制氢装置的仪表控制设计和相关知识.docx
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制氢装置的仪表控制设计和相关知识
制氢装置仪表控制设计的相关知识
1．概述：
随着安全意识的加强及工厂操作管理人员的减少，人们对仪表及控制系统的依赖性越来越强，仪表及控制系统的设计已经是炼油厂各装置设计关注的重点之一，功能和范围也随检测技术和自动化技术发展不断扩大。
制氢装置常用的测量仪表包括：
温度仪表、压力仪表、流量仪表、液位仪表、烟气氧含量、转化气的甲烷、产品氢的纯度及CO和CO2的检测。
制氢装置主要控制系统包括：
分散性控制系统（DCS），安全仪表系统（SIS）。
制氢装置的主要检测和控制回路包括：
原料的检测和控制；
蒸汽/进料比的检测和控制；
蒸汽发生器的液位检测和控制；
过程气的压力检测控制；
转化炉（出口温度和压力）的检测控制；
2．制氢装置常用的检测仪表
2．1温度仪表
1）双金属温度计（就地仪表）
●两片膨胀系数不同的金属片叠焊在一起，当温度变化时，两片金属片的膨胀长度不相同而产生弯曲，温度越高，弯曲的角度越大，带动表盘指针，指示温度就高。
●仪表结构简单，价格便宜，精度差，用于就地温度测量。
常用于测量换热器两端的介质温度。
●双金属温度计的测量范围不超过500℃。
2）热电偶（远传仪表）
●两种不同材料的导体焊接一起，当焊接端（热端）和另一端（冷端）置于不同的温度中，则回路中就会产生热电效应，即产生热电势。
●热电偶的测温需要将测量元件置入测量部位，才能测到该部位的温度，因此，选型时应重点考虑插入深度及测量元件和保护管材料应能适应测量部位温度、压力、腐蚀性要求。
●制氢装置一般场合热电偶选用镍铬-镍硅或镍铬-康铜，镍铬-镍硅（分度号：
K）的测温范围为0-1000℃，镍铬-康铜（分度号：
E）的测温范围为0-750℃。
对于转化炉辐射段烟气（850-1100℃）及转化炉出口转化气集合管（750-950℃）等高温场合，热电偶一般选择铂铑-铂（分度号：
S）贵金属材料。
●热电偶的精度分：
标准级和精密级。
K型热电偶的精度:
标准级为±2.2℃或±0.75%t，精密级为±1.1℃或±0.4%t。
E型热电偶的精度:
标准级为±1.7℃或±0.5%t，精密级为±1.℃或±0.4%t。
S型热电偶的精度:
标准级为±1.5℃或±0.25%t,精密级为±0.6℃或±0.1%t。
●对于测量精度要求高的场合，温度仪表可采用压缩量程。
如：
转化气的温度测量范围可由0-1000℃压缩到700-1000℃。
2．2压力仪表
1）弹簧管压力表（就地仪表）
●当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件产生弹性位移，根据位移的大小，便可测出被测压力的数值。
●仪表结构简单，成本便宜。
2）压力、差压变送器（远传仪表）
●用得较多的压力、差压变送器的测量原理采用电容原理，即弹性元件受压产生弹性位移改变了电容量，电容量的大小就反应了压力、差压的大小。
●压力、差压测量一般是通过导压管道引至测量元件，测量元件处介质的温度往往不高。
因此测量元件材质的选择一般只考虑介质的腐蚀性和静压等级。
2．3流量仪表
流量仪表种类繁多，孔板、文丘利等差压式流量计为标准节流装置，出厂无需标定，其它类型的流量仪表一般出厂前需标定，测量气体的流量仪表出厂前用空气标定，测量液体的流量仪表出厂前用水标定。
流量仪表首选差压式流量计，只有在量程比大、计量精度要求高、差压式流量计满足不了要求时，才根据被测介质特点选用其它类型的仪表。
1）差压式流量计
●在工艺管道中安装一个比工艺管道直径小的节流件，流体流经该节流件时，在节流件的两端产生静压差，该压差的大小和流体的流量成对应关系，即F=α√△P。
●只有在雷诺数满足一定要求的前提下，F=α√△P，流量系数α才能为常数，流量才与差压成对应关系。
●节流装置结构简单，差压变送器稳定可靠，节流装置和差压变送器的组合即差压式流量计价格便宜，是炼油装置中应用最广泛的流量仪表。
●节流装置的配管安装有严格的直管段长度要求。
●考虑差压变送器输出信号分辨率的影响，节流装置的量程比（最大流量/最小流量）一般为4：
1。
2．4液位仪表
1）玻璃板液位计（就地仪表）
