低碳烯烃类装置压缩机控制应用

低碳烯烃类装置 典型的压缩机组 的控制应用 键入文档副标题 键入作者姓名 目录 专利商工艺概述 2 裂解气（合成气）压缩机组 2 裂解气（合成气）压缩机的主要控制回路 3 丙烯制冷压缩机组 5 丙烯压缩机的主要控制回路 6 辅机控制及联锁 保护 6 辅助机控制和联锁保护 12 机组能效在线监测和防喘阀的选择 14 机组状态监测 14 机组节能优化改造案例 15 低碳烯烃类的生产装置主要是指各类裂解方式包括蒸汽热裂解、催化热裂解、甲醇制 烯烃和烷烃脱氢装置用于生产乙烯、丙烯和丁二烯。采用丙烷脱氢制丙烯工艺流程，制丙 烯有较大的成本优势。这几类低碳烯烃装置使用相同类型的压缩机组，有着相似的工艺气 体压缩流程和加压深冷分离流程。这三大产品是有机化工的基础产品，是衡量一个国家工 业化水准的标志之一。 专利商工艺概述 以石油化工为基础，采用烃类蒸汽热裂解生产乙烯的专利商主要有：Lummus、Stone & Webster、KBR、Linde 和 Technip(KTI)。他们有不同的裂解炉炉型，和不同的分离流程。 不同的分离流程关系到乙烯装置压缩机组的功耗，裂解气压缩机组的功耗顺序分离流程最 大，前脱丙烷最小；丙烯压缩机组功耗前脱丙烷最大；乙烯压缩机组功率前脱乙烷最小。 2009 年 8 月，沈阳石蜡化工有限公司 50104t/a 催化热裂解 CPP 制乙烯项目在沈阳 投产。该项目采用中国石化石油化工科学研究院研发的重油深度催化裂解制乙烯技术，以 重质渣油为原料富产乙烯和丙烯，与国内现有的蒸汽热裂解乙烯装置相比，CPP 项目生产 的乙烯成本可降低 20%。 以煤化工为基础，国内外具有代表性的四种甲醇制烯烃工艺技术包括：鲁奇公司的甲 醇制丙烯技术、UOP RSK Hydro 的甲醇制烯烃技术、中国大连化物所开发的甲醇制烯烃技 术以及清华大学的流化床甲醇制丙烯技术。 目前世界上已经有 10 多套丙烷催化脱氢制丙烯装置在运转, 主要专利商和工艺是 UOP 公司的 Oleflex 工艺、Lummus-Houdry 公司的 Catofin 工艺、Krupp Uhdewcng 公司的 STAR 工艺、Linde-BASF-Statoil 共同开发的 PDH 工艺等。 低碳烯烃装置主要有三大压缩机组，即裂解气（合成气）压缩机组、乙烯制冷压缩机 组和丙烯制冷压缩机组。这些机组的工艺流程及设备基本相同，控制方案与节能优化改造 的技术策略也基本一致。有些专利商的深冷分离流程采用一台乙烯、丙烯和甲烷三元制冷 压缩机，取代乙烯和丙烯制冷压缩机，在压缩机组的数量上减少一台。另外一些专利商在 流程上对三种冷媒单独配置压缩机组，相对于传统乙烯装置多一台甲烷制冷压缩机。 裂解气（合成气）压缩机组 裂解气（合成气）压缩机其作用是对乙烯装置工艺裂解气进行压缩升压以便实现高效 的产品分离，由于裂解气压缩机的压比比较大，一般均在 25 以上，为了降低能耗并限制裂 解气在压缩过程的温升，裂解气压缩机均采用多段压缩方式。目前，在百万吨/年乙烯项目 的裂解气压缩机多数采用五段压缩。 为了防止压缩机在开停车工况低负荷时发生喘振，设有三段返一段，五段返四段的流 量控制。 也有其它类型的工艺布置，如在第五段之后为碳二加氢工段，压缩机的防喘振回路的 布置为三返一，四返四和五返五。五返五由热回流（五段出口直接返回五段入口）和冷回 流（碳二加氢后引出回流至五段入口） 。 其他方法制烯烃的压缩流程与蒸汽热裂解的裂解气压缩工艺流程基本相同，这里不再 赘述。北京康吉森在各类工艺流程方面都有专用的算法和成熟的应用业绩。 裂解气（合成气）压缩机的主要控制回路 裂解气（合成气）压缩机进口压力的控制 裂解气压缩机组是乙烯装置的核心设备，其入口压力控制通常是单回路控制，即通过 转速控制入口压力，康吉森将单一的入口压力控制转速的回路改为入口压力的 PID 输出同 时控制压缩机转速与防喘振控制阀，使压缩机的入口压力更趋于稳定，减少裂解炉开停对 入口压力及流量变化的影响。 裂解气（合成气）压缩机的防喘振控制 裂解气压缩机通常有两至三个防喘振控制回路， 当控制系统监测机组接近发生喘振 时，系统控制输出打开放喘振阀，增大压缩机的运行流量，使压缩机平稳地工作在安全区。 防喘振控制回路之间设置解耦功能，防止防喘振回路之间的互相干扰。 