IGCC公用工程島Cogen裝置主控系統開發及研究

韓振

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

目前，中國已鄭重向國際社會承諾，力爭2030年實現碳達峰，努力爭取2060年實現碳中和，這需要進一步增強科技創新能力，不斷調整能源結構，加快產業升級換代，努力降低碳排放強度，推動經濟社會發展向綠色低碳轉型。但基于中國的能源稟賦，以煤為主的能源消費結構在相當長一段時間內無法根本改變。在目前的技術水平下，整體氣化聯合循環技術IGCC(intergraded gasification combine cycle)是煤炭高效清潔利用的最具優勢的技術之一[1]。

IGCC是一種極具發展潛力的新型能源利用技術，與傳統的供汽、發電鍋爐技術相比，IGCC技術在節能、環保等領域有著巨大的優勢。IGCC是一項系統性工程，是由多種設備、多項技術集成，包括空分裝置、氣化裝置、氣體凈化裝置、燃氣輪機(GTG)/余熱鍋爐(HRSG)、POX蒸汽過熱爐、輔助鍋爐和蒸汽輪機(STG)等的能量轉化系統[2]。

IGCC技術目前主要應用在發電和化工領域。以發電為目的的IGCC裝置由于產品品種單一，其整體控制方案僅需要滿足裝置負荷變化的調節要求，相對簡單；而在石化領域中的IGCC裝置作為煉化一體化項目的公用工程島，不僅要為煉化裝置提供氫氣、氧氣、氮氣、空氣及各等級蒸汽并發電，還需根據公用工程需求變化動態調整裝置運行負荷。對應各裝置的功能，有幾個相對獨立的子系統，分別為空分系統、氣化系統(含氣化、凈化等裝置)，以及Cogen系統(聯合發電，生產蒸汽并發電)。由于系統復雜、因素眾多、影響巨大，煉化一體化項目中的IGCC公用工程島的整體控制方案的重要性和復雜性都大幅增加，其運行的可靠性及控制的靈活性對煉化一體化項目的穩定連續運行具有重要意義。因此，需開發IGCC公用工程島的主控系統，以提高應對事故工況下對煉化一體化裝置的保供能力。

1 主控系統說明

根據IGCC各裝置特點、核心設備特性、輸出產品對煉化一體化的重要程度以及事故工況下保護對象的關鍵排序等，開發、設計主控系統來確保不同工況的系統調控需求。由于空分裝置帶有后備系統，可滿足2套氣化爐一天的使用量，有足夠的時間供操作人員介入，控制系統相對簡單。氣化系統主要職責為保證煉廠供氫，氣化爐為“兩開一備”，單套規模即可滿足供氫要求，保障系數較高。而Cogen系統由多個產汽單元構成，向外界提供高壓蒸汽供乙烯裝置、中壓蒸汽供煉油裝置作為主要驅動蒸汽及熱源使用，蒸汽管網壓力的穩定性對一體化項目運行非常關鍵，由于蒸汽生產單元多且種類復雜，故確定合理的蒸汽系統控制方案，關乎一體化項目整體運行的可靠性。因此，IGCC主控系統主要針對Cogen裝置而言。

主控系統的設計包括“事件驅動邏輯”和全廠蒸汽平衡控制：“事件驅動邏輯”是指在產汽設備輔助鍋爐、POX蒸汽過熱爐或余熱鍋爐等跳車的情況下應執行的動作；蒸汽平衡控制是指在正常工況下，通過各級蒸汽總管的壓力控制2套輔助鍋爐、2套余熱鍋爐的產汽量、2套STG抽汽量及超高壓-高壓減溫減壓站、高壓-中壓減溫減壓站、中壓-低壓減溫減壓站。

1.1 Cogen系統配置

某煉化一體化項目共設置四級蒸汽管網，IGCC公用工程島Cogen裝置與蒸汽管網有關的設備主要有： 2套燃氣輪機配套余熱鍋爐、2套輔助鍋爐、2套POX超高壓蒸汽過熱爐和2套蒸汽輪機，該項目蒸汽系統規格見表1所列。

表1 全廠蒸汽系統規格

主要產汽單元情況如下： 每套輔助鍋爐額定產汽量為225 t/h，額定蒸汽壓為11.5 MPa，額定產汽溫度為530 ℃；每套POX蒸汽過熱爐最大蒸汽流量為174 t/h，過熱蒸汽壓力為11.5 MPa，過熱蒸汽溫度為530 ℃；每套余熱鍋爐最大產汽量均為330 t/h，配備有補燃設施及相關系統；每套蒸汽輪機消耗超高壓蒸汽最大量為220 t/h，中抽高壓蒸汽最大量為150 t/h。Cogen裝置主要設備與蒸汽管網的關系如圖1所示。

