連續(xù)重整催化劑再生控制系統(tǒng)閉鎖料斗控制研究

章雷

[摘? ? 要]采用UOP CycleMax工藝的催化劑再生控制系統(tǒng)CRCS，其補(bǔ)償閥MV是一個(gè)典型的斜坡控制回路，針對(duì)因連續(xù)重整裝置工況變化出現(xiàn)的補(bǔ)償閥控制效果不理想，閉鎖料斗緩沖區(qū)與再生催化劑二次提升氣管線之間差壓波動(dòng)大的問(wèn)題，分析斜坡控制曲線原理和特征，通過(guò)CRCS自適應(yīng)算法優(yōu)化斜坡控制曲線，快速把再生催化劑循環(huán)速率的擾動(dòng)降至最低。

[關(guān)鍵詞]UOP;CycleMax;CRCS;斜坡控制;補(bǔ)償閥;平衡閥;自適應(yīng)算法

[中圖分類號(hào)]TE96 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）04–00–03

Research on Lock Hopper Control of CRCS in Continuous Reforming Unit

Zhang Lei

[Abstract]The UOP CycleMax technology is adopted by the Catalyst Regeneration Control System， which the Makeup Valve is a typical ramp control loop. Since the unsatisfactory control effect of the Makeup Valve due to the variations of CCR， the pressure fluctuates between the Lock Hopper Surge Zone and the Regeneration Catalyst Secondary Lift Gas Line. In response to the problem， the principles and characteristics of Ramp Table are analyzed， and the Ramp Table optimized via the CRCS adaption algorithm to quickly minimize the disturbance of the regenerated catalyst cycle rate.

[Keywords]UOP;CycleMax;CRCS;ramp control;compensation valve;balance valve;adaptive algorithm

鎮(zhèn)海煉化120萬(wàn)t/a連續(xù)重整裝置采用美國(guó)UOP公司的第三代CycleMax工藝，該裝置原料為常減壓直餾石腦油、加氫裂化重石腦油，經(jīng)過(guò)重整反應(yīng)，生產(chǎn)辛烷值（RON）為102的汽油組分，以及脫己烷油和苯等芳烴原料，并副產(chǎn)氫氣、戊烷餾分及液化石油氣等產(chǎn)品。重整反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致重整催化劑表面緩慢積炭，從而影響催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性，為確保催化劑始終在初活性的狀態(tài)下和原料油接觸反應(yīng)，CycleMax工藝用一套與反應(yīng)部分密切相連又相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備組成催化劑再生單元，實(shí)現(xiàn)催化劑連續(xù)循環(huán)，并同時(shí)完成催化劑再生，該單元的專用控制系統(tǒng)稱為催化劑再生控制系統(tǒng)（Catalyst Regeneration Control System），簡(jiǎn)稱CRCS。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

催化劑再生控制系統(tǒng)由兩個(gè)可編程電子系統(tǒng)（PES）[1]，即保護(hù)PES和控制PES組成。保護(hù)PES是具有三重化容錯(cuò)（TMR）技術(shù)的Triconex TS3000安全儀表系統(tǒng)，主要完成再生單元冷停車、熱停車的安全聯(lián)鎖和啟停順控，及電加熱器、程控閥門等設(shè)備的控制。控制PES是具有高級(jí)閥門斜坡控制功能的Moore APACS+系統(tǒng)，主要完成再生、待生提升線差壓控制及催化劑流量控制，閉鎖料斗順序控制、補(bǔ)償閥三種運(yùn)行模式（差壓、斜坡、自適應(yīng)）控制、循環(huán)速率報(bào)警監(jiān)控等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2 催化劑再生單元工藝流程

