连续重整装置氢增压机防喘振及压力控制系统的改进

宋春，许可

（中石油云南石化有限公司， 云南 昆明 650300）

中石油云南石化有限公司连续重整装置设计规模为240万吨/年，为目前国内同类单体最大装置。重整装置稳定运行的核心条件为重整反应系统的稳定，该系统压力控制方案为UOP推荐的三分程控制方案，即重整循环氢压缩机入口分液罐压力由重整氢增压机入口分液罐压力控制，同时，重整氢增压机入口分液罐压力由重整氢增压机转速、重整氢增压机一段防喘振返回、重整氢增压机入口分液罐放空三个条件分别控制。

根据目前国内重整装置的运行情况，反应系统三分程控制全部投用自动的企业仅2～3家，为实现装置开工后就能将三分程系统全部投自动，在装置开工前，通过学习其他企业的经验，并在试车阶段进行大胆尝试，对UOP推荐的设计方案进行了一系列改进，最终，实现系统控制方案优化并且一次投用成功。优化后的控制方案具有简单、高效、节能等诸多优点，填补了国内空白，对连续重整装置的平稳运行及装置节能降耗具有十分重要的意义。

1 重整工艺简介

催化重整是石油炼制主要过程之一。它是在一定温度、压力、临氢和催化剂存在的条件下，使石脑油转变成富含芳烃的重整生成油，并副产氢气的过程[1]。反应压力是催化重整的基本操作参数，它影响产品收率、需要的反应温度以及催化剂的稳定性。催化重整的主要反应时产生氢气的环烷脱氢和烷烃环化脱氢，从热力学的观点分析，降低反应压力有利于向生成芳烃的反应平衡移动，对提高产品收率有利；但另一方面，反应压力降低后氢压下降，会增加催化剂上的积碳速率，影响催化剂的稳定性而缩短操作周期。因此，连续重整装置反应系统对运行参数的要求极为苛刻，各项工艺参数都只能在小幅范围内波动，对装置的自控率要求较高，操作压力对重整反应系统的稳定至关重要，同时为了减少装置能耗，压力控制及防喘振系统必须投到串级控制。如果反应系统压力频繁波动，极易造成重整反应器积碳进而损坏反应器内件，同时对重整产氢、重整四合一炉操作等均会带来较大影响。

2 原控制方案解析

重整产氢经循环氢压缩机增压后，一部分氢气返回重整反应系统进行循环，其余部分由重整氢增压机增压后，外送至氢气管网，因此，重整氢增压机的入口分液罐压力、压缩机转速等运行参数直接影响重整反应系统压力。

目前，国内该系统压力控制方案大部分为UOP推荐的三分程控制方案，即重整循环氢压缩机入口分液罐压力由重整氢增压机入口分液罐压力控制，同时，重整氢增压机入口分液罐压力由重整氢增压机转速、重整氢增压机一段防喘振返回、重整氢增压机入口分液罐放空三个条件分别控制。当计算参数为0%～33%时，表明重整反应系统压力偏低，由重整氢增压机一段防喘振返回，调整重整氢增压机入口压力，使其回升，进而升高重整反应系统压力。当计算参数为33%～66%时，表明重整反应系统压力与设定值偏差不大，由重整氢增压机转速控制重整反应系统压力。当计算参数为66%～100%时，表明重整反应系统压力偏高，此时，逐渐打开重整氢增压机入口分液罐放空阀，从而降低重整反应系统压力，使其恢复到正常值。

图1 UOP推荐重整三分程控制方案

3 重整三分程控制系统改进措施

3.1 优化控制逻辑

目前，该控制方案严格执行0%～33%由重整氢增压机一段防喘振返回控制，33%～66%由重整氢增压机转速控制，66%～100%重整氢增压机入口分液罐放空控制，易造成单个条件调节幅度不够，引起的氢气系统压力调整不及时，而如果将调整强度增大，又容易产生大幅波动，最终造成压力震荡，失去控制，需要人工调整。本项目计划打破严格的0%～33%、33%～66%、66%～100%三个分段，由重整氢压缩机全程参与控制，另外两个控制条件根据计算、比选，在压力波动较大时及时接入，从而实现小幅波动由单个措施控制，剧烈波动时，由两个控制措施同时作用，进而将重整反应系统压力控制稳定。

3.2 缩短控制回路

重整三分程控制方案的核心目的为控制重整反应系统压力，即重整循环氢压缩机入口分液罐压力，按照UOP原设计方案，重整循环氢压缩机入口分液罐压力由重整氢增压机入口分液罐压力控制，同时，重整氢增压机入口分液罐压力由重整氢增压机转速、重整氢增压机一段防喘振返回、重整氢增压机入口分液罐放空三个条件分别控制。该控制方案流程过长，重整反应系统压力通过重整氢增压机入口压力控制，导致压力调整反馈滞后，容易产生振荡。经过分析，原UOP设计方案可以优化为重整氢增压机转速、重整氢增压机一段防喘振返回、重整氢增压机入口分液罐放空三个条件直接根据重整循环氢压缩机入口分液罐压力进行计算控制，从而缩短控制回路，使控制措施反应更加迅速。同时，将原控制系统控制模块由6个减少为5个，减轻了系统运算负荷，如图2、图3所示。

