1 引言
加氫裂化是重質油品輕質化的重要手段之一,典型的工藝流程如圖1所示。
加氫反應流出物經換熱降溫,再經空氣冷卻器使溫度達43℃左右進入高壓分離器(高分V-2),將氫氣與反應產物進行分離。高分頂流出物絕大部分為氫氣,進入循環(huán)氫壓縮機(C-1)升壓到18MPa左右,一部分作為急冷氫以控制反應溫度;另一部分則與補充的氫氣混合。加氫反應耗氫氣,因此必須由其它產生氫氣的裝置來補充氫氣,此氫氣壓力低,要經新氫壓縮機(C-2往復式)提升到18～19MPa壓力進入加氫裝置的氫氣系統(tǒng)。混合后的氫氣與反應流出物換熱升溫達300℃左右進入循環(huán)氫加熱爐。
一種或幾種原料按比例混合進入原料緩沖罐(V-1),經加氫進料泵提高壓力后與反應流出物換熱升溫到要求的溫度后,與第一循環(huán)氫加熱爐出口的氫氣混合,其溫度為344℃左右進入加氫精制反應器(R-1)。反應器的出口物流與循環(huán)油(從分餾塔底來)以及第二循環(huán)氫加熱爐(F-2)出口的氫氣混合進入加氫裂化反應器(R-2)。
反應流出物經與循環(huán)氫、進料以及低壓分離器(V-3)的液體等一系列換熱降溫,最后經空氣冷卻器(A-1)降溫到43℃左右進入高壓分離器(V-2),V-2頂的氣體進入循環(huán)氫壓縮機,高分底的液體部分進入低壓分離器(低分)。高分壓力一般約為16MPa,低分壓力為1.6MPa左右。高分低分為加氫裂化裝置高壓部分及低壓部分的分界點。
低分液體部分與反應流出物換熱升溫后進入脫丁烷塔(T-1),T-1底液體進入分餾塔(T-2),得到所需的產品棗石腦油、煤油、柴油及循環(huán)油。
圖1為典型的加氫裂化工藝流程,工業(yè)應用中也有一些差異。不管工藝流程如何變化,加氫裂化裝置的主要機械設備是:高壓進料泵、反應器、加熱爐、循環(huán)氫壓縮機、補充氫壓縮機、高壓分離器及分餾塔等。
從上述可看出加氫裂化裝置的特點:
1、高溫、高壓(高氫分壓)。從高壓進料泵及壓縮機出口到高壓分離器為止,系統(tǒng)的壓力在16～19MPa范圍,熱交換器、加熱爐及反應器介質的溫度在300～400℃,而且處于氫氣環(huán)境中。因此,所有儀表材質和壓力等級必須適應所處的操作條件。
2、加氫是耗氫強放熱反應。加氫是氫氣作為反應物參與反應,因此要消耗氫氣。如不及時補充,系統(tǒng)壓力就會下降。同時加氫裂化是強放熱反應,如熱量不及時排出、勢必加快反應速度而放出更多的熱量,繼續(xù)下去會造成反應失控、溫度驟升、造成催化劑及設備的破壞。因此,溫度和壓力是重要控制參數。
3、由高壓部分和低壓部分組成。本裝置高壓及低壓部分的分界面在高壓分離器及低壓分離器之間。避免高壓氣體串入低壓部分極為重要,因此,高壓分離器的液位是一個重要控制參數。
由于篇幅有限,本文主要介紹反應系統(tǒng)的壓力控制。
2 反應系統(tǒng)壓力控制
壓力是系統(tǒng)內進出物料不平衡的量度,因而氣體壓力控制不是改變流入量就是流出量。加氫裂化裝置幾乎全是氣體壓力控制。加氫裂化是耗氫反應,即氫氣參與反應,必須從外界向系統(tǒng)補充氫氣才能維持壓力平衡。此壓力的平衡點在高壓分離器。
加氫反應是烴類與高壓氫氣發(fā)生反應除去雜質或生產我們所需的輕質產品。它是由氫氣來維持反應系統(tǒng)的壓力。由于反應耗氫、泄漏等因素,如不補充氫氣,壓力勢必下降甚至無法完成加氫反應。
循環(huán)氫壓縮機出口的氫氣一部分作為反應急冷氫控制溫度,另一部分與補充的氫氣混合,經與反應流出物換熱升溫后進入循環(huán)氫加熱爐。原料經進料泵升壓后與反應流出物換熱升溫,與循環(huán)氫加熱爐加熱后氫氣混合進入加氫精制、加氫裂化反應器,生成反應產物(反應流出物),經換熱降溫、冷卻后進入高壓分離器(V-2參見圖1)。上述部分是在高壓下進行,只有高的氫分壓才能進行加氫反應。無論工藝流程如何變化,只在高壓分離器頂或循環(huán)氫壓縮機入口設有一套壓力控制系統(tǒng)。
2.1 高壓分離器壓力控制[1]
高壓分離器壓力采用分程－－自動選擇控制方案,以穩(wěn)定反應系統(tǒng)壓力,自動補充氫氣。