正常操作條件下，經(jīng)重整反應(yīng)后的催化劑依靠重力作用依次從疊置式反應(yīng)器流至底部收集器，在收集器內(nèi)以循環(huán)氫置換催化劑所攜帶的烴類，然后催化劑向下流至“L”閥組，提升氮?dú)鈱⒋呋瘎┨嵘猎偕黜敳康姆蛛x料斗，在分離料斗中淘析出少量粉塵至粉塵收集器。依靠重力作用，催化劑從分離料斗進(jìn)入再生器，在再生器內(nèi)自上而下經(jīng)過(guò)燒焦區(qū)、再加熱區(qū)、氯氧化區(qū)、干燥區(qū)、冷卻區(qū)。冷卻后的催化劑自再生器底部流出，經(jīng)過(guò)氮封罐使催化劑由氧氣環(huán)境切換為氫氣環(huán)境后進(jìn)入閉鎖料斗，并依次經(jīng)過(guò)閉鎖料斗分離區(qū)、閉鎖料斗區(qū)、閉鎖料斗緩沖區(qū)，通過(guò)調(diào)節(jié)閉鎖料斗上部平衡閥UV、下部平衡閥LV和補(bǔ)償閥MV等閥門來(lái)控制催化劑的循環(huán)量，同時(shí)完成催化劑從低壓的再生區(qū)輸送回高壓的反應(yīng)器還原段的壓力轉(zhuǎn)換。催化劑依靠重力自閉鎖料斗底部送至另一“L”閥組，由二次提升氣將再生催化劑提升至反應(yīng)器頂部的還原區(qū)，氧化態(tài)的催化劑流經(jīng)還原區(qū)，用富氫氣體還原成金屬態(tài)，催化劑依靠重力自還原區(qū)底部流入第一重整反應(yīng)器，完成催化劑自反應(yīng)—待生—再生的循環(huán)[2]。

3 閉鎖料斗控制流程

閉鎖料斗用以調(diào)節(jié)整個(gè)反應(yīng)器和再生器系統(tǒng)的催化劑循環(huán)速率，對(duì)閉鎖料斗的控制是CRCS最重要的組成部分。閉鎖料斗包括3個(gè)獨(dú)立的區(qū)：分離區(qū)、閉鎖料斗區(qū)和緩沖區(qū)[3];2個(gè)平衡閥：閉鎖料斗區(qū)和分離區(qū)之間的上平衡閥UV、閉鎖料斗區(qū)和緩沖區(qū)之間的下平衡閥LV;1個(gè)二次提升氣到緩沖區(qū)的補(bǔ)償閥MV;1個(gè)差壓調(diào)節(jié)閥PDV;2個(gè)料位開(kāi)關(guān)：高料位（LSH302）和低料位（LSL302）;1個(gè)料位計(jì)（LT302），結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

CRCS控制從再生器來(lái)的催化劑以小批量的形式通過(guò)閉鎖料斗，然后利用二次提升氣輸送到反應(yīng)器，形成催化劑循環(huán)。批量操作的循環(huán)時(shí)間指示出催化劑的循環(huán)速率，并通過(guò)閉鎖料斗的催化劑流量監(jiān)測(cè)整個(gè)反應(yīng)器和再生器系統(tǒng)的催化劑循環(huán)速率。閉鎖料斗有4個(gè)主要的控制功能：①以預(yù)設(shè)的模式打開(kāi)和關(guān)閉2個(gè)平衡閥。②以差壓、斜坡、自適應(yīng)等模式控制補(bǔ)償閥。③確定催化劑實(shí)際循環(huán)速率，調(diào)節(jié)再生催化劑提升線差壓控制器設(shè)定值。④調(diào)節(jié)待生催化劑提升速率限制器。

閉鎖料斗的循環(huán)是指周期性地給閉鎖料斗區(qū)增壓和降壓[4]，其作用是讓催化劑交替地從閉鎖料斗分離區(qū)向閉鎖料斗區(qū)流動(dòng)，再?gòu)拈]鎖料斗區(qū)向閉鎖料斗緩沖區(qū)流動(dòng)。閉鎖料斗有5個(gè)連續(xù)的運(yùn)行階段，見(jiàn)表1，每個(gè)階段由一個(gè)或多個(gè)步驟組成，每個(gè)循環(huán)周期包含7個(gè)步驟。

