《自动化博览》

   摘要：以镇海炼化延迟焦化装置为背景，通过对延迟焦化装置中焦炭塔的给水冷焦操作分析，设计了延迟焦化装置给水操作的先进控制系统。工业实际应用表明：先进控制系统投运后，缩短了给水冷焦时间，降低操作强度，并明显改善给水操作的平稳性、提高过程控制精度。

   关键词：延迟焦化；自动给水冷焦；先进控制

   1 前言

   延迟焦化装置广泛用于重质渣油的加工，作为一种间歇式反应的热裂化工艺，焦化装置中加热炉及焦炭塔构成了焦化反应的核心。焦炭塔的周期性操作包括试压预热、反应生焦、蒸汽冷焦、给水冷焦、水力除焦等操作步骤。给水冷焦操作的关键是给水流量的控制。给水流量的上限约束是进给水受热汽化后的蒸汽压，该蒸汽压不能超过塔顶的许可操作压力，否则塔体应力会超出安全范围； 给水流量的下限约束是进给水经过炙热的焦炭层到达塔壁时其水温应能达到规定的汽化温度，否则大量的焦炭热量就会在进给水到达塔壁前被汽化蒸汽从塔顶带走。因此给水冷焦操作的约束较为苛刻，现有的给水冷焦操作由人工完成，导致给水冷焦操作的强度大，精度低。

   本文采用先进控制策略，在满足给水冷焦操作约束的前提下，缩短给水冷焦时间、降低操作强度，取得了明显的效果。

   2 常规控制分析

   延迟焦化装置原有的给水冷焦人工操作存在着以下问题：

   （1）大多数操作人员在给水操作时，往往会对给水量进行大幅度调节，这样不仅影响到给水泵的长周期运行，而且会引起焦碳塔的晃动。

   （2）在当前国内延迟焦化装置普遍缩短生焦周期等背景下，能否在焦炭塔切换过程中及时完成给水操作，直接影响到整个生焦周期按时完成与否。如果给水不及时，冷焦过程的节点不能按时完成，就失去了缩短生焦周期的意义。
 
   （3）操作人员需要花大量的时间（16小时左右）在给水操作上，严重影响到对装置平稳性和产品产、质量的关注，常常顾此失彼。

   3 给水冷焦过程先进控制策略

   焦炭塔给水冷焦先进控制策略包括了程序、手动两种模式。两种模式可以无扰动切换，当由“程序”改“手动”时，给水控制阀的阀位不变。具体实施步骤如下：

   （1）选塔。选择将要进行给水冷焦操作的焦炭塔。

   （2）通过塔底温度判断选择是否正确。如果选择的焦炭塔塔底温度小于60℃，选择正确，继续执行；否则提示出错，重新进行选塔操作。

   （3）根据给水冷焦塔的焦炭塔塔顶压力，进行给水冷焦操作。用计时器，根据塔顶压力所处的区间，定时逐步增加给水流量，完成自动给水过程。压力区间与对应的流量增加值，及流量增加后应保持的时间如表1所示。

   其中，压力变化趋势判断优先于时间的判断。当10分钟的压差大于0.05MPa，给水控制阀的设定值流量下降10 t/h，当10分钟压差小于0.05MPa，则给水控制阀不作任何调整。

   （1）在投用期间，可以修改给水流量的设定值，自动给水操作，会参照修改后的设定值执行。

   （2）当给水流量大于180t/h后，直接设定给水流量的设定值为250t/h。程序终止。

   （3）当给水塔的第三点中子料位计大于60%，提示“应该采取溢流操作”。

   （ 4 ） 当出现如下异常情况时， 会自动终止给水程序的执行：

   ①程序设定压力保护限值。当压力高于0.23MP，给水流量回路由自动模式变为手动模式，给水流量回路阀位开度变为10%，并提示操作人员根据实际情况对给水操作进行后续处理。

