TPS系統在加氫裂化和制氫聯合裝置上的應用

1、前言

中國石油大港石化公司100萬噸/年加氫裂化和4萬標立/小時制氫聯合裝置于2008年一次開車成功。

100萬噸/年加氫裂化裝置引進UOP公司單段加氫裂化專利技術，詳細設計部分由中國石化工程建設公司北京設計院完成。加氫裂化裝置采用單反應器雙劑串聯全循環的加氫裂化工藝，整個裝置由反應、分餾、熱工和公用工程等部分組成，。主要原料為減壓蠟油和焦化蠟油，主要產品為液化石油氣、輕石腦油、重石腦油、輕柴油、柴油。

4萬標立/小時制氫裝置由洛陽石油化工工程公司設計，PSA部分采用成都華西化工公司的變壓吸附工藝技術，裝置由脫硫、轉化中變、鍋爐汽包、PSA等部分組成，主要原料為混合干氣和天然氣，產品為高純度氫氣。

2、系統配置

加氫裂化和制氫聯合裝置的DCS系統采用了Honeywell公司的TPS系統。TPS（TotalPlant Solution）是Honeywell公司開發的全廠一體化解決方案，TPS把過程控制網絡、實時操作網絡和工廠信息網絡融為一體，是第一個將整個工廠的商業信息系統和生產過程控制系統統一 在一個平臺上的自動化系統。TPS具有以下特點：

1）采用可靠的多層的網絡架構，實現管控一體化。整個系統由過程控制網絡UCN（Universal Control Network）、控制管理網絡LCN（Local Control Network）和工廠信息網絡組成。

2）系統配置規模彈性大，擴展靈活。TPS系統是一個規模龐大的系統。一條LCN通常距離是300米（同電纜介質），連接40個模件。經過光纖擴展可連接64個模件，最遠距離可達4.9公里。一條LCN最多可連接20條UCN，而一條UCN可以連接32臺冗余裝置，用戶可根據需要對LCN上的模件及UCN上的裝置及設備進行任意組合，以構成所需要的系統。

3）系統安全可靠、便于維修。系統中的主要硬件設備均采用冗余配置，各模件或設備的故障只影響其自身某些功能，而整個系統仍能繼續運行。卡件支持帶電插拔，便于設備在線維修。

4）控制功能強大。系統的控制策略非常豐富，包括常規、邏輯、順控等部分，可以實現從最簡單的常規PID控制到先進的復雜的高級優化控制。系統可以通過接口從第三方設備獲取數據。

5）系統具有良好的開放性。支持OLE（對象連接與嵌入）技術和ODBC（開發數據庫連接）技術。

加氫裂化和制氫聯合裝置控制系統由一條冗余的LCN（Local Control Network）控制管理網絡，兩條冗余的UCN（Universal Control Network）過程控制網絡構成。LCN網絡上共有14個模件 （14個節點），分別是: GUS操作站9臺，歷史模件HM1臺，2對冗余的網絡接口模件NIM。LCN網絡通過2對冗余的NIM與兩條UCN過程控制網絡相連接。兩條UCN網絡：UCN01為加氫裂化裝置控制網，包括3對冗余的高級過程管理站HPM；UCN02為制氫裝置控制網，包括2對冗余的高級過程管理站HPM。

裝置設有一個中心控制室和一個現場機柜室，現場機柜室距中心控制室的距離為260米。控制系統的操作站（現場機柜室工程師站除外）均集中安裝在中心控制室內，進行集中操作、控制和管理，LCN網絡上的HM、NIM等模件安裝在中心控制室的機柜間內。控制系統的控制器（高級過程管理站HPM）安裝在現場機柜室。兩條UCN網絡各用1對500米的冗余UCN電纜連接中心控制室內的NIM和現場機柜室的HPM。在現場機柜室內設有1臺工程師站，該工程師站通過1對300米的冗余LCN電纜與中心控制室內的LCN網絡連接。

系統配置如下圖所示。

系統共有輸入輸出信號1186點，具體信號類型及數量見下表

除上述輸入輸出信號外，系統還通過485通訊的方式從其他第三方設備中讀取相關信號。與DCS系統進行通訊的第三方設備如下：

DCS系統通過串口通訊卡件（SI），采用MODBUS協議，通過RS485接口，直接讀取上述系統的數據，實現對上述系統的監控。在DCS系統上，通過ARRAY點組態，設置設備地址號、波特率、停止位數、校驗方式等。通過通訊接口讀取到的所有數據可在控制系統的任意位置獲取，并且能在操作員站上顯示、報表記錄、趨勢、報警。

3．主要控制方案

加氫裂化和制氫聯合裝置的大部分控制回路采用單回路控制和串級控制，同時也用到了很多復雜控制回路。以下主要介紹一下系統中使用的典型復雜控制回路

3.1加氫裂化裝置反應進料加熱爐溫度控制

反應器入口溫度調節器TIC11601為主調節器，它的輸出值是燃料氣流量調節器FIC13201及助燃空氣調節器FIC13203的給定值。當入口溫度偏離給定值時，則溫度調節器TIC11601的輸出值發生變化，即燃料氣流量調節器FIC13201及助燃空氣調節器FIC13203的給定值變化，因此調節器FIC13201/13203的輸出改變，燃料氣調節閥FV13201和助燃空氣調節閥FV13203的開度相應變化，進入爐子燃料氣和助燃空氣流量變化，使反應器入口溫度達到給定值。