CRCS根據(jù)測(cè)量的閉鎖料斗循環(huán)時(shí)間計(jì)算催化劑循環(huán)速率。閉鎖料斗循環(huán)時(shí)間是從一個(gè)閉鎖料斗循環(huán)開(kāi)始（增壓階段）到下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始的時(shí)間。閉鎖料斗緩沖區(qū)料位低觸發(fā)一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始。

實(shí)際催化劑循環(huán)（%）=

×3 600×100%

3.1 閉鎖料斗循環(huán)過(guò)程中平衡閥的動(dòng)作

上平衡閥UV和下平衡閥LV在增壓和降壓過(guò)程中按預(yù)設(shè)斜坡曲線改變開(kāi)度，其余運(yùn)行階段保持全開(kāi)或全關(guān)閥位。在增壓階段，上平衡閥UV由全開(kāi)變?yōu)槿P(guān)（STEP1），下平衡閥LV按斜坡控制模式從全關(guān)到全開(kāi)（STEP2）。在降壓階段，下平衡閥LV由全開(kāi)變?yōu)槿P(guān)（STEP4），上平衡閥UV則按斜坡控制模式從全關(guān)到全開(kāi)（STEP5）。圖3為UV和LV的預(yù)設(shè)斜坡模式曲線，可以看出，在閉鎖料斗循環(huán)期間UV和LV禁止同時(shí)打開(kāi)。

3.2 閉鎖料斗循環(huán)過(guò)程中補(bǔ)償閥的動(dòng)作

補(bǔ)償閥MV和差壓調(diào)節(jié)閥PDV并聯(lián)向閉鎖料斗緩沖區(qū)輸送增壓氣體，目的是使閉鎖料斗緩沖區(qū)和再生催化劑二次提升氣體管線之間的差壓保持不變，最大程度地把再生催化劑循環(huán)速率的擾動(dòng)降至最低。補(bǔ)償閥用以降低因兩個(gè)平衡閥開(kāi)關(guān)而引起的閉鎖料斗緩沖區(qū)壓力波動(dòng)，它可以按三種不同模式運(yùn)行，分別為：差壓模式、斜坡模式和自適應(yīng)模式[5]。

（1）差壓模式

補(bǔ)償閥在催化劑流動(dòng)停止時(shí)或閉鎖料斗重新啟動(dòng)后的前幾個(gè)周期的工作模式，PDIC325差壓調(diào)節(jié)器（PID）輸出同時(shí)控制補(bǔ)償閥MV和差壓調(diào)節(jié)閥PDV。

（2）斜坡模式

補(bǔ)償閥在閉鎖料斗循環(huán)周期的正常工作模式，控制按照預(yù)設(shè)斜坡曲線進(jìn)行。補(bǔ)償閥和平衡閥一樣是在增壓和降壓過(guò)程中按預(yù)設(shè)斜坡曲線改變開(kāi)度，其余運(yùn)行階段基本保持在一個(gè)固定閥位，這時(shí)緩沖區(qū)差壓主要靠PDV閥調(diào)節(jié)。

在增壓階段，STEP1步驟：上平衡閥UV關(guān)閉，緩沖區(qū)差壓呈上升波動(dòng)，補(bǔ)償閥MV閥位應(yīng)先關(guān)小后開(kāi)大。STEP2步驟：下平衡閥LV打開(kāi)，緩沖區(qū)差壓快速下降，補(bǔ)償閥MV閥位應(yīng)先開(kāi)大后關(guān)小（圖4）。

在降壓階段，STEP4步驟：下平衡閥LV關(guān)閉，緩沖區(qū)差壓急劇上升，補(bǔ)償閥MV閥位應(yīng)迅速減小并保持。STEP5步驟：上平衡閥UV打開(kāi)，緩沖區(qū)差壓呈下降波動(dòng)，補(bǔ)償閥MV閥位應(yīng)開(kāi)大后保持（圖5）。