   ②在给水困难时，如给水流量小于20t/h，给水流量回路切回“手动”模式，保持原有阀位，并提示操作人员待过程平稳后重新运行给水操作程序。

   4 给水冷焦操作先进控制系统的实施

   焦炭塔给水冷焦先进控制系统在DCS平台中实施，具体操作画面如表2所示。

   投用方法：在“自动给水控制”画面中，先在对应的焦炭塔一栏双击“选塔”，再点击表格上方“投用”按钮（每次投用必须按次序点击二个按钮）。程序执行后，“选塔”由绿色变为红色。如果选塔错误，出现报警，“选塔”字体颜色不变。重新选塔。

   停止方法：在相应的焦炭塔一栏双击“切出”按钮，终止程序的执行。
  
   5 应用效果

   取原料性质相近，焦炭塔焦高接近的人工控制2010年6月29日（18:37~23:37）给水操作与先进控制2010年7月11日（18:33~23:37）给水操作进行先进控制应用效果的对比。
          
                  
                                           图1    给水流量的对比

   （1）给水流量的变化HHH人工控制与先进控制下给水流量的变化如图1所示。图中，人工控制给水操作，冷焦水流量明显的分为30t/h、50t/h、30t/h和200t/h四个台阶。流量之间阶跃变化大。先进控制给水操作给水流量变化连续，水量迅速增加到200t/h的大流量，进行泡焦式冷焦。

   （2）对焦炭塔温度变化的影响

   图2~图4分别给出了给水操作人工控制与先进控制下焦炭塔16米、20米和24米等各点温度变化情况。焦炭塔各点温度在人工控制给水操作下，接近阶跃式的变化。在某个时间点，温度几乎是直线下降，而先进控制给水操作下，焦炭层和泡沫层基本上匀速下降。在油气层（在冷焦状态下为空塔）先匀速下降，当水到达热电偶位置时，出现一个阶跃式下降。温度均匀变化，更有利防止焦炭塔糖葫芦式变形，有助于焦炭塔的长周期安全生产。

   6 结论

   人工控制焦炭塔给水阀门对焦炭进行冷却，虽然作业环节简单，但是步骤繁琐，操作频繁，给水量控制不好，容易造成焦炭塔超压，影响安全生产。为此，操作人员在给水冷焦作业上花费的时间和精力较多。据测算，一天24小时内，操作人员花费在给水冷焦作业的时间总共达到了16小时。

   将给水冷焦作业实现先进控制操作，平稳装置运行，收效良好。具体体现在以下几个方面：
        
                  
                                 图2    焦炭塔16米温度变化  

                   
                              图3     焦炭塔20米温度变化
 
                    
                                图4   焦炭塔24米温度变化

   （1）实现平稳给水。程序每隔10分钟判断一次冷焦塔顶压力，并根据压力情况按照一定的速度提升给水流量，避免给水量的大幅波动。

   （2）促进工况优化。与原先人工给水模式下的工况相比，焦炭塔冷焦时压力下降50％以上，焦炭塔温度的变化从阶跃式下降变为匀速下降，有助于焦炭塔的长周期安全生产。

   （3）提高焦炭塔安稳长运行水平。程序设置了焦炭塔压力高保护、给水流量低报警和保护等各种自动安全保护，有利于突发情况的处理。

   （4）取代了人工给水操作。节约16工时/天作业量，加强操作人员对整个装置系统的精细调节力度，提高了生产效率。

   参考文献

   [1] 王树青等．先进控制技术及应用[M]． 北京: 化学工业出版社，2001．

   [2] 陈孙艺．焦炭塔冷焦水流量的分析[J]．石油化工高等学校学报，2004(12): 65~68．

   [3] 张赛军．对二甲苯成品塔运行的优化[J]．化学工业与工程技术，2002,23(4): 20~22．

   傅钢强（1977-）

   浙江磐安人，硕士，毕业于华东理工大学化学工程专业。1999年7月至今在中国石化镇海炼化分公司工作，历任操作工、工艺员、工艺技术主办，现任炼油二部副总工程师、安全副总监。主要从事延迟焦化装置技术管理工作。  

   摘自《自动化博览》2012年第一期