导热油系统控制方案优化设计

刘衍钊，高彩霞

(1.中海油石化工程有限公司,山东 青岛 266101；2.青岛环湾检测评价股份有限公司,山东 青岛 266101)

0 引言

某高压加氢精密分馏装置采用导热油系统，由热媒循环泵将导热油送至导热油炉进行加热，再通过供热节点(重沸器)将热量传递给油品等工艺介质。导热油系统采用闭环系统，所需压力低，加热较为均匀，具有传热效果好、操作简单、维护方便和节能等特点。由于导热油炉辐射管内的导热油流速不能过低，若导热油系统负荷波动，会影响传热系数和传热平均温差的变化，导致传热效率降低，使得供热节点的介质温度出现波动[1]。对于加氢精密分馏装置，为提高生产质量，必须保证分馏阶段中工艺介质加热过程平稳[2]。因此，需要采用合理的控制方案，保证导热油系统的稳定运行。

1 导热油系统

导热油系统主要由储油罐、热媒循环泵、导热油炉、换热器和膨胀罐等设备组成。储存在储油罐中的导热油通过热媒循环泵送至导热油炉加热，再通过换热器将热量传递给油品等生产介质；同时，采用膨胀罐防止导热油因受热膨胀导致整个导热油系统超压，并具有高位补压以及系统补油等作用[3]。

常规导热油系统工艺流程比例积分微分(proportion integrtion differentiation,PID)示意图如图1所示。

图1 工艺流程PID示意图Fig.1 Diagram of process flow PID

2 导热油系统控制方案

导热油系统采用闭环式循环系统。在生产中要保证整个系统的平稳运行，一般需要关注以下几点。

①生产中换热单元的负荷可能存在较大的波动，如换热器堵塞、管道泄漏、单元关停等，会导致整个导热油系统压力波动。

②为避免导热油过热发生分解并产生积碳，导热油炉辐射管内的导热油流速不能过低，一般不低于2 m/s；同时，对流管内导热油流速则不低于1.5 m/s。

③各供热节点所需的热能不同，需要对换热单元导热油流量进行控制，同时避免引起导热油系统的压力波动。

可以看出，以上三点之间相互影响、制约。如：对换热单元进行流量控制时，会影响系统导热油流量，进而影响导热油炉内流速[4]。

本文对导热油控制系统进行了整体设计、优化。

2.1 导热油系统压力控制方案

该装置导热油系统循环泵采用了离心泵。泵自身无变频调速功能，需要通过调节阀改变管道特性，进而调节循环泵的工作点，从而达到调节流量的目的。调节阀调节方案一般有以下2种。

①泵出口直接增加调节阀的直接节流控制方案。

②泵出口增加旁路回流调节阀的回流控制方案。

采用直接节流控制方案，虽然可以提高控制的反应速度和稳定性，但考虑到离心泵流量不能低于额定值的30%以及导热油炉的流速限制，采用增加旁路回流调节阀的控制方案相对更加安全、可靠。

与压缩机控制方案类似，采用旁路调节虽然会造成一部分能量损失，但旁路调节阀的尺寸一般小于直接节流调节阀，能够降低成本且便于安装维护[5]。因此，综合考虑安全、成本、维护等多方面因素，旁路回流调节方案更适合该装置的导热油循环系统。

旁路调节控制方案采用导热油炉出口压力调节旁路调节阀的压力控制方案。当热媒循环泵送出的导热油与下游各供热节点的需求量不一致，反馈至导热油系统的压力会发生变化。此时，通过旁路压力调节阀调整送至主路的导热油量，将系统压力稳定在设定值处，保持主路系统压力的平衡状态[6]。

2.2 导热油系统流量控制方案

为保证流经导热油炉的导热油流量不低于规范要求的限定值，通常在导热油炉出口设置流量计，用于低流量联锁保护。低流量时直接联锁关停导热油系统，将会极大地影响装置的正常生产；而若不能在低流量时及时关停，又会造成导热油过热裂解和结焦引发异常事故。

因此，该装置导热油系统设置了3组流量计作3取2流量低低联锁，关停导热油系统，既能保证安全关断，又可避免因流量计故障导致导热油系统非正常关停。

采用旁路调节的导热油系统控制方案如图2所示。

图2 采用旁路调节的导热油系统控制方案示意图Fig.2 Heat transfer oil system control scheme with the bypass regulation