（3）自適應(yīng)模式

補(bǔ)償閥在裝置生產(chǎn)負(fù)荷變化較大時(shí)運(yùn)行該模式，由于閉鎖料斗運(yùn)行是個(gè)循環(huán)過(guò)程，上次循環(huán)的緩沖區(qū)壓力可用于預(yù)測(cè)下次循環(huán)的緩沖區(qū)壓力變化。基于當(dāng)前補(bǔ)償閥的斜坡控制曲線運(yùn)行一個(gè)閉鎖料斗循環(huán)周期后，可以得到一組PDT325的差壓測(cè)量值，再以特定算法根據(jù)這組差壓數(shù)據(jù)生成新的補(bǔ)償閥斜坡控制曲線，降低因緩沖區(qū)壓力改變引起的斜坡曲線不適應(yīng)問(wèn)題。當(dāng)差壓調(diào)節(jié)器處于手動(dòng)，閥位輸出接近50%時(shí)，補(bǔ)償閥MV受差壓調(diào)節(jié)閥PDV的干擾最小，自適應(yīng)算法工作于最佳狀態(tài)，算法公式如下：

—t時(shí)刻新的補(bǔ)償閥斜坡曲線值

—t時(shí)刻舊的補(bǔ)償閥斜坡曲線值

—可調(diào)整的常數(shù)，范圍—0-32.767，幅度為0.001

為t+n時(shí)刻閉鎖料斗緩沖區(qū)和再生催化劑二次提升管線之間的差壓，n表示差壓測(cè)量信號(hào)的時(shí)間偏移，范圍—0～30 s，幅度為0.1 s

—差壓調(diào)節(jié)器PDIC設(shè)定值，范圍0～100%，幅度為0.1%

式（1）中所取的差壓信號(hào)，為補(bǔ)償閥閥位改變后秒時(shí)的測(cè)量值，換句話說(shuō)，算法是根據(jù)補(bǔ)償閥動(dòng)作后秒的結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)提前修正曲線，當(dāng)下一個(gè)循環(huán)周期應(yīng)用這個(gè)閥位修正曲線時(shí)，補(bǔ)償閥會(huì)提前動(dòng)作，以預(yù)防緩沖區(qū)的差壓波動(dòng)。

根據(jù)不同工況下自適應(yīng)算法修正的補(bǔ)償閥斜坡曲線（圖6）分析，隨著反應(yīng)器進(jìn)料量的增加，斜坡曲線會(huì)向上偏移，說(shuō)明補(bǔ)償閥開(kāi)度逐漸增大，進(jìn)入閉鎖料斗緩沖區(qū)的補(bǔ)充氣量增大，催化劑循環(huán)流量增加，反映整個(gè)反應(yīng)器和再生器系統(tǒng)的催化劑循環(huán)速率增大，以適應(yīng)反應(yīng)器進(jìn)料量增加，催化反應(yīng)需要更多催化劑參與的工況。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)閉鎖料斗斜坡控制的研究與應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償閥的斜坡控制實(shí)際是一種先進(jìn)的前饋控制，它利用閉鎖料斗周期運(yùn)行的特性，提前控制補(bǔ)償閥增減緩沖區(qū)增壓氣體補(bǔ)充量，消除上下平衡閥開(kāi)關(guān)帶來(lái)的緩沖區(qū)差壓波動(dòng)。只要深刻理解了補(bǔ)償閥斜坡控制的原理和曲線生成算法，就可以象整定PID控制回路一樣，通過(guò)觀察緩沖區(qū)差壓的趨勢(shì)，無(wú)需運(yùn)行自適應(yīng)模式就可以修正補(bǔ)償閥斜坡控制曲線，快速把再生催化劑循環(huán)速率的擾動(dòng)降至最低。在實(shí)踐應(yīng)用中，這種修正曲線方法效果良好，達(dá)到各項(xiàng)控制目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)閉鎖料斗緩沖區(qū)差壓閉環(huán)控制，為閉鎖料斗控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化創(chuàng)造了條件。

參考文獻(xiàn)

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