催化裂化裝置主備風(fēng)機系統(tǒng)智能控制的成功應(yīng)用

1.前言

中石油廣西石化公司350萬噸/年催化裂化裝置于2010年8月28日正式投產(chǎn)，該裝置是國內(nèi)第一套UOP的重油催化裂化裝置，所配套的主風(fēng)機、煙機也是國內(nèi)同類裝置中的最大機組。該裝置包含兩套主風(fēng)機，分別是主風(fēng)機（YL19000C煙機+AV90-13軸流壓縮機+20000kw電機）和備用主風(fēng)機（AV80-12軸流壓縮機+20000kw電機）。主、備風(fēng)機組主要作用是給再生器提供燒焦用風(fēng)和流化用風(fēng)的重要任務(wù)；，是催化裂化裝置最關(guān)鍵的心臟設(shè)備，一旦主風(fēng)機出口放空閥異常打開，則會造成裝置主風(fēng)自保聯(lián)鎖動作，使裝置進(jìn)入停工處理程序。目前在國內(nèi)催化裝置主、備風(fēng)機組手動切換過程中，造成裝置聯(lián)鎖動作也時有發(fā)生。另外本裝置煙機蝶閥、大小旁通閥原始設(shè)計控制存在一定的缺陷，控制響應(yīng)太慢，無法滿足兩器壓差快速變化的需求。因此，在2020年檢修前，公司設(shè)備處相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)骨干與北京康吉森從事壓縮機組控制系統(tǒng)的專家梅勝充分溝通并一起制定了詳細(xì)的自動切機方案、性能控制方案、煙機蝶閥和大小旁通閥的控制策略，并于檢修期間付諸實施，最終成功實現(xiàn)了主、備機無擾動一鍵切機、全自動控制主風(fēng)量、兩器壓差控制響應(yīng)速率達(dá)到了預(yù)期的效果。

具體實施中針對由于原先的TRICON控制系統(tǒng)是2009年配置的，選用的CPU是3008，系統(tǒng)掃描時間在80ms,這次檢修時將CPU升級為最新版本CPU3009，系統(tǒng)掃描之間縮短為50ms,提高了系統(tǒng)采樣頻率，現(xiàn)場數(shù)據(jù)更能及時反饋時間運行情況。同時在原來1131程序中，更新了控制系統(tǒng)防喘振庫函數(shù)，采用了目前為止最新的性能控制算法、自動切機算法、兩器壓差控制算法等先進(jìn)智能控制功能。另外在HMI中增加了自動切機畫面，完善了兩器壓差控制參數(shù)。

項目最終在2020年5月2日投入運行，成功實現(xiàn)了主備風(fēng)機全自動一鍵切機，10分中內(nèi)完成切機過程，兩器壓力調(diào)節(jié)迅速及時，使得電機功率總體降耗9000KW/h。

2.工藝智能控制需求：

• 系統(tǒng)投用10多年間，在裝置開停車及異常工況或在用設(shè)備出現(xiàn)故障時，通常需要進(jìn)行主、備機切換。操作主要以人工操作為主，操作過程風(fēng)險大、強度高，控制精度難把握容易出現(xiàn)裝置運行參數(shù)大幅波動或?qū)е路怯媱澩＼?，因此迫切需要一種智能切機控制功能，實現(xiàn)切機過程的自動化。有時候會存在快速把主備機切換完成，一旦出現(xiàn)在用機組設(shè)備故障，需要立即進(jìn)行切機，減少裝置運行風(fēng)險，實現(xiàn)主備風(fēng)機組一鍵全自動切機；

• 解決長期存在的煙機入口蝶閥、煙機大、小旁通閥控制兩器壓差，響應(yīng)滯后，、同時存在兩器壓差波動比較大的問題；

• 由于廣西欽州在夏天經(jīng)常出現(xiàn)雷雨天氣，環(huán)境及空氣溫濕度變化大，容易造成主風(fēng)機組入口工質(zhì)參數(shù)性能瞬時變化，如果此時操作工不及時調(diào)整機組負(fù)荷，會造成風(fēng)機出口參數(shù)變化，影響生產(chǎn)；

