无级气量调节系统在连续重整装置中的设计及实现

无级气量调节系统在连续重整装置中的设计及实现无级气量调节系统实际应用的关键，在于它与过程控制的有机结合。

文章叙述无级气量调节系统在连续再接触部分的应用，着重介绍再接触控制过程、无级气量调节系统的设计，以及通过DCS组态在压缩机K202A上实现无级气量调节控制。

标签：超弛控制；负荷；分程点1 概述连续重整装置是炼油系统二次加工的关键装置，是清洁、高辛烷值汽油调和的重要组份，同时也是炼油加氢装置氢气的主要来源。

增压机作为连续重整的关键设备，其平稳运行对炼油系统氢气管网压力的平衡至关重要。

该装置连续重整工艺再接触部分采用美国UOP公司第二代连续重整工艺技术，它的基本控制要求是：在保证重整反应系统压力稳定的前提下向加氢装置提供氢气。

其中三台增压机选用往复式压缩机。

原机组采用两段式压缩三返一回流控制，既级间回流调节。

其压缩机负荷采用0%、25%、50%、75%、100%手动梯级控制。

这种方式调节速度慢，系统压力波动大，耗费大量能源，且无法实现根据实际工况连续自动加载、降载，不能避免开机时快速升压和大比例回流等干扰因素对机组及系统压力的冲击，影响压缩机机组和系统流程的稳定。

2 超驰控制原理重整再接触部分采用美国UOP公司工艺技术，而重整产物分离罐压力的恒定是整个重整反应系统压力恒定的标志。

其控制过程较为复杂，采用分程+超驰控制，其目的是保证重整反应系统压力的稳定。

它是通过氢气增压机K202A、B、C及控制重整再接触部分的三个容器：重整产物分离器D201、1号再接触罐D202（操作压力0.75MPa）和2号再接触罐D203（操作压力1.98MPa）的壓力来实现的。

在保证反应系统压力稳定的前提下，使物料与氢气接触，并根据氢气管网的需求量平稳的供氢。

2.1 超驰控制过程在工艺正常工况下：由于压缩机的排量大于重整反应产氢量，因此PV2016C 为关闭状态。

整个系统的压力调节，首先是在重整产物分离罐D201至2#再接触罐D203之间，通过调节后一级高压氢气返回线调节阀，内部互相调节和补偿以维持系统压力的平衡。

工艺氢气流则是由前向后逐级输送，通过D204压力，控制调节阀PV2042的开度向氢气管网供氢。

当系统压力异常超高，调节阀PV2042的开度已全开仍不能稳定系统压力时，工艺氢气流将按以下压力关联回路逐级逆向排放。

PIC2042压力异常超高，调节器输出低信号至低信号选择器PY2038B，增加PV2038开度，直至全开。

PIC2038压力异常超高，调节器输出低信号至低信号选择器PY2016B，增加PV2016A开度，直至全开。

PIC2016压力异常超高，打开PV2016C至一定开度。

再接触部分的超驰控制原理图如图1所示。

2.2 DCS控制组态的设计实现正常工况下，调节器PIC2016、PIC2038和PIC2042的输出经过低信号选择器PY2016B和PY2038B选择后，压缩机一段回流阀PV2016A及二段回流阀PV2038分别由调节器PIC2016及PIC2038控制。

根据管网氢气的需求量，由调节器PIC2042控制调节阀PV2042向管网提供氢气。

其控制方案中的主要干扰因素是管网氢气需求量的变小或重整产氢量的增大。

当管网氢气需求量的急剧减小：导致2号再接触罐D203的压力增大且超出“安全软限”既超压，调节器PIC2042的输出逐渐增大，大于50%并且与正常工况下的PIC2038的输出比较，最终经过PY2042C反向后被低信号选择器PY2038B 选择，去控制调节阀PV2038，即由超弛控制使其压力回到“安全软限”之内。

待D203压力恢复到“安全软限”内，超弛控制自动退出并将控制权交给调节器PIC2038常规控制。

如果由于二段回流阀PV2038的打开继续使1号再接触罐D202的压力升高且超出“安全软限”既超压，调节器PIC2038的输出逐渐增大，大于50%并且与正常工况下的PIC2016的输出比较，最终经过PY2038D反向后被低信号选择器PY2016B选择，去控制调节阀PV2016A，即由超弛控制使其压力回到“安全软限”之内。

待D202压力恢复到“安全软限”内，超弛控制自动退出并将控制权交给调节器PIC2016常规控制。

如果由于一段回流阀PV2016A的打开继续使重整产物分离器D201的压力升高且调节器PIC2016的输出大于50%，此时由放空阀PV2016C逐渐放空。

当重整产氢量增加，压缩机负荷不足：导致重整产物分离器D201压力增大，使调节器PIC2016输出大于50%由放空阀PV2016C逐漸放空，而在50%以下则与调节器PIC2038的超弛控制部分PY2038D进行低选作为判断是否由超弛控制的依据，去控制一段回流阀PV2016A。

由于压缩机的压缩比固定，导致1号再接触罐D202的压力升高，调节器PIC2038的输出增大，使其输出大于50%且与PIC2016的分程部分PY2016E进行低信号选择以决定是否由超弛控制D202的压力。

如果经过压缩机二段的压缩继续使D203的压力增加则与D202的控制方式相同。

总之，当整个反应系统压力高时，PV2016C打开部分氢气放空，而当整个反应系统压力低时，关小或关闭PV2042，减小或不向外送氢气。

而再接触部分内部则是依靠调节压缩机的回流量来控制级间压力的。

这对于压缩机来说等于白白浪费电能，且压力不易控制，操作难度大。

3 无级气量调节系统的设计3.1 无极气量调节的基本原理它的主要工作原理是运用了“回流省功”原理，由无极气量调节控制系统实时处理压缩机运行过程中的状态数据，并将信号反馈至执行机构内电子模块，通过液压执行机构来即时控制往复式压缩机进气阀的开启与关闭时间，实现压缩机排气量0-100%全行程范围无级调节。