由于從制氫裝置或其他產氫裝置來的氫氣壓力只有1～2MPa,因此要經過壓縮機升壓后才能進入反應系統(tǒng)。往復式壓縮機最適于壓縮流量小、壓縮比大、壓力高的氣體,在高壓和超高壓(3500公斤/厘米2)時,一般采用往復式壓縮機。它是一種固定容量,可變排氣壓力的轉機。常用的控制方法是壓縮機外部旁通管的調節(jié),這種調節(jié)適用于任何規(guī)格的壓縮機。由于這種調節(jié)方式是使一部分被壓縮的氣體經過外部旁路管再返回到入口,雖然消耗一部分能量,但操作簡單,靈活性大。返回的氣體應經過冷凝分去凝液,以防液體帶入壓縮機和機入口溫度的升高。由于在工藝過程中這種氣體的壓縮往往是分段的,所壓縮氣體的返回也是分段的。由于生產的連續(xù)性,工藝過程的前后工序或前后工段的負荷波動,將會影響壓縮機的穩(wěn)定操作。因此,穩(wěn)定壓縮機入口的壓力或者是穩(wěn)定各分段壓縮入口的壓力是壓縮機穩(wěn)定操作的關鍵。本文以加氫裂化裝置往復式三級壓縮機為例說明。往復式壓縮機具有低排量、高出口壓力的特點,適合于加氫裂化補充氫壓縮機的工藝要求,因此國內外補充氫壓縮機都采用往復式。
往復式壓縮機主要的應用特性:R=Pd/Ps
R:壓縮比
Pd:壓縮機出口壓力
Ps:壓縮機入口壓力
往復式壓縮機每級(段)最大的壓縮比(即壓力比)為3:1(也可達4:1)。
高分壓力控制往往與補充氫壓縮機壓力控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起,如圖2所示。
當高壓分離器壓力下降時,高分壓力調節(jié)器PRC107為正作用,因此輸出在0%～70%范圍內時,經標度轉換(反向)為100%～0%進入低值選擇器(LS),當選上時,則由高分壓力調節(jié)器PRC107控制新氫壓縮機三段出口返回閥PV107B,高分壓力下降則PV107B開度減小,返回量少則去高分的氫氣量多,促使高分壓力上升;高分壓力上升時調節(jié)器輸出趨近70%,經標度轉換(反向)趨近于0%,三段出口返回閥PV107B開度加大,返回量多去高分的氫氣量小,因而壓力下降達到給定值。
從上述看出當高分壓力下降時,新氫壓縮機三段出口返回量少給高分補氫量多, 此時二段出口壓力會下降即三段入口分液罐壓力下降。壓力調節(jié)器PRC106為正作用,其輸出在0%～50%范圍,經標度轉換為0%～100%進入低值選擇器(LS),當三段入口分液罐壓力很低時,去低值選擇器的值接近0%,會由低值選擇選上。因此由PRC106控制返回閥PV107B,以保證壓縮機三級出口能達到進入系統(tǒng)的壓力。選擇器起著軟保護功能,使被控參數不會超過極限。根據往復式壓縮機性能,則二段入口壓力也低,一段入口壓力也低,即一段入口分液罐壓力低,則補充氫氣量自動加大。補充氫氣至一段入口分液罐只設有流量記錄。
當高分壓力上升,而高分壓力調節(jié)器PRC107的輸出在70%～100%范圍時,經標度轉換為0%～100%去作用PV107A,即放空去火炬。裝置操作不正常時才會出現(xiàn)此種情況。PRC107輸出的另一路0%～70%經標度轉換100%～0%,因為信號大于70%去低值選擇器的信號為0%,當然為LS選上去PV107B,則PV107B全開使大量氫氣從新氫壓縮機三段出口返回,因此三段入口分液罐壓力上升,PRC106輸出在50%～100%范圍經標度轉換(反向)為100%～0%去低值選擇器,根據往復式壓縮機的性能,二段入口分液罐壓力也高,PRC105的輸出在50%～100%范圍,因此低值選擇器另一個輸入為100%,因此低選器選上PRC106的信號,同樣低選器也會選上PRC105的輸出,即由往復式壓縮機每段出口壓力控制返回入口閥開度,當壓力上升時,調節(jié)器輸出趨近于100%,經反向標度轉換趨近于0%去作用于返回閥(FO),返回氫氣量大。V-5一段入口分液罐壓力上升,PRC104為正作用,輸出上升到50%～100%范圍,PV104A閥打開氫氣出裝置,V-5罐壓力上升,因而進入氫氣量自動減少。