图2 UOP推荐重整三分程控制画面

图3 优化后的重整三分程控制画面

3.3 实测机组防喘振曲线

3.3.1 离心式压缩机喘振出现的原因及影响因素。离心式压缩机系统受到的压力过大时，会造成喘振，具体原因有以下几点：

(1)离心式压缩机在正常运行状况下，转速突然变化，当离心式压缩机的转速保持一定时，气体流量与压力之间会存在一定的相关性。如压缩机在正常运行状况下产生的流量低于喘振流量时，很有可能会引起压缩机发生喘振。因此，在离心式压缩机正常运行中，一定要确保离心式压缩机的气体流量超出喘振的流量。

(2)管网的特性发生变化。当离心式压缩机和系统管网同时运行时，离心式压缩机在特定转速条件下产生的极限压力要比系统压力小得多，存在较大的压力差，从而压缩机出口处的流量会有所减少并且发生摒弃现象，最终造成管网内的气体回流，引发压缩机发生喘振。另外，管网的容量对压缩机的喘振点有很大影响。离心式压缩机吸入的气体流量不足[2]，在压缩机正常运行中，吸入的气体流量如果低于喘振流量时将引起压缩机的喘振。管网容量增大时，压缩机的喘振幅度也随之增大，发生喘振现象会越来越严重，对压缩机造成的破坏也就越强。

(3)介质状态发生变化。通常状况下，气体状态与流量有着非常密切的关系。如果将压缩机的转速固定，压缩机进气压力的提升会引发喘振流量的增加。而当压缩机管道出口处的压力及压缩机的转速固定时，如果压缩机进口处的温度升高，也会引起压缩机的喘振。然而当压缩机进口处压力、出口处压力、转速全部固定时，如果发生气体分量的明显减少，也很容易引起压缩机的喘振发生。

3.3.2 预防重整氢增压机喘振采取的措施

(1)为防止重整增压机转速突变或联锁停机造成机组喘振，在系统逻辑设定中，优化了转速控制PID参数，使转速调节更加平稳。同时，增设联锁停机时防喘振阀自动全开逻辑，以便在机组停机情况下，将压缩机出口压力迅速引导至压缩机入口，减少压缩机出入口压差，防止气体在机体内产生回流进而造成压缩机喘振。

(2)在重整氢增压机运行过程中，管网特性的变化主要由重整三分程控制系统的防喘振阀打开或压缩机入口分液罐的放空阀打开造成，因为该控制系统为维持重整反应压力，需要通过上述调整来稳定系统压力，但增压机分液罐入口放空阀打开时，会迅速降低增压机入口压力，从而使机组进出口压差瞬间扩大，增大介质回流风险。因此，在优化系统逻辑设定时，我们重新设定了重整氢增压机一段入口压力低限以及二段出口压力高限，通过限定两个压力值，确保压缩机进出口压差维持在可控范围内。同时，对压缩机防喘振阀的控制逻辑进行优化，使其进行防喘振控制、重整反应系统压力控制以及压缩机进出口压力高低限控制的比选，防止防喘振阀动作过程产生系统压力波动或压缩机喘振。

(3)重整氢增压机介质状态发生变化，主要由重整循环氢压缩机入口空冷冷后温度决定，当空冷冷后温度偏高时，重整氢气纯度下降；当空冷冷后温度偏低时，重整氢气纯度升高。为消除上述介质状态变化对压缩机的影响，在重整循环氢压缩机入口增设变频空冷，使循环氢温度维持稳定，进而使重整氢增压机介质状态稳定。同时，在压缩机防喘振系统计算参数中，考虑温度变化对机组工作点的影响，及时调整防喘振曲线位置。

在重整三分程控制方案中，重整氢增压机一段防喘振返回作为一个重要的控制手段，需要时刻计算防喘振阀的开度，经过上述优化手段，重整氢增压机一段防喘振阀可以实现同时参与压缩机的防喘振控制和重整氢气系统压力控制，在此基础上，为防止压缩机防喘振曲线计算不准确，出现因防喘振控制裕度过大引起的防喘振阀开度过大，增加重整反应系统压力控制难度。在云南石化连续重整装置开工阶段，对重整氢增压机进行了实际工况条件下的防喘振实测，进而得出真实的防喘振曲线，在理论计算的基础上，将防喘振曲线向左进行了较大幅度的调整，在满足机组不喘振的前提下，增加了机组的可调整操作空间，同时大大降低了防喘振阀的开度。连续重整装置防喘振控制系统及压力控制系统全部投用到自动控制状态后，连续重整反应系统压力及再接触系统压力将处于稳定操作状态，经过调试，压缩机工况点始终运行在喘振控制线上，距离喘振线始终留有合适的安全裕度，如图4，重整氢增压机实现了安全运行状态，同时达到了防喘振系统的节能目标。

图4 重整氢增压机防喘振控制画面

4 结论

云南石化连续重整装置三分程系统经过调整优化后，系统运行的稳定性及运行效率得到明显提高，装置实现了顺利开工并且安全运行，经核算，重整三分程系统经过优化投用后，仅实现重整氢增压机防喘振阀全关一项，每年可实现节约生产成本约2700万元。此外，重整三分程系统投用后，能够稳定重整反应系统压力，防止反应器内件结焦，稳定重整四合一炉及重整循环氢压缩机操作，延长设备使用寿命，大量减少操作人员负担，同时能够在开工阶段最大限度地减少了氢气放火炬，在停工阶段，直至压缩机接近喘振点时，才停止重整氢气外送，上述成果均能产生巨大的经济效益。

◆参考文献

[1] 徐承恩主编. 催化重整工艺与工程[M].北京：中国石化出版社，2006.

[2] 张倩. 离心式压缩机的喘振及防喘振控制分析[J].化工管理，2019，(20)：143-144.