80万吨重油催化裂化机组控制及变工况运行分析

一．引言： 主风机和富气压缩机是催化裂化装置的关键设备,均易受到喘振的危害，也易造成较大的设备事故，所以如何控制好轴流风机和离心式压缩机机组成为机组控制和机组保护的重点，各化工企业亦选用较安全的控制系统来达到机组控制的要求，TRICONEX 的TS3000以独到的防喘振技术和三重化冗余技术用于机组控制较多，玉门油田炼油化工总厂的80万吨/年重油催化裂化装置改建工程能量回收三机组和富气压缩机组采用该控制系统。 装置投产运行近一年来,从能量回收角度来看，能量回收三机组具有很好的节能效果。主风机组采用三机组成熟配置形式：烟机—风机—电机，烟机和电机共同驱动风机满足装置主风需要，电机基本处于空负荷平衡转速的运转。富气蒸汽透平机组采用装置余热锅炉自产蒸汽驱动。但如何从机组控制角度进一步提高主风机组和富气压缩机组节能、安全、可靠、长周期运行是目前的重要问题。 二．TS3000控制系统的特点及系统配置 TS3000控制系统具有高可靠性、高可用性、无单点故障等特点，对输入、输出信号及中间处理结果进行全过程三取二表决的TMR三重化冗余容错控制技术。 图1： TRICON 控制器三重化结构 如图1所示，现场信号进入输入模块后，分成三路，三路之间彼此光电隔离，分别送到三个主处理器，在TRIBUS总线上对数字量信号进行表决，对模拟量信号进行传输，这样保证每个主处理器使用同样的数据进行过程控制，然后把三个处理后的结果分成三路分别输出给输出模块，在输出模块上再进行数据输出表决，以保证输出结果的准确性，有效克服了控制系统硬件原因而造成的系统故障。 三重化冗余容错系统的特点： ● 没有单点故障造成系统失效。 ● 独特的I/O逻辑槽位设计，保障故障卡件全部在线更换。 ● 系统集成度高。 ● I/O卡件上的光电隔离器全部三重化。 ● 浮点数协处理器，经过TǖV六级认证。 ● 32位芯片，保证了系统的快速运行。 ● 按照1131-3国际标准设计的基于WINDOWS 的编成软件使用方便。 ● 高度的系统诊断覆盖率，诊断功能皆为系统内置，不需编写应用程序。 ● 系统的维护和诊断非常方便。 ● 所有模拟模块卡件精度高，并可以自动校验。 ● 应用软件在线修改 ● 主处理器的更换与I/O卡件的更换一样方便。 整个机组的硬件配置是按照安全控制系统故障安全性配置，设计满足 API612要求，主控制器实现三重化冗余；I/O卡件分能量回收机组和富气压缩机组独立配置，互不影响； 采用两对4329通信模块，两路光纤对控制室操作台实现双重冗余通信，任何一路出现问题，都不会影响机组监控；同时通过MODBUS和DCS、创为实S8000机组状态监测系统、BENTLY3500相连通讯，实现DCS和网络对机组的监控；采用超速保护器和系统进行转速双重超速保护；各卡件箱的供电电源全部双重冗余；辅助操作台设有各机组的急停按钮、旁路开关和报警指示灯，便于机组紧急处理使用。 三、控制功能： 能量回收三机组主要控制回路：主风机防喘振分成控制、主风机静叶流量控制、再生器压力和入口蝶阀控制、烟机轮盘冷却温度控制、烟机级间密封控制。自保连锁控制：机组允许启动、紧急事故停机、风机逆流检测、风机安全运行、超速自保、润滑油动力油泵控制、轴承温度，轴震动，轴位移监控。 油泵控制：润滑油泵有A、B两泵，其中一台运行，另一台油泵备用，并能达到主辅油泵相互切换。手动时，能够开停任何一台泵；自动时，当油压低时，马上启动备用油泵，两台油泵同时运行，油压正常可以停止任何一台泵；但只有一台泵运行时，不能停止主泵运行；油压低低时，机组联锁停机，因此润滑油泵的控制也是机组运行必备的条件。该逻辑很好的实现了润滑油泵的控制，可以说不会因为润滑油泵油压控制造成机组的停车，所以该控制较为先进和实用。 富气压缩机组主要控制回路：压缩机出口、入口、放火炬阀控制，一、二段、防喘振控制，入口压力串级和本地转速控制，润滑油泵控制，气液分离罐液位控制。 自保联锁控制：压缩机启动、紧急停车、轴承温度、轴震动、轴位移、超速保护油压低低等联锁控制。 压缩机转速控制：按压缩机厂家和汽轮机厂家所提供的升速曲线，将气压机组的运行分了8个模式进行转速控制，即： 1、 模式iMODE=0，系统一旦停车或联锁动作后就是方式0，机组处于停机连锁自保状态。 2、 模式iMODE=1，机组连锁复位，联锁信号消除，速关油电磁阀得电。 3、 模式iMODE=2，满足机组启动条件，机组可以启动。 