• 風(fēng)機機組運行不在最優(yōu)區(qū)間，電機功率波動比較大，造成非常大的能量浪費；。

3.切機原理

以下為備風(fēng)機切換至主風(fēng)機的切換步驟：

第一步，各控制回路均投自動運行，備用主風(fēng)機組投入送風(fēng)量(FIC40412345) 和總管出口壓力(PI4040)關(guān)聯(lián)加權(quán)性能控制；

第二步，打開主風(fēng)機組送風(fēng)閥；

第三步，主風(fēng)機組投入送風(fēng)量(FIC40412345) 和總管出口壓力(PI4040)關(guān)聯(lián)加權(quán)性能控制；

第四步，選擇主機切入系統(tǒng)，開始全自動切機。隨著主風(fēng)機放空閥（防喘振閥）的逐漸關(guān)閉，主風(fēng)進(jìn)入系統(tǒng)，備用主風(fēng)機的放空閥自動逐漸打開，直至切換完成。備用主風(fēng)機退出系統(tǒng)。

如果采用備用主風(fēng)機將主風(fēng)機組切出系統(tǒng)，則以上過程中的控制對象對調(diào)。

4.切機過程

3.1主備風(fēng)機切機工藝流程圖

3.2主備風(fēng)機切機操作畫面

依據(jù)該操作畫面實施機組切換的過程如下：

1、首先把備風(fēng)機組投入主風(fēng)性能控制防喘閥及靜葉；

2、然后把主風(fēng)機組投入主風(fēng)性能控制防喘閥及靜葉；

3、最后在主備機切機畫面中投入主機切系統(tǒng)功能； 

4、主風(fēng)機組根據(jù)總管流量關(guān)小防喘閥，備風(fēng)機組自動逐漸根據(jù)總管流量打開防喘閥。

5、直至備風(fēng)機組出口單向閥關(guān)閉或者程序自動指示備機切出裝置。

6、HMI自動彈出主備機切機完成指示，操作工首先點擊取消切機，然后操作工需要到現(xiàn)場把備風(fēng)機組出口電動閥手動關(guān)閉，最后手動可以把備風(fēng)機切入安全運行狀態(tài)。

5.切機運行效果分析

圖5-1主風(fēng)機組切入系統(tǒng)工藝趨勢

由圖5-1所示，各曲線含義分析如下：

• 白色曲線是主風(fēng)機組防喘閥的輸出曲線，在緩慢關(guān)閉；

• 藍(lán)色曲線是備風(fēng)機組防喘閥的輸出曲線，在緩慢打開；

• 黃色曲線是總管流量的設(shè)定值；

• 綠色曲線是總管流量的實測值；

• 紅色曲線是總管壓力的實測值；

• 紫色曲線是主風(fēng)機組出口排氣壓力值；

• 淺藍(lán)色曲線是備風(fēng)機組出口排氣壓力值；

• 粉色曲線是開始切機標(biāo)志。

通過以上曲線的走勢可以看出，機組在切機過程中，實際總管壓力及流量均在設(shè)定值附近穩(wěn)定運行，表明切機過程平穩(wěn)無波動。

6.兩器壓差控制過程

圖4-1兩器壓差控制畫面

由圖4-1所示，分析如下：

• 增設(shè)了調(diào)節(jié)偏差死區(qū)功能，減少了煙機蝶閥、大小旁通閥頻繁調(diào)節(jié)；

• 取消了原先設(shè)置的爬坡功能，調(diào)節(jié)更及時有效；

• 運行后，降低了電機功率；

7.兩器壓差運行效果分析

圖7-1兩器壓差控制工藝趨勢

由圖7-1所示，各曲線含義分析如下：

• 綠色曲線是兩器壓差的測量值；

• 紅色曲線是煙機入口蝶閥輸出值；

• 黃色曲線是兩器壓差設(shè)定值；

• 白色曲線是煙機蝶閥投用自動標(biāo)志；

• 藍(lán)色曲線是煙機大旁通閥輸出值；

• 紫色曲線是煙機小旁通閥輸出值；

• 淺藍(lán)色曲線是煙機大旁通閥自動標(biāo)志；

• 粉色曲線是煙機小旁通閥自動標(biāo)志；

可以看出，兩器壓差在一定波動范圍內(nèi)不進(jìn)行調(diào)節(jié)，只有超過一定波動范圍，才會調(diào)節(jié)，這樣極大地穩(wěn)定了兩器壓差。 