圖1 Cogen裝置主要設備與蒸汽管網的關系示意

1.2 主控系統蒸汽平衡控制方案

超高壓蒸汽管網壓力主要通過超高壓輔助鍋爐負荷調節來穩定： 當管網壓力低，主控系統要求2套輔助鍋爐同時提升負荷，當管網壓力高，主控系統要求2套輔助鍋爐同時降低負荷；高壓和中壓蒸汽管網壓力主要通過蒸汽輪機的抽汽量調節；低壓蒸汽管網壓力通過放空閥調節；開啟余熱鍋爐的補燃系統，也可增加高壓蒸汽產量；同時還可以通過超高壓/高壓減溫減壓器、高壓/中壓減溫減壓器、中壓/低壓減溫減壓器調節。主控系統的蒸汽平衡控制方案如圖2所示。

圖2 主控系統的蒸汽平衡控制方案示意

1.2.1超高壓蒸汽總管壓力控制

在正常工況下，超高壓蒸汽母管壓力是由輔助鍋爐和超高壓/高壓減溫減壓器控制。當蒸汽母管壓力過低時，由主控系統發出控制指令。超高壓蒸汽壓力控制主控動作見表2所列。

1.2.2高壓蒸汽管網壓力控制

在正常工況下，由2臺蒸汽輪機的高壓抽氣來控制高壓蒸汽母管壓力，當高壓蒸汽管網壓力過低時，主控系統發出控制指令。高壓蒸汽壓力控制主控動作見表3所列。

表3 高壓蒸汽壓力控制主控動作

1.2.3中壓蒸汽管網壓力控制

在正常工況下，由2臺蒸汽輪機的中壓抽氣控制中壓蒸汽母管壓力，當中壓蒸汽管網壓力過高時，可以通過中壓-低壓減溫減壓器調節，當中壓蒸汽管網壓力過低時，通過開啟高壓-中壓減溫減壓站進行調節，無需主控指令。

1.2.4低壓蒸汽管網壓力控制

在正常工況下，由低壓排放閥來控制低壓蒸汽主管壓力，當低壓蒸汽壓力過低時，由中壓/低壓減溫減壓器來調節，無需主控指令。

1.3 事件驅動控制邏輯

根據對不同事故工況下蒸汽系統壓力波動的動態模擬分析，結合不同產汽設備響應速度，確定了3條聯鎖控制邏輯，分別針對不同工況，具體如下：

1)A邏輯。主控系統發送信號至余熱鍋爐的燃燒管理系統，要求開啟余熱鍋爐的補燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設定值。

2)B邏輯。主控系統發送信號至余熱鍋爐的燃燒管理系統，要求開啟余熱鍋爐的補燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設定值，同時發送信號至汽輪機的壓縮機組綜合控制系統(ITCC)，要求1套汽輪機聯鎖跳車。

3)C邏輯。主控系統發送信號至余熱鍋爐的燃燒管理系統，要求開啟余熱鍋爐的補燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設定值，同時發送信號至汽輪機的ITCC，要求2套汽輪機聯鎖跳車。

1.4 事故工況下主控系統控制邏輯

蒸汽管網壓力是主控系統的主要保護對象之一，而影響蒸汽管網壓力波動的主要因素是6套產汽設備中的1套或多套跳車。將運行中的產汽設備數目設為N1，N1的范圍為0～6；將產汽設備跳車數目設為N，N的范圍為0～6；將檢修或離線的產汽設備數目設為M；其中N+N1=6，N≥M，N-M為當前跳車的產汽設備數量；若N-M=0，表示無產汽設備跳車。Cogen裝置典型事故工況如下： 1套輔助鍋爐跳車(N≥1)，2套輔助鍋爐跳車(N≥2)，1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車(N≥1)，2套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車(N≥2)，1套POX蒸汽過熱爐跳車(N≥1)，2套POX蒸汽過熱爐跳車(N≥2)。

主控系統在不同事故工況下，執行的控制邏輯如下：

1)1套產汽設備跳車，即N-M=1，且M=0，執行A邏輯。

2)至少2套產汽設備跳車，即N-M>1，或1套產汽設備跳車且1套或多套處于檢修/離線狀態，即N-M=1，M≥1，執行B邏輯。

產汽設備的運行信號通過計數器1來統計N1，此時，N=6-N1，產汽設備的檢修/離線信號由操作員手動輸入，通過計數器2來統計當前的M。則N-M為當前跳車的產汽設備數量，根據跳車產汽設備數量及處于檢修/離線狀態的產汽設備數量來判斷執行A邏輯或B邏輯。

3)2套輔助鍋爐均跳車，或1套輔助鍋爐處于檢修/離線狀態，而另一套輔助鍋爐跳車，執行C邏輯。

2 主控系統的動態模擬驗證

采用動態模擬軟件Dysim模擬了上述典型事故工況以及相應的控制方案，模型范圍包括與所有保護對象相關的主要設備、管道和儀表。通過保護對象的流量或壓力隨時間的變化曲線來表征工況的影響程度以及主控系統做出相應的響應以及動作是否能夠保證研究對象的波動在允許范圍內，滿足裝置正常運行的要求。