4、 模式iMODE=3，按下启动键，机组启动，低转速升速到暖机1方式暖机，分热暖和冷暖； 5、 模式iMODE=4，二次稳定转速暖机； 6、 模式iMODE=5，机组进入升速阶段，并穿越压缩机临界转速； 7、 模式iMODE=6，机组进入正常运行段，到达最小管理转速和最大管理转速之间控制； 8、 模式iMODE=7，按下停机键，按预定速率降低转速，开始正常停机； 9、 模式iMODE=8，电子跳闸和机械跳闸试验。 以下详细阐述机组转速控制过程： 对于富气压缩机组的转速的控制过程，主要关键控制点和控制策略有： 机组转速测量：现场三组转速脉冲信号送往ESD系统，在系统内进行三取二处理表决，得到最终的转速值； 机组自保控制：满足机组启动条件，没有联锁发生，启动复位等； 暖机：根据暖机条件，进行第一暖机：热暖和冷暖；第二暖机。 转速爬坡和快速穿越临界转速： 转速设定： 目标转速按照转速曲线爬升 点动升速： 现场按钮和软按钮提高转速 自动升速： 在自动方式，按一定速率和时间升速 跨越临界转速： 以最大速率通过压缩机临界转速 PID串级调节：入口压力串级调节和本地速度调节； 阀位限制和静态校验：开机时根据压缩机转速对蒸汽入口阀位进行限制，转速在500rpm/min不超过30%，避免开机飞车；对蒸汽入口阀调节在静态时进行校验，确保蒸汽入口阀开度准确。 超速试验：在超速时汽轮机机械跳闸和电子跳闸起作用，确保机组安全，避免飞车事故发生。 富气压缩机的转速控制如图2所示： 图2：压缩机升速曲线 四：TS3000用于风机和富气压缩机防喘震控制 富气压缩机所选用的喘振模型及算法如图3： 图3：离心压缩机防喘振控制 rHc：压缩机入口流量% FLOW：压缩机入口质量流量，由入口差压h计算获得 FLOWmax：最大质量流量 Psb: 压缩机设计入口压力 Pfob:孔板设计压力 Ps: 压缩机入口压力 Px: 压缩机入口当地大气压力 主风机所选用的喘振模型及算法如图4： 图4：轴流压缩机防喘振控制 喘振线：压缩机防喘振的控制主要决定于机组的实际工况的喘振线，喘振线越符合实际工况，防喘振控制就做得越好。我厂的主风机喘振线开厂时进行了实际测量，由于电机的功率不够，喘振线在静叶角度60度时，测量比较保守，能满足装置的设计需要，但主风机组防喘振的范围较小，安全裕度5%，同时增加了最小流量控制和最大压比控制，严防主风机发生喘振。富气压缩机组通过压缩机预期性能曲线计算设定两段防喘振线，通过实际运行，发现压缩机喘振线的确定较为合适，由于加工量较小，产生富气较少，富气压缩机既要平衡操作又要压缩机不发生喘振，工作范围比较接近压缩机防喘线，由于工艺操作变化，有时带来富气压缩机喘振。 喘振控制功能： 可选择进出口压比Pd/Ps对入口差压h或进出口压差Dp对h的算法； 如果喘振发生，喘振安全裕度可自动调整； 设定点浮动线功能可以在工作点向喘振线窜动时及时打开防喘阀； 特殊的喘振控制器带有适应增益及快开/慢关响应等功能； 比例调节功能可以‘迫使’防喘阀独立于控制过程而打开； 灵活的起机和跳车逻辑； 可选择手动控制帮助设定、测试和故障排除； 当喘振逼近或透平跳车时，电磁阀触点输出可“打开”防喘阀。 喘振线的算法：根据实测喘振线进行设置，功能块将计算出防喘振线。下面的图5显示的是5段的喘振线。 图5：喘振曲线――压比/流量 安全裕度重校： 如果系统检测到工作点越过喘振线，表示喘振已发生，喘振控制线将被自动调节到右方，发生喘振一次安全裕度2%增加，加大安全余量。机组运行平稳后，通过复位按钮恢复防喘振线。 手操控制： 第一种为全权手操控制功能。它允许防喘阀不顾喘振控制器的作用而关闭。第二种为限权手操控制功能。通过选择比较手动输出和自动输出的大小来设定了一个防喘阀的开度，它允许操作工开阀，但不一定能关闭防喘阀。 设定点浮动线： 一般情况下，压缩机不会在喘振线上持续运行或过长时间运行。当工作点在控制线右方（安全区域），喘振控制器的设定点（线）须在当前h值的某一可设百分比范围内以可设值移动。当工作点越过设置点（浮动线），以小幅快速向喘振线窜动时，将发生如下情形： 防喘阀迅速打开，实现快开功能； 设定点浮动线将以可设值移动直至防喘阀全关，实现慢关功能； 新工作点建立。 设定点浮动线如下图6所示：

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