Автоматизированная система управления нагревательными печами комбинированной установки переработки нефти

Рассматриваются проблемы использования в нагревательных печах установки переработки нефти двух видов топлив - горючего газа и мазута. Описывается автоматизированная система управления температурным режимом печи, обеспечивающая регулирование подачи топлива и его перераспределение между печами. Показано, что применение системы позволяет снизить сброс газа на факел и уменьшить расход мазута, а также улучшить работу печей в различных режимах.

Характеристика объекта управления

На различных технологических установках нефтеперерабатывающего предприятия образуются горючие газы, которые поступают в топливную сеть завода. Нестабильный по составу и нерегулярный по времени сброс газов является основной причиной значительных колебаний давления в топливной сети. По этой причине происходят нарушения температурного режима в печах, предприятие вынуждено сжигать часть топливного газа на факелах при одновременном перерасходе потребления мазута. Поэтому проблема эффективной утилизации топливного газа является актуальной для нефтеперерабатывающих предприятий.

Перед НТФ Инкотех была поставлена задача стабилизации теплового режима в печах комбинированной технологической установки ЛК-2 Мажейкяйского НПЗ (Литва). В состав установки входят процессы обессоливания, атмосферной перегонки нефти, гидроочистки прямогонного бензина, керосина и дизельного топлива, фракционирования и очистки газов. Система должна обеспечить максимально возможное использование топливного газа из заводской сети и сократить потребление мазута и сброс газа на факел.

На рис. 1 показан пример графика изменения давления в газовой магистрали. Как видно на графике, давление топливного газа в заводской сети меняется в широких пределах. Максимальная скорость изменения давления составляет 3,5 атм/ч при номинальном давлении газа в сети 2,75 атм. В это время давление увеличивалось относительно его номинального значения на 1,45 атм, а затем снижалось на 2,15 атм.

Газ из заводской сети распределяется между различными заводскими потребителями. На установке ЛК-2 газ подается на 11 печей, на которых сжигается около 12000 нм3/ч, что составляет 1/3 общезаводского потребления топливного газа.

График изменения давления топливного газа Рис. 1. График изменения давления топливного газа

В каждой из печей ЛК-2 установлено 6 комбинированных газомазутных горелок с коэффициентом рабочего регулирования тепловой мощности – 2. С учетом номинальной производительности горелки возможные изменения расходов на все горелки одной печи составляют: по газу ±780 нм3/ч, по мазуту ±0,78 м3/ч. Поэтому для компенсации максимального изменения расхода газа в заводской сети, составляющего ±3000 нм3/ч, потребуется не менее четырех печей. При этом необходимо учитывать эффект взаимного влияния контуров автоматического регулирования в процессе перераспределения расходов мазута между печами.

Предложение НТФ Инкотех заключается в том, чтобы стабилизировать давление топливного газа, поступающего на 7 печей, а все колебания по давлению и расходу газа распределить на остальные четыре печи. Кроме того, предусматривается стабилизация давления мазута в коллекторе перед горелками печей и температуры мазута – на выходе из обогревающего теплообменника.

Во избежание застывания мазута в трубопроводе необходимо обеспечить его постоянный проток по коллектору. Для экономии энергии было предложено поддерживать температуру мазута на возврате в емкость на минимально возможном значении. При этом сохраняется удовлетворительная текучесть мазута, проток которого регулируется через клапан, установленный на линии возврата. Эффективное горение мазута требует подачи пара на его распыление. Поэтому необходимо стабилизировать давление пара в паровом коллекторе, а также обеспечить его подачу в горелки печи в заданном соотношении с расходом мазута.

Для проверки предложенных технических решений на первом этапе было принято решение оценить эффект от автоматического перераспределения небаланса топливного газа и оперативного его замещения эквивалентным по теплотворной способности расходом мазута на примере работы двухсекционной печи Kr-101/1 (S1, S2). При этом необходимо было обеспечить поддержание заданной температуры сырья на выходе из инерционной печи, воспринимающей все возмущения по давлению топливного газа путем компенсации его избытка/недостатка эквивалентным расходом мазута.

