入口温度调节器与燃料气(油)压力(流量)调节器进行串级控制。
一般裂化反应器入口温度给定在350~370℃,当测量值大于此值时,温度调节器的输出值变化,使燃料气压力调节器的给定值也发生变化,则调节器的输出改变,而使燃料气管线上的调节阀开度减小,从而减少供给加热炉的燃料量,使循环氢加热炉出口温度下降,使反应器入口温度下降达到给定值。
相反,则调节的结果使供给加热炉的燃料增加,而使反应器入口温度上升达到给定值。
总之,严格地控制入口温度,以满足工艺过程的要求。
②一次通过式:
是有加氢精制反应器流出物及裂化反应器入口冷氢构成加氢裂化反应器入口温度。
当入口温度上升时,温度调节器的测量值上升与给定值产生偏差,经调节器运算输出一个变化后的信号给冷氢调节阀,使其开度加大,注入更多的急冷氢,使其入口温度下降与给定值一致。
(5)加氢裂化反应器床层温度控制
分子筛载体的加氢裂化催化剂,反应温度增加10℃,裂化活性上升一倍,催化剂床层入口温度较低的变化,将带来床层出口温度较大的变化。
因此,加氢裂化装置的一个重要要求是必须提供或具有一个能精确或仔细控制反应温度的手段,避免操作失误或设备失灵时,催化剂床层“飞温”。
见图9-2-2-1所示。
为此,把催化剂床层分为几层,控制每层入口温度,就会控制好每层出口温度,这样最后一层入口温度达到给定值,出口温度就能满足要求了。
采用各层之间注入急冷氢的方法控制下一层入口温度,尽量控制各层催化剂床层的入口温度相同,每层催化剂床层温升不大于10~20℃(根据工艺过程确定),以利延长催化剂的使用寿命。
第一催化剂床层入口温度即为反应器入口温度,由加热炉燃烧或急冷氢流量来控制;
第二催化剂床层入口温度控制,由放在第二床层的入口层温度调节器运算输出一个变化后的信号,给第一、第二床层之间的管线上冷氢调节阀,使其开度发生变化,从而使第二床层入口温度与给定值一致;
第三、第四催化剂床层入口温度控制与第二床层相同。
第四催化剂床层出口温度较入口高出10~20℃。
为保证在催化剂床层温度骤然上升时,有足够的急冷氢进入反应器,不致造成床层温度失控(或称“飞温”),应设置急冷氢管线上的调节阀尺寸大,使之能流过更多的氢气量,此阀正常时的开度约为全行程的三分之一。
(6)高压换热系统的温度控制
①高压换热系统的流程
加氢裂化反应温度为360~400℃,反应器流出物需要冷却到40~60℃进入高压分离器,在高压分离器中,使富氢气体与油、水分离。
反应器流出物降温释放出的巨大热量,利用换热器将进入反应器的循环氢气及原料油加热,需要时,也可用一加热分馏部分的脱丁烷塔进料。
其流程见图9-2-2-2
②高压换热器温度控制
a反应器流出物/循环氢换热(E-1)
利用反应器流出物热量,在换热器中升高循环氢的温度到300℃左右,再进入加热炉(F-1、F-2)升温。
如换热器出口温度太低,则炉子要消耗大量的燃料才能保证反应器入口温度达到要求值,导致装置能耗上升;
如果换热器出口温度太高,加热炉负荷太低,造成操作困难。
两者兼顾,以加热炉负荷稍低于炉子设计热负荷的一半为宜。
因此,设置温度调节回路TRC101,以控制换热后循环氢的温度。
TRC-101的检测温点放在E-1循环氢出口与旁路氢气汇合点的下游测,此点要能真正代表混合后的温度。
两个调节阀,一台设在E-1氢气入口线上,另一台设在旁路上。
在国内加氢裂化装置中TRC101的控制方案如图,有两种:
一种是交叉型,当混合温度低于给定值,调节作用的结果使A阀开度加大,进入E-1的循环氢量大,吸收更多的热量,而旁路阀B开度同步减小,即旁路流减小,因此混合后温度上升达到给定值。
相反,则A阀开度减少,B阀开度加大,混合后温度—F降达到给定值;
另一种是“V”型,当混合温度高于给定值,调节作用的结果首先A阀开度减少,进入E-1的循环氢量变小,如果阀位输出到50%时,A阀已经全关,混合温度仍高于给定值,则B阀开度逐渐加大,直到温度测量值与给定值相等。
TRC101两种控制阀位图
A阀气关(FO),B阀气开(FC),当仪表空气突然停上时,几乎全部循环氢进入热交换器E-1,反应器流出物换热冷却后温度更低,即进入高压分离器的温度低,不会出现安全问题,相反,反应器流出物换热冷却后温度过高,即进入高压分离器的温度高,大量烃气体与氢气一同进入循环氢压缩机的管线,沿途降温会产生大量的凝液,严重时会损坏压缩机,因此A阀选用气关阀(FO)是正确的。
由此可见,调节阀的作用方式(FO或FC)应当引起人们的关注。
这两个调节阀只起物流分配作用,不要求关严,因此,选用价位较低的蝶阀就能满足要求。
采用两个调节阀的方式,可调整范围比较宽。
b反应流出物/原料油换热(E-2)
原料油换热后的温度不能超过规定的反应器人口温度,既要充分利用反应器流出物的热量,又要使循环氢加热炉有一定的热负荷。
TRC-l02检测温点及调节阀的选择与TRC-l01类似。
c反应器流出物/低分液体(脱丁烷塔进料)换热(E-3)
低压分离器底液体换热升温后作为脱丁烷塔(T-1)的进料,其温度控制TRC-l03使热交换器出口温度满足脱丁烷塔进料要求。
检测温点设在低分液体从E-3出口与旁路物流混合的下游侧,调节阀在旁路线上。
这种方法调整的范围有限,但能满足工艺要求。
d反应流出物冷却温度控制(A-1)
反应流出物换热降温后进人空冷器(A-1),A-1出口温度即高压分离器人口温度,高分除压力控制外,尚须控制人口温度,以避免轻烃气体进入循环氢压缩机入口管线,温度降低时产生冷凝液造成故障,因此设置THC-l04控制出口温度。
TRC-l04
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