8.主電機功率節(jié)能效果分析

圖8-1主風(fēng)性能及電機功率控制工藝趨勢

由圖8-1所示，各曲線含義分析如下：

• 綠色曲線是總管流量的設(shè)定值；

• 紅色曲線是總管流量的實測值；

• 黃色曲線是投用主風(fēng)流量性能控制標(biāo)志；

• 白色曲線是防喘閥的輸出值；

• 藍(lán)色曲線是防喘振盤旋點；

• 紫色曲線是防喘振的實際工作點；

• 淺藍(lán)色曲線是主風(fēng)機組靜葉輸出值；

• 粉色曲線是主電機功率；

可以看出，投用性能控制后，主風(fēng)機組靜葉由38.8度關(guān)到了28.8度，防喘閥總的輸出由有11.3%關(guān)到了1.5%，主電機功率由17398KW降到了8973KW，主風(fēng)總管流量波動范圍在30NM3/min之內(nèi)。不僅穩(wěn)定了裝置，而其每小時節(jié)能9000KW，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

9.備風(fēng)機組投用性能控制效果分析

圖9-1備風(fēng)機性能控制工藝趨勢

由圖9-1所示，各曲線含義分析如下：

• 綠色曲線是總管流量的設(shè)定值；

• 紅色曲線是總管流量的實測值；

• 黃色曲線是投用主風(fēng)流量性能控制標(biāo)志；

• 白色曲線是防喘閥的輸出值；

• 藍(lán)色曲線是防喘振盤旋點；

• 紫色曲線是防喘振的實際工作點；

• 淺藍(lán)色曲線是備風(fēng)機組靜葉輸出值；

• 粉色曲線是備電機功率；

可以看出，投用性能控制后，備風(fēng)機組在某一時段檢測到總管流量下降后，靜葉由51.0度開到了57.0度，主電機功率由15594KW升到了15816KW，主風(fēng)總管流量波動范圍在30NM3/min之內(nèi)。后來工藝人員發(fā)現(xiàn)是因往裝置的安全閥故障自動打開了，如果當(dāng)時沒有投用性能控制，此事將會造成主風(fēng)低流量，切斷進(jìn)料。此項功能挽救了裝置非計劃停車，創(chuàng)造了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

10.結(jié)束語

與傳統(tǒng)催化裂化的操作方式由操作人員手動操作完成主備風(fēng)機的切換，自動切換控制更加平穩(wěn)可靠、高效安全、人性化，同時杜絕了誤操作的可能，從而保證了工藝系統(tǒng)平穩(wěn)操作的要求。自機組聯(lián)動試車到正式開車以來，經(jīng)不斷調(diào)整優(yōu)化后，備用主風(fēng)機自動切至主風(fēng)機組運行，整個過程只需10分鐘就自動完成，切換過程中主風(fēng)總管流量波動小于30NM3/min，壓力波動小于5KPa。整個自動切換過程高效、安全、平穩(wěn)可靠。

自1965年我國第一套催化裂化裝置投產(chǎn)以來，全國所有催化裝置的主、備風(fēng)機的切換一直采用手動操作，兩器壓差或再生器壓力控制采用手動模式，主風(fēng)機靜葉控制采用手動操作。通過這次成功改造，成功實現(xiàn)了如下功能：

• 廣西石化催化裂化裝置實現(xiàn)了主、備風(fēng)機全自動切換；

• 主備風(fēng)機組靜葉和防喘閥可全自動根據(jù)裝置負(fù)荷全自動調(diào)節(jié)；

• 煙機入口蝶閥、大小旁通閥實現(xiàn)了長周期自動平穩(wěn)控制；

通過運行對比，在投入該智能控制功能后，主電機平均每小時節(jié)約9000KW，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，這項技術(shù)的成功應(yīng)用，對于國內(nèi)所有同類裝置提高智能操作水平、穩(wěn)定操作工況、減輕操作強度、實現(xiàn)節(jié)能增效具有標(biāo)志性的意義。