Структурная схема предложенного КТС АСУТП ”Печи” представлена на рис. 2. На верхнем уровне системы применена компьютерная операторская станция со SCADA-системой ViS@ 6.0 разработки НТФ Инкотех. В системе управления  были использованы закупленные предприятием ПЛК KS-98 Prozeß- und Maschinen-Automation GmbH (Германия). Контроллеры KS-98, барьеры искрозащиты и гальванически развязанные каналы блоков питания аналоговых датчиков были установлены в помещении под дымовой трубой, а электропневмопреобразователи – в полевых шкафах возле ИМ.

Структурная схема предложенного КТС АСУТП Рис. 2. Структурная схема предложенного КТС АСУТП

Основные параметры, характеризующие работу системы регулирования, регистрировались на неиспользуемых приборах этого пункта управления. Это решение обусловлено тем, что в перспективе архивация параметров и отображение их графиков должны быть выполнены на компьютерных рабочих станциях. Для этих целей в НТФ Инкотех были разработаны драйверы обмена информацией между контроллерами KS-98 и рабочей станцией оператора, а также мнемосхемы для отображения течения ТП.

АСУ должна обеспечить:

Функциональная схема разработанной системы управления приведена на рис. 3.

Функциональная схема Рис. 3. Функциональная схема

Разработанная система управления предназначена для решения следующих основных задач:

Для реализации системы управления печью Kr-101/1 были использованы 5 контроллеров KS-98, за которыми закреплены определенные контуры контроля и регулирования.

Контроллер 1 (2) обеспечивает:

Контроллер 3 обеспечивает :

Контроллер 4 предназначен для расчета:

Контроллер 5 обеспечивает:

Контуры регулирования температур мазута на выходе из теплообменника Tk-117/1,2 и на возврате в емкость мазута, а также давления пара, поступающего на распыл мазута в горелки печей ЛК-2, выполнены на основе существовавших средств автоматизации.

Ниже приводятся общие сведения о контроллере KS-98. Внешний вид лицевой панели контроллера KS-98 приведен на рис. 4.

Внешний вид лицевой панели контроллера Рис. 4. Внешний вид лицевой панели контроллера

Контроллер предназначен для выполнения математических вычисле­ний, а также многоканального контроля и управления и содержит библиотеку функциональных блоков, на основе которых моделируются системы с необходимыми функциональными возможностями. Каждый контроллер KS-98 типа 9407 965 21001 включает:

Для отображения режимов контуров регулирования используются светодиоды 1-4:

Вид дисплея контроллера в режиме регулирования параметра (а), отображении значений параметров (б) и трендов изменения параметра (в) приведен на рис. 5.

Вид дисплея контроллера в режиме регулирования Рис. 5. Вид дисплея контроллера в режиме регулирования

При выборе контура оператор может изменить текущее задание, положение ИМ и режим его работы (дистанционный, автоматический или каскадный). Переключение контура из режима дистанционного регулирования в автоматический обеспечивается нажатием клавиши “выбор режима регулирования”. Для обратного переключения из автоматического режима в дистанционный, необходимо вторично нажать клавишу выбора режима регулирования.

Переключение в каскадный режим ведомого контура происходит автоматически, если этот контур находился в автоматическом режиме регулирования, а ведущий контур переключается из дистанционного режима в автоматический. В момент переключения режима работы обеспечивается автоматическая безударная подготовка контура. При переключении из режима:

Система автоматизированного управления, внедренная на двухсекционной печи Kr-101/1 (S1, S2) ЛК-2, обеспечила:

Разработанные алгоритмы и программы управления были переданы Мажейкяйскому НПЗ для тиражирования на другие печи завода.

Автор статьи выражают благодарность сотрудникам АО “Нафта” (г. Мажейкяй) за оказанную поддержку и активное участие в создании системы управления.