裂解气（合成气）压缩机的过程控制 机组控制系统对裂解气压缩机每一段进、出口都有温度和压力的监测，并对段间的冷 却器换热效果进行监测，对段间吸入罐（分离罐）的液位进行控制。防止液态烃和水吸入 压缩机，引起压缩机故障。 汽轮机转速控制 汽轮机作为原动机，汽轮机启动阶段的转速控制，根据汽轮机主机厂提供的升速曲线， 进行升速控制，升速过程设有暖机转速和临界转速区，保证机组安全平稳的升速。 汽轮机正常运转阶段，按乙烯装置工艺的要求，通常通过调节转速来保持裂解气压缩 机的进口压力保持恒定。 机组节能优化控制 裂解气（合成气）压缩机组入口压力控制与双烯收率有直接的关系，压力越低,烯烃 收率越高，但机组功耗会增大。康吉森把入口压力与压缩机转速串级控制更改为压缩机入 口压力作为主控变量，同时控制压缩机转速和三返一防喘振控制阀，实现了压缩机入口压 力的全自动控制。将入口压力保持在相对低的一个最优的数值，机组功耗又不会增加过多， 最大限度地提高企业的经济效益。 典型裂解气压缩机组操作控制画面： 总貌 丙烯制冷压缩机组 典型的丙烯制冷压缩机组系统的作用也是提供工艺流程中深冷分离所需的部分冷量。 本系统也是密闭的，丙烯制冷压缩机通常是用高压抽汽式蒸汽轮机驱动的单缸四段离心式 压缩机。其流程见下图： T-150Steam urbineHP Steam CondesrPDT1504PDT150 PDT150 UV1502 (8“) C-150Propylen Rfrigeation mpreso E-150Stage 1Sta2Stg 3FT1503P15029FT1509P15026 PT1502 PT1502FT150 UV150 (8“)LV-150D-150LV-1503D-150 2LV-15039D-1504 UV1504 (“ ) PT1509D8Stage 4Re-BoilrF2D-150Turbodyne 4,70 RPM2135KW kg/cm29C(Drs-Rnd) 丙烯压缩机流程图 丙烯压缩机的主要控制回路 丙烯压缩机的防喘振控制 丙烯压缩机防喘振控制回路较多，有三个防喘振回路，机组控制系统将按监测到的数 据进行计算，如果判断到喘振，系统输出打开防喘振阀实现喘振的控制，系统同时协调好 三个回路之间的关联关系。 性能控制 根据工艺要求，压缩机组通常有入口压力保持恒定的要求，正常运转时，通过升高或 降低汽轮机的转速从而保持压力的稳定。在机组有喘振发生时，性能控制与喘振控制需要 采取优化的控制方案。 机组性能与喘振优化控制原理图 辅机控制及联锁保护 丙烯压缩机操作控制画面： 总貌画面 机组油路系统画面： 压缩机密封系统画面： 机组轴振动、位移及轴温画面： 汽轮机速度控制画面： 汽机冷凝系统画面： 压缩机防喘振控制画面： 启机调速画面： 联锁逻辑画面 乙烯制冷压缩机 乙烯制冷压缩机组系统其作用是提供工艺流程中深冷分离所需的高级别的冷量。乙烯 制冷为乙烯装置分别提供-102、-75、-55三个冷冻级别，主要提供分离工段脱氢系统及 脱甲烷塔顶冷凝器的冷量，其流程见下图。 乙烯压缩机流程图（示例） 在新的大型乙烯装置中，传统的乙烯制冷压缩机增加了乙烯气相产品增压的功能，即 在三段出口引出一股乙烯作为产品气继续压缩外输。增压机部分形成开放系统，此时改段 的防喘振阀通常也会被作为工艺控制阀使用，仅在必要时保持机组满足防喘振所需最低回 流量的需求。 乙烯制冷压缩机组的控制、辅机控制和联锁保护与丙烯机组类似，不再赘述。 辅助机控制和联锁保护 机组油路系统控制 包含润滑油和控制油油温、油压的控制；主油箱和事故油箱的液位控制；主辅泵的切 T-160SEAM URBINEHP Steam Condesr PDT1608 PDT1607 PDT1603 UV1604 (3“ ) C-160Ethylen Refrigration Cmpresor E-160+ OtherUnis Stag 1Ste 2Stage 3 D-1604 FT1602PT1603 FT1605PT16028 PT1602 FromD-130 UV160 (6“ )LV-160-12LV-1602 D-1602LV-16032D-1603 UV1607 (2“ ) EP-150A-D PT160FT160 LV-17046 Turbodyne1,286 RPM 570KW kg/cm2 49C (Drsr-and) 换控制。 