刘秀云
中国石油化工股份有限公司济南分公司 山东济南 250101
摘要：介绍利用横河CENTUM_VP集散控制系统内部仪表的运算、串级控制、高选模块等功能实现制氢装置水碳比自动控制的方法。
关键词：制氢装置 水碳比 集散控制系统 热力学积炭 仪表 回路 切换
1 前言
水碳比是烃类水蒸汽转化制氢装置转化反应及防止催化剂积碳的一个重要参数，是转化进料中水（蒸汽）分子的总数和碳原子总数的比值（H2O/C）。在整个制氢装置控制方案中，水碳比的控制极为复杂，水碳比增加，催化剂积炭危险减小，但是水碳比太高，装置能耗增加，还会造成催化剂钝化；水碳比太小，积炭反应的可能性增大，还会发生一氧化碳的歧化反应，造成严重的热力学积炭，使转化炉炉管结碳，降低转化炉炉管的使用寿命。中国石化股份公司济南分公司20000Nm3/h制氢装置原料由净化焦化干气、重整稳定塔顶气和重整拔头油组成，原料性质变化较大，而水碳比的大小随原料性质及生产负荷变化而改变，因此，若使用人工计算和控制的方法将水碳比严格控制在工艺要求的3.2～3.7之间，需要操作人员及时关注和及时调整，很大程度上耗费操作人员的精力。
济南分公司20000Nm3/h制氢装置采用了横河CENTUM_VP集散控制系统，此系统是CENTUM系列产品中的第九代。最新版本的CENTUM_VP中，AD Suite功能得到强化，组态工程师能够快速轻松地实现对应用程序控制逻辑和警报属性的修改，减少了此类修改所需时间，修改组态时还可以选择单独还是成组实施修改，提高了工程师工作效率，有利于操作控制的优化，确保高效率，高质量，安全稳定的工厂运营。
2制氢装置工艺流程概述
外来焦化干气及重整稳定塔顶气与循环氢在装置内混合，经分液罐分液、压缩机升压后，与另一路原料重整拔头油混合，进入预热炉F4101升温，再进加氢反应器R4101，在反应器中有机硫转化为H2S、烯烃加氢饱和后进脱硫反应器R4102/1，2吸附其中的HCL和H2S；脱完氯、硫的物料气与装置自产水蒸汽混合（H2O/C=3.2～3.7），在转化炉中加热、转化，再经冷却、中变反应、分液、变压吸附，最后在吸附罐顶引出产品氢气。
3、 实现水碳比计算及调节的控制回路
水碳比计算及调节是根据原料的甲烷值和流量计算总碳量，再利用总碳量与水蒸汽流量计算出水碳比，同时根据总碳量及水碳比来控制水蒸汽的流量。水碳比计算及调节的控制回路见图1，具体实现方法如下所述：
3.1 原料的输入切换与高选
本装置的原料主要是焦化干气，当焦化干气不能满足20000Nm3/h产氢的要求时，需要少量的重整拔头油作为补充原料，另外还考虑了全部使用重整拔头油作为原料的工
况，为了能在不同工况下准确计算水碳比，我们利用内部开关仪表FSW4305实现回路切换，当以焦化干气和重整稳定塔顶气为原料时，将FSW4305的SW值1，表示以焦化干气和重整稳定塔顶气的量FIC4323计算水碳比，以焦化干气、重整稳定塔顶气和拔头油为原料时，将切换开关FSW4305的SW值切换为2，表示以它们的混合流量FI4325计算水碳比；全部使用重整拔头油时以FIC4302计算水碳比，这样通过简单切换内部仪表就实现了不同工况下原料值的转换。
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为了避免原料波动过大时或仪表维护过程中流量值会出现瞬时过小值从而影响水碳比的过大波动，我们增加内部高选仪表FSSH4323和FSET4323，根据工艺要求人工设定安全值FSET4323.SV，FSSH4323把FIC4323.PV与FSET4323.SV做比较，正常状态下把FIC4323.PV输出，当FIC4323.PV值小于FSET4323.SV时，以FSET4323.SV作为输出值，这样就避免了原料流量瞬时过小而引起连锁反映。
3.2 水碳比的计算
水碳比最简计算公式为:H2O/C =水蒸汽流量（Nm3/h）/碳流量（Nm3/h）=QH2O/QC，本复杂控制回路的水蒸汽流量由FIC4305测得；碳流量=原料气的甲烷值*流量，甲烷值的测量是由分析仪表AI4301来完成，为防止用于水碳比计算的甲烷值会出现过大或过小情况，利用内部仪表AY4301对甲烷值进行限量，AY4301的程序为：
1：IF PV＜1 THEN CPV=1 ELSE GOTO 3
2：IF PV＞9 THEN CPV=9 ELSE GOTO 3
3： CPV=PV
4： END
即当甲烷值AI4301.PV小于1或大于9时，AY4301输出值分别为1或9，而AI4301.PV的值是1～9间的值时，AY4301输出AI4301.PV，这样就避免了仪表失灵等情况下甲烷值的过大波动。
内部仪表HY4301用来人工设定甲烷值，当AI4301不能投用或AI4301.PV与化验分析值偏差过大时可投用HY4301，参照化验分析含碳量人工设定甲烷值。实现实测甲烷值与人工给定甲烷值之间切换的仪表是内部切换仪表ASW4301。ASW4301的SW为1时以实测甲烷值计算水碳比，ASW4301的SW为2时以人工给定甲烷值计算水碳比。AY4305完成碳流量的计算，AY4305的计算公式：CPV=（RV+RV1）*Q01 ，（RV、RV1为甲烷值，Q01 为原料流量）；CPV即为碳流量QC。因为水蒸汽流量与碳流量单位是kg/h，我们利用内部计算仪表CAL4301来完成kg/h与Nm3/h之间的单位转换及水碳比QH2O/QC计算，CAL4301的内部计算单为CPV=RV*22.4/（RV1*18），（RV、RV1分别为水蒸汽、总碳量），CPV既为我们所需求的实测水碳比，本回路实测水碳比显示的仪表是AI4305。
3.3 水碳比的自动调节
水碳比自动调节是通过原料碳总量调节水蒸汽量来实现的，技术人员根据原料的性质及实测水碳比来设定所需控制水碳比HC4303.SV，比率设定仪表HC4303把总碳量与所需控制水碳比进行内部计算得配汽流量，HC4303的计算公式：CPV=RV*（SV*m），（RV:总碳量 ，SV：人工设定水碳比，m:比率增益，初始值为1）。因为HC4303计算的配汽量单位是kg/h，需要经CAL4305转换为Nm3/h，转换公式：CPV=RV*18/22.4，最后输出给FIC4305做其给定值来控制水蒸汽流量，这样水蒸汽流量就会根据原料的含碳量、所需控制水碳比来自动调节，从而完成水碳比的自动控制。
4 控制效果
水碳比复杂控制回路，大大减少了操作人员的工作量，瞬时实测水碳比使控制效果一目了然，且实测水碳比与人工所需控制水碳比值基本相等，该控制回路在原料性质无太大变动下，可以实现完全自动控制，保证了装置的安全、高效生产。