3 导热油系统优化控制方案

采用导热油系统旁路上的调节阀调节主路压力。以此为主要控制手段，可以减少频繁的压力波动，提高整个系统的稳定性。但当导热油系统或下游供热节点出现异常时，主路压力下降，旁路上压力调节可能会持续控制回流调节阀开度，直至其处于关闭状态。此时，由于主路导热油泄漏，同时旁路关闭，可能会导致流经导热油炉的流量低于限定值，直接引发导热油系统的联锁关停。

为了使导热油系统的安全性和经济性达到最优状态，降低因下游供热节点的故障直接引发的导热油系统联锁关停频率，对该装置导热油系统控制方案进行优化调整。

3.1 系统安全性能优化

导热油系统故障可能造成较高风险或经济损失。为保证其安全回路的安全完整性等级能够满足安全要求，将导热油炉出口流量3取2低低联锁关停优化设计为2取1联锁触发，确保该安全联锁在流量低低的情况下能够及时关停导热油系统。

①1oo2方案。

(1)

SSTR=6×(λS)2×MMTTR

(2)

②2oo3方案。

PPFD-avg=(λDU)2×TTI2

(3)

SSTR=2×λS

(4)

式中：PPFD-avg为危险失效平均概率；SSTR为安全失效概率；λDU为未检测到的危险失效率；TTI为维护周期；λS为安全或故障停车失效率；MMTTR为平均维修时间。

但对于相同的安全或故障停车失效率λS，采用2取1方案的SSTR则远高于3取2方案，增加了系统的误停车率[7]。

3.2 系统可靠性能优化

为合理调整系统的安全性和可靠性、减少系统不必要的停车概率，将不参与联锁的1路流量计与导热油系统压力调节回路作自动选择控制。流量计设定低流量报警(该报警值略高于低低流量联锁值)。当流量低于报警值时，旁路上调节阀的调节回路将由压力调节切换至流量调节，通过回流保证导热油流量不低于限定值。该控制方案可以在导热油系统压力或流量波动的情况下，及时调整导热油回流量来保证系统的压力和流量最小限值，避免因流量和压力持续降低直接导致系统联锁关停造成不必要的损失，保证系统最低运行工况，为生产操作争取更多的调整时间。

采用选择控制的导热油系统控制方案如图3所示。

图3 采用选择控制的导热油系统控制方案示意图Fig.3 Heat transfer oil system control scheme with the selective control

4 供热节点流量控制优化方案

该导热油系统的供热节点温度控制方案，由加热介质出口温度直接控制导热油量。同时，为保证供热节点导热油的稳定性，将加热介质出口温度(TE-201)与导热油流量(FT-201)作串级控制，可有效减少系统干扰对供热效果的影响[8]。

加热介质温度与导热油流量的串级控制方案如图4所示。

图4 串级控制方案示意图Fig.4 Cascade control scheme

但在装置运行过程中发现：若某供热节点(或多个供热节点)对导热油需求量较大，当温度调节发生滞后时，采用上述控制方案会导致导热油系统很难获得控制平衡点。这会使导热油系统发生较大的负荷波动，影响其他供热节点的温度调节[9]。

因此，为降低供热节点对导热油系统的影响，为负荷较大的供热节点增加旁路并设置旁路调节阀。采用加热介质出口温度(TE-201)分程控制导热油供热线调节阀(TV-201A)和导热油旁路调节阀(TV-201B)的控制方案。

加热介质温度分程控制方案如图5所示。

图5 加热介质温度分程控制方案示意图Fig.5 Split control scheme for heating medium temperature

在供热节点负荷发生波动的情况下，导热油通过旁路流量进行调节，使通过该节点的导热油总量保持不变，保证了导热油系统的整体稳定性[10-11]。

通过仿真某供热节点负荷波动的异常工况，导热油系统出口压力调节仿真曲线如图6所示。

图6 导热油系统出口压力调节仿真曲线Fig.6 Simulation curves of outlet pressure adjustment of heat transfer oil system

由图6可知：曲线B供热节点采用分程控制方案对系统压力的控制明显优于采用流量串级控制的曲线A，保证了其他供热节点不会受到导热油系统波动的影响。实践证明，导热油系统优化控制方案在实际投运后，装置的控制效果和产品收益均有明显提升。

5 结论

通过对导热油系统和供热节点控制方案的优化设计，对导热油系统的安全性和稳定性进行了合理分配。该方案既提高了导热油系统的安全等级，又保证了导热油系统的稳定运行，并在实际的生产应用中得到了很好的验证，对同类装置的设计应用具有积极的指导意义。

优化设计所采用的控制方案均成熟可靠、易于实现，极大地提高了该装置生产产品的质量和生产操作的效率、降低了系统的风险概率和能量损失，对导热油系统长期稳定的运行起到了至关重要的作用。