對于每臺調節(jié)器的輸出,調節(jié)閥在一定范圍內動作如圖3所示。
上述的高分壓力及新氫壓縮機壓力控制系統(tǒng)中,補充的新氫與循環(huán)氫壓縮機出口的循環(huán)氫混合進入反應系統(tǒng)。也有采用補充的新氫直接進入高壓分離器,其工藝控制流程如圖4所示。
此控制方案與前面所述的類似,只是氫氣源的壓力較高,經二段壓縮后直接進入高壓分離器。高分上設有壓力調節(jié)器PRC107,其輸出經低值選擇后控制壓縮機二級出口返回二級入口的調節(jié)閥的開度。PRC1017為反作用調節(jié)器,高分壓力下降時,輸出上升因而使返回閥PV107開度變小,因而返回的氫氣量少而向高分補充的氫氣量多,促使高分壓力上升達到給定值。根據往復式壓縮的性能,一段入口分液罐(V-5)壓力也低則自動增加補充氫氣量。當高分壓力上升時與此過程相反。
當高分壓力低時,根據往復式壓縮機的特性,則二級入口壓力也低,其調節(jié)器PRC106輸出在0～50%范圍內,經標度轉換為0～100%進入低值選擇器(LS)PRC106調節(jié)器為正作用,當二級入口壓力低到一定程度則去低選器之值低會被選上而控制返回閥的開度,保證二級入口壓力從而使出口氫氣有足夠的壓力進入高分,以保證壓縮機不受到損壞。所以稱低值選擇器(LS)起到“軟保護”作用,自動選擇又稱為超馳控制。
從上述兩個相近的控制流程看出,高分壓力低時,則由高分壓力調節(jié)器的輸出和壓縮機末段入口壓力調節(jié)器的輸出選擇控制返回閥,其他段則由入口壓力調節(jié)器控制返回閥,向系統(tǒng)補充的氫氣量多;當高分壓力高時,則由高分壓力調節(jié)器的輸出和壓縮機各段出口壓力調節(jié)器的輸出控制返回閥,向系統(tǒng)補充氫氣量少。我們稱往復式壓縮機逐段分程選擇控制的方法為壓力遞推自平衡控制。
我們不難看出高分壓力及新氫壓縮機控制的目的:
(1) 自動補氫以平衡加氫裂化的氫耗,穩(wěn)定反應系統(tǒng)的壓力;
(2) 自制氫裝置來的氫氣經三級壓縮,以滿足加氫原料預加氫所需的氫氣壓力;
(3) 由于往復式壓縮機每段都有氫氣返回,因此每段的壓縮比都等于或接近于設計值,保證機器穩(wěn)定地長周期運行。
2.2 循環(huán)氫(氣)壓縮機出口壓力控制[2]
循環(huán)氫壓縮機(C-1)出口壓力可認為反應系統(tǒng)的啟始壓力,而高壓分離器(V-2)的壓力可視為反應系統(tǒng)的終點壓力,而兩點的壓力差即為物料流動的推動力。因此壓縮機出口壓力是主要的控制參數,涉及到補充氫氣的壓力,反喘振控制等,對于平穩(wěn)操作,設備保護起著重要作用。
一般加氫裂化循環(huán)氫壓縮機選用離心式,蒸汽透平驅動,以適應負荷變化大,循環(huán)氫(氣)分子量變化的要求。
我們知道壓縮機出口的壓力與轉速有關系,當轉速增加時,出口壓力及流量都會變化,如流量不變則出口壓力就會上升。因此采用調節(jié)蒸汽透平入口蒸汽量從而改變壓縮機轉速的方法控制壓縮機出口壓力,如圖5所示。
從循環(huán)氫壓縮機出口壓力與轉速關系圖6看出,當轉速從額定轉速的80%上升到90%時,出口壓力從P1上升到P2。因此調節(jié)壓縮機轉速,只需蒸汽透平的主汽門開大,進入更多的蒸汽,壓縮機轉速加大,出口壓力就會上升,因此調整非常方便。
3 結束語
從上述可以看出,壓力控制系統(tǒng)的關鍵在壓縮機的控制,新氫壓為整個系統(tǒng)提供了外在動力;而循環(huán)氫壓縮機出口壓力則是系統(tǒng)的啟始壓力,它為整個系統(tǒng)提供了內在動力。因此控制好了壓縮機的出口壓力就能夠很好的控制整個反應系統(tǒng)的壓力。
參考文獻:
[1] 陸德民,張振基,黃步余等.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京:化學工業(yè)出版社,2000.
[2] 陳以虎.加氫裂化裝置氫氣流路壓力控制[J].石油化工自動化,2009,(5):36-39.
作者簡介:姚蕾(1979-),女,工程師,研究方向:自動化。