通过进气阀的延迟关闭，使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管，压缩循环中只压缩了需要压缩的气量。

该系统在最大限度节省能源的同时，还拥有较高的控制动态特性。

根据不同的控制要求和设计，可精确控制各级的状态参数，如压力、流量、温度等。

3.2 无级调量系统控制介入点的选择反应系统压力和再接触部分压力的稳定与平衡最终是靠调节压缩机一、二段回流阀的回流量实现的，两个回流阀均为气关阀。

如果低信号选择器的输出增大则回流量减小，也就是说，需要增加压缩机的负荷。

反之，如果低信号选择器的输出减小则回流量增大，也就是说，需要减小压缩机的负荷。

回流量可以真实体现压缩机在此工况下所需实际负荷。

因此，选择两个低信号选择器PY2016B和PY2038B的输出分别作为无级气量调节控制的介入点，无极气量调节控制系统通过即时调节压缩机一、二段负荷来稳定一、二级的总入口压力。

3.3 系统设计方案K202A作为常开机组，设计使用无极气量调节控制系统，实现0～100%的无级调节。

另外两台机组互为备机，100%满负荷运行。

无极气量调节控制系统的主控变量为K202机组的一级总入口压力，控制压力取样自D201分离罐，辅控变量为二级总入口压力，控制压力取样自D202接触罐。

主控变量通過分程+超驰控制影响辅控变量。

无极气量调节控制系统与现有的超驰控制系统互不干涉，在工艺系统波动超过无极气量调节控制系统调节范围时，超驰控制系统与无极气量调节控制系统配合一起稳定各级压力。

根据工艺要求，原超驰控制与无极气量调节控制应互不干扰和藕合，它们共同完成控制任务。

在工艺需要时，可以在原超弛控制和无极气量调节控制之间切换。

所谓超弛控制是指通过无极气量调节控制手动控制压缩机负荷，由回流阀控制压力。

所谓无极气量调节控制是指回流阀全关，无极气量调节控制依据实际工况自动调节压缩机负荷来控制压力。

经过计算，如果压缩机负荷长期工作在30%以下将会使进气温度升高，因而导致进气阀和排气温度升高。

无极气量调节控制建议温升不应超过10℃。

因此，壓缩机负荷取30%做为超弛控制和无极气量调节控制的分界点，如图2所示。

负荷在0～30%由原超驰控制，对应回流阀0～100%的关度，此时无极气量调节控制的负荷固定在30%。

负荷在30～100%由无极气量调节控制，此时回流阀为全关。

完全利用其“回流省功”原理，根据实际工况（低信号选择器的输出）实时调节压缩机负荷，以达到控制再接触罐及系统压力的稳定。

超弛控制和无极气量调节控制之间的切换，既手动模式和自动模式之间的切换，可以简化为分程控制分程点在30%（无极气量调节控制）～100%（超弛控制）的移动过程。

为了减少在切换过程中对系统压力的扰动，分程点是以2%/秒的速率移动。

另外，在手动模式切换至自动模式时，应先手动调节压缩机负荷，使其与低信号选择器的输出基本一致时再切换至自动模式，在控制方案中考虑到无极气量调节控制自身（HU、CIU）故障发生时，无极气量调节控制从控制系统中自动退出，并把控制权交给原超弛控制。

控制方案在DCS操作站表示的手动模式是指：分程点移至100%，压缩机负荷被置为100%，原超弛控制信号（低选器的输出）直接控制回流阀，操作员可在0～100%之间手动调节压缩机负荷。

控制方案在DCS操作站表示的自动模式是指：分程点移至30%，如果低信号选择器的输出在30～100%范围内，回流阀全关，压缩机跟据低信号选择器的输出自动调节负荷（最佳控制模式）；如果低信号选择器的输出在0～30%范围内，压缩机负荷被固定置为30%，回流阀阀位对应0～100%的关度。

控制系统手、自动模式切换如图3所示。

4 无级气量调节系统的设计4.1 系统控制功能要求实现K202A压缩机在0～100%负荷内手动连续调节和30～100%负荷内自动调节且长期稳定运行。

对压缩机K202A/B/C一、二级总入口压力和二级总出口压力进行自动控制，仅需输入要求的压力值，控制系统便自动跟踪并快速稳定其压力。

当无极气量调节控制系统自身故障时可自动切除，压缩机进入100%负荷运行，原超驰控制系统完全接手控制任务（与未上无极气量调节控制系统之前的状态完全一样）。

能够实现K202A压缩机的平稳启动、加载、切机、停机和重新投用。

根据工艺需要可实现无极气量调节控制系统的手动切除，K202A压缩机平稳恢复到原超驰控制状态。

实现无极气量调节控制液压油站HU和中间接口单元CIU故障联锁逻辑控制。

4.2 控制功能的实现无极气量调节控制本身不承担任何控制任务。

它本质上是一个接受4～20mA标准电流信号的调节阀，可直接用装置现有的DCS进行控制。

实现控制功能的整体控制方案由DCS组态完成。

压缩机一、二段控制方案相同，以下主要介绍一段控制方案的实现。

由于控制方案较为复杂，因此采用DCS内部多个计算模块CLAC组合编程。

图4为控制系统DCS模块组织结构示意图，其中虚线部分为原有模块，细实线为模块内部控制信号，粗实线为连续量控制信号。