在Cogen系統中，與煉化一體化裝置關聯度最大的是超高壓蒸汽管網和高壓蒸汽管網，此外6臺產汽設備的運行/故障直接影響這2條管網的穩定運行，中壓與低壓蒸汽管網通過簡單的DCS控制即可實現，無需主控系統介入。因此，動態模擬對各種事故工況的分析著眼于針對超高壓/高壓管網。

2.1 1套輔助鍋爐跳車

該工況是指2套輔助鍋爐運行情況下，1套輔助鍋爐忽然跳車，主控系統執行A邏輯，另一套輔助鍋爐在超高壓蒸汽母管壓力控制下自動提升負荷。1套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 1套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線示意

由圖3可知，超高壓蒸汽管網壓力在10.7～11.2 MPa波動，5 min后平穩；高壓蒸汽管網壓力波動很小，波動時間不足10 min。

2.2 2套輔助鍋爐跳車

該工況是指2套輔助鍋爐運行情況下同時跳車，或1套檢修時另1套跳車，主控系統執行C邏輯。2套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 2套輔助鍋爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線示意

由圖4可知，超高壓蒸汽管網壓力無問題，高壓蒸汽管網2 min內壓力下降到3.45 MPa，3 min后壓力就可以恢復。

2.3 1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車

該工況是指2套燃氣輪機和余熱鍋爐正常運行情況下，1套燃氣輪機和余熱鍋爐跳車，主控系統執行A邏輯。1套燃氣輪機跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 1套燃氣輪機跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線示意

由圖5可知，超高壓蒸汽管網壓力在10.94～11.02 MPa波動，10 min內恢復穩定；高壓蒸汽管網壓力在3.56～3.66 MPa內波動，20 min內恢復。

2.4 2套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車

該工況是指在2套燃氣輪機和余熱鍋爐在正常運行時同時跳車，主控系統執行B邏輯。2套燃氣輪機跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 2套燃氣輪機跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線示意

由圖6可知，超高壓及高壓蒸汽管網壓力2 min內下降到10.2 MPa，而后開始提升。高壓蒸汽管網壓力瞬間降到3.5 MPa后，繼續下降，管網壓力無法維持。通過主控系統調整不能滿足外部裝置用汽要求，還需公用工程島外部裝置減少高壓蒸汽用量以維持管網穩定。

2.5 1套POX蒸汽過熱爐跳車

該工況是指2套POX蒸汽過熱爐正常運行情況下，其中1套跳車，主控系統執行A邏輯。1套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，超高壓蒸汽管網壓力瞬間降到10.63 MPa，然后開始回升，5 min內恢復；高壓蒸汽管網壓力稍有波動，20 min內恢復平穩。

圖7 1套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線示意

2.6 2套POX蒸汽過熱爐跳車

該工況是指2套POX蒸汽過熱爐運行情況下同時跳車，主控系統執行B邏輯。2套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線如圖8所示。

圖8 2套POX蒸汽過熱爐跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線示意

由圖8可知，超高壓蒸汽管網壓力瞬間降到10.95 MPa，40 min后恢復平穩。高壓蒸汽管網壓力20 min內降到3.5 MPa，而后開始緩慢提升，最終穩定。通過主控系統調整，蒸汽供應量和蒸汽管網壓力均能夠達到要求。

2.7 1套輔助鍋爐運行時1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車

該工況是指在只有1套輔助鍋爐運行情況下，2套燃氣輪機和余熱鍋爐正常運行時，1套燃氣輪機/余熱鍋爐跳車，主控系統執行B邏輯。1套輔鍋運行時1套燃機跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線如圖9所示。

圖9 1套輔鍋運行時1套燃機跳車后蒸汽管網壓力隨時間的變化曲線示意

由圖9可知，超高壓蒸汽管網壓力無問題，在11.1～11.5 MPa內波動，約40 min后恢復穩定；高壓蒸汽管網壓力約20 min后最低降到3.47 MPa，而后開始提升，35 min內恢復至3.55 MPa。通過主控系統調整，蒸汽供應量和蒸汽管網壓力均能夠達到要求。

3 結束語

作為公用工程島的IGCC裝置是整個煉化一體化工工程的能源中心，為其他裝置提供所需的氫氣、蒸汽以及電，是一套復雜的系統工程，需要相應的控制系統才能應對各種復雜工況，保證裝置“安、穩、長、滿、優”運行。本文主要從蒸汽平衡的角度闡述了Cogen裝置主控系統的設計原則、控制邏輯以及事故工況的研究分析，以期為該類主控系統的設計提供借鑒。

通過實例研究，采用動態模擬的方法進行多工況組合分析，驗證主控系統控制邏輯的合理性，量化調控參數以及影響時間，發現主控系統難以解決的事故工況，并對不同工況下的生產操作、全廠協同控制、應急管理措施等方面提供設計依據。

將Cogen裝置內的主要設備和蒸汽管網進行有機整合、統一控制，提出了一套切實可行的邏輯控制方案，可供實際工程設計借鑒使用。