油路油质监测 通过对油的几个关键指标（水分、金属颗粒数、油质老化度等）监测，分析判断油质 情况，并对未来的发展进行预测。 汽轮机的抽汽控制 当装置蒸汽中压管网需要增多/减少的蒸汽量时，我们可以通过抽汽来满足需求，当 抽汽量改变时，控制系统促使汽轮机进汽量做相应的调整，两者应平衡，保证汽轮机的轴 功率不会改变，即汽轮机的速度平稳。 丙烯制冷压缩机段间的储液罐/闪蒸槽的温度和液位的监控 储液罐/闪蒸槽温度如果偏高/低都会影响到丙烯闪蒸的压力，进而影响到压缩机的进 口压力；储液罐/闪蒸槽液位如果偏高，液体有可能进入到压缩机的内部，打坏叶轮，损坏 压缩机。通过优化改造与防喘振控制回路共同协调控制，防止制冷系统的波动。丙烯机组 其他辅机控制与联锁保护和裂解气压缩机组相同。 密封气监控 机组密封多采用干气或氮气，控制系统始终保持密封气体于平衡管气恒定的差压制， 不让压缩机气缸内的气体有任何的向外泄漏，同时对密封的排气加以监测保护。 汽轮机冷凝器控制 汽轮机冷凝器控制包括：抽真空、温度控制及液位保护。冷凝器真空度越高，排气温 度越低，汽轮机热循环还效率越高。 汽轮机盘车 采用冲击式盘车装置，满足相关条件后，控制系统可进行单机或整个轴系的自动连续 盘车。 汽轮机超速保护 按照 API 标准要求，机组配置有独立的三取二超速保护器对机组实行超速保护。并且， 在机组控制系统内部也组态了超速保护停车联锁逻辑。 润滑油压力低低联锁停车 轴位移/轴振动高联锁停车 轴瓦温度高报警 段间吸入罐液位高联锁 机组能效在线监测和防喘阀的选择 机组在线性能监测 机组在线性能监测是考核机组能效的度量手段。当原料发生变化时，裂解气（合成气） 的组分也发生相应的变化，机组的能效指标会发生改变。当加热炉（反应器）出口温度、 一段吸入罐压力、工况负荷发生改变，同样引起机组的能效改变。对机组进行在线性能监 测，可实时监视汽轮机、压缩机功率和效率的变化。可对机组节能优化改造的实际效果进 行评估，为进一步计算烯烃装置的收益提供参考。 防喘阀的选择 防喘阀的选型原则包括：通过计算满足防喘振控制的流通能力，阀体形式要考虑工艺 介质、工艺参数的条件。阀体材质要考虑腐蚀、磨损和介质温度，执行机构应有足够的推 力，与阀门定位器配合，做到开度准确。阀门的动作响应要求快速打开，失效方式要满足 故障-安全模式，确保在失电或失去气源的情况下机组处于安全状态。 机组状态监测 机组配有状态监测系统，监测机组轴振动与轴位移，如数值达到报警值，发出报警； 如达到联锁值，将联锁停机。在机组升速过临界转速时，状态监测系统应自动放大轴振动 联锁值，避免过临界转速误停车。 探头安装要求 键相位探头与相互垂直的 YX 探头配合，可用来确定轴径向振动的方向。调整转子动 平衡时，可以根据键相位探头测量的振动相位角，确定在转子的什么位置增加或减少配重。 诊断案例 某 70 万吨蒸汽热裂解乙烯装置裂解气压缩机，该压缩机低压缸突然出现振动增大的 现象，从正常工况的 10m 以下升高到 24m，严重影响到压缩机的稳定运行，成为制约 乙烯装置长周期运行的瓶颈。 原因分析：一倍频升高，属于转子不平衡现象，是转子结焦还是其他原因？经初步 判断，压缩机一段入口管线带液是造成低压缸振动的主要原因。 采取措施：调整入口管线的排液操作，避免入口管线积液，同时将低压缸的注水改为 注油，以控制注油量和阻聚剂量。此外，为了提高排液速度，在吸入管线低点处新开了两 个排液孔，配置并投用排液配管，压缩机轴振动恢复正常。 机组节能优化改造案例 某装置丙烯制冷压缩机。压缩机入口压力的稳定直接影响到整个装置的运行品质，通 过变频电机转速及防喘振阀之间的优化来自动控制压缩机的入口压力，控制系统将根据工 艺操作，通过转速及防喘振阀之间的优化控制，实现机组的全自动控制，保证安全并实现 优化高效，要求使压缩机处在最佳工况和平稳运行。 所以要求在压缩机负荷发生改变时保持压缩机入口压力不发生变化。这些都对压缩机 控制系统提出了很高的要求。 喘振线实测 现场进行了压缩机喘振线的实测，验证机组厂家提供的性能曲线。投用压缩机入口压 力优化控制后，精调了控制参数，保证工艺波动时，控制系统及时响应使