助燃空氣流量的遠程設定點，是通過信號選擇器選擇的加熱爐出口控制器TIC11601輸出信號，或是來自選擇開關FY13201B（該選擇開關有兩個流量供選擇，一個是通過密度和線性流量計算出來的補償質量流量，另外一個就是由FI13201B輸送的線性流量）的燃料流量信號，通過高信號選擇器TY11601B選擇流量大的，高信號選擇器的輸出乘上空氣/燃料比（來自HIC13203）設定值，再乘上空氣質量/燃料質量理想配比的默認比值15.5，為助燃空氣流量控制器FIC13203提供遠程輸入，按要求來調節助燃空氣的流量。助燃空氣流量信號作為除法器HY13203A的輸入，除以空氣/燃料比（HIC13203）設定值，再除以空氣質量/燃料質量理想配比的默認比值15.5，獲得允許的燃料氣流量信號，作為燃料氣低選器TY11601A的一個輸入信號。低選器的另外一個輸入信號來自爐出口溫度控制器TIC11601的輸出信號，通過低選器選擇較小的信號，作為燃料氣流量控制器FIC13201的設定，通過控制器來控制調節閥FV13201，從而實現燃料氣流量的調節。另外在燃料氣的流量控制閥前還有一個高信號選擇器PY13201，該選擇器對來自于流量控制器FIC13201和加熱爐火嘴壓力控制器PIC13201進行高選后輸給流量控制閥FV-13201。這樣的控制可有效抑制燃料氣的調節延時。

該控制回路的控制理念是，低溫信號先增加助燃空氣再增加燃料氣，高溫信號先減少燃料氣再減少助燃空氣，目的就是通過助燃空氣來限制燃料流量的增加，提高燃料氣的利用效率，節約燃料氣。

3.2加氫裂化裝置總進料換熱器混氫流量均分控制

總進料換熱器采用的是兩個換熱器并聯的方式，這樣可以提高換熱器的換熱效率，兩股冷進料混合氫和混合原料油均采用了嚴格的流量均分控制，主要是為了使加熱爐的兩路進料得到均分，以此防止加熱爐的爐管因流量不均導致結焦和爐管故障。混合油的流量均分控制主要是通過兩個流量控制器進行均流量給定來實現的。混合氫的流量均分控制是通過使一個調節閥處在幾乎全開的位置，而使另外一個調節閥工作在截流位置來實現的。兩路混氫各設一個流量控制器，每個流量控制器的輸出信號，受低選器ZY11401的監控，低信號通過選擇器，用作均衡控制器ZIC11401的測量信號，通常把ZIC的設定點設定在10％左右，以保持系統中的一個調節閥（FO）處在幾乎全開的位置，控制器輸出給兩個流量控制器來根據各路阻力調節閥門開度，從而實現流量的均分控制。

3.3加氫裂化裝置新氫壓縮機一段吸入罐壓力控制

新氫壓縮機一段吸入罐通過一個壓力的分程控制（PIC12701B）來實現壓力高的控制，壓力低是由新氫出口返回線來實現控制。當冷高壓分離器壓力下降，壓力控制器PIC12201輸出在0～50％內時，經反向轉換100～0％進入低選PY12701，當選上時由PIC12201回路控制返回線閥門PV12701（FO），使PV12701開度變小，返回量減少，進入反應系統的氫氣量增加，使冷分離器壓力上升到給定值。當高分壓力下降時，新氫壓縮機三級出口返回量少，給系統補充量多，此時新氫入口分液罐壓力下降， PIC12701A正作用輸出進入低選PY12701，當新氫入口分液罐壓力很低時，會被低選器選上，所以由PIC12701A控制返回線閥門PV12701，保證壓縮機的壓力達到穩定值。低選器PY12701的另一路輸入為新氫機出口壓力控制器（PIC12802）。當高分壓力上升，PIC12201輸出在50～100％時，經轉換為0～100％去作用閥門FV12301（FC），即去冷閃蒸尾氣線。

3.4制氫裝置轉化爐水碳比控制

進轉化爐水蒸汽和脫硫后原料氣流量進行水碳比的比值控制是制氫裝置最重要的控制回路，控制好水蒸汽與原料氣的水碳比是轉化操作的關鍵。一般情況下正常的水碳比值為3.5：1，水碳比過高，不僅浪費水蒸汽，而且增加轉化爐的熱負荷；水碳比過低，會引起催化劑積碳，使催化劑失活，甚至造成生產事故。該控制回路是通過測量脫硫后原料氣的流量，計算出原料中的碳含量，由比例器根據碳含量按比例計算出所需要的水蒸氣的流量，進行比例控制。

3.5制氫裝置鍋爐汽包液位控制

鍋爐汽包的液位控制采用三沖量控制，即汽包進水量，汽包的飽和蒸汽量，汽包液位，三個參數經過計算后，通過控制汽包進水控制閥來控制汽包液位。汽包液位是主控變量，引入蒸汽流量信號，是為了及時克服蒸汽流量波動對汽包液位的影響，并有效地“假液位”現象引起控制系統的誤動作；引入給水流量信號的目的是將給水流量信號作為副變量，利用串級控制系統中副回路克服干擾快速性來及時地克服給水壓力變化對汽包液位的影響。該控制回路中，FY66603是蒸汽流量的溫壓補償模塊，FY66602是計算模塊，計算表達式為：OUT=FY66603.PV+C2＊（LIC6602.OP-50）/100（C2為給水流量的量程），計算結果作為給水流量調節器FIC66602的給定，組態時該模塊使用了Regulartory Control中的Summer算法，當給水流量調節器不處于串級模式時，液位調節器LIC6602的輸出會跟蹤表達式50+100＊（FIC66602.SP-FY66603.PV）/C2的計算結果，從而可以實現操作模式的無擾動切換。

4.結束語

控制系統投用至今，運行狀況一直正常穩定，各控制回路控制效果良好，能實現生產工藝的控制要求。