●利用连通管及玻璃板的透光和反射原理，就地显示液位。
●玻璃板液位计长度不易＞1700mm，太长重量大，不方便安装。
●结构简单，价格便宜。
2）浮筒液位变送器（远传仪表）
●利用浮筒在液体中浸入高度的变化，通过杠杆原理引起扭力管产生角度改变，即液体中液位或界位与扭力管扭角成线性关系。
●由于按浮力原理，所以介质密度变化大的场合，不适宜选用。
●浮筒液位计测量范围≤1400mm，太长重量大，不方便安装。
3）差压液位计
●利用液柱静压的方法测量液位或界位，当液体密度恒定时，差压与液体的高度成线性关系。
●一般用于测量范围＞1400mm的场合。
●结构简单，价格便宜，得到了广泛使用。
2．5分析仪表
甲烷，CO、CO2的测量一般采用红外分析仪，一定波长的红外线通过被测气体后，其红外线的辐射强度与被测组分成线性关系。
氢纯度分析一般采用热导式分析仪，该分析仪通过测量混合气体导热系数以分析气体的组成。
由于产品氢中甲烷，CO、CO2的含量很低且导热系数比氢气低很多（甲烷，CO、CO2、H2的相对导热系数分别为：
1.318、0.964、0.614、7.13）。
因此，产品氢线介质的导热系数主要取决于介质中氢气的含量。
原料组分（烃类）在线分析仪一般采用气相色谱，多组分的混合气体通过色谱柱时，被色谱柱内的填充剂所吸收或吸附，由于气体分子种类不同被填充剂所吸收或吸附的程度也不同，因而通过色谱柱的速度产生差异，在柱出口就产生了混合气体被分离成各个组分的现象，通过检测器对各组分进行检测。
气相色谱结构复杂，故障率高，分析周期长，对维修人员的要求高，因此在人工化验分析可满足生产要求时，可不设置。
2．6氧化锆
为了保证转化炉高的燃烧效率，应把烟气中的过剩氧含量控制在合理的范围，过剩氧含量也为空/燃比的设置提供指导。
测量烟气中的过剩氧含量采用氧化锆。
氧化锆是利用固体电解质原理工作，氧化锆的一侧接入参比气，即空气，另一侧引入被测烟气，由于空气与被测烟气的氧含量不同，在氧化锆的两侧就产生电位差。
当氧化锆工作温度恒定时，该电位差与烟气中的氧含量成正比。
由于氧化锆利用固体电解质原理，因此，氧化锆在使用几年后会老化。
2．7调节阀
调节阀主要由阀门和执行机构组成。
1）阀门的种类
阀门有单座阀、双座阀、套筒阀、偏心旋转阀、蝶阀。
●单座阀只有一个阀芯和阀座，泄漏量小。
一般用于泄漏要求高，压差小，工艺管道尺寸不大的场合。
●双座阀有两个阀芯和阀座，故密封性能差。
阀芯为平衡结构。
一般用于泄漏要求不严，压差大，工艺管道尺寸较大的场合。
●偏心旋转阀流道简单，不易堵塞，适应于液体脏，有颗粒，粘度大的场合。
流通能力大。
阀体尺寸小，安装方便。
●蝶阀流道简单，不易堵塞。
阀体尺寸小，安装方便，但调节性能较差。
适用于大口径、大流量、低压力、低压差的场合。
2）执行机构种类
●气动薄膜执行机构：
薄膜承受的压力低，加上弹簧抵消的力，因此。
执行机构的推力比活塞执行机构小。
结构简单，可靠。
在风源故障时，通过弹簧使调节阀回到安全位置。
●有弹簧的活塞执行机构（单作用气缸）：
气缸承受的压力高，但加上弹簧抵消的力，执行机构的推力比薄膜执行机构大，但比无弹簧活塞执行机构小。
在风源故障时，通过弹簧使调节阀回到安全位置。
●无弹簧活塞执行机构（双作用气缸）：
气缸承受的压力高，无弹簧抵消的力，执行机构的推力大。
在风源故障时，调节阀保持风源故障前的原位，若如需达到安全位置，则需另外增加事故空气罐等设备。
●电动执行机构：
推力大。
当动力电源故障时，阀门维持在断电前的位置。
一般适用于阀门口径大的场合。
3）调节阀的作用方式
●调节阀的作用方式的分：
气开式FC（风源故障时阀门关，控制信号增加，阀门开大）、气关式FO（风源故障时阀门开，控制信号增加，阀门关小）。
●有弹簧的执行机构（包括薄膜执行机构、单作用活塞执行机构）可实现FC或FO，当实现FL时，需要加保位阀。
FLO（风源故障时，阀门维持在断风前的位置，随着时间的延长，保位阀的泄漏，最终阀门趋向于打开）、FLC（风源故障时，阀门维持在断风前的位置，但随着时间的延长，保位阀的泄漏，最终阀门趋向于关）、
●无弹簧活塞执行机构（双作用气缸）：
风源故障时，阀门维持在断风前的位置，若需改变阀门位置，则需配备事故空气罐。
2．8其它
在制氢装置中，参与安全联锁的温度、压力、流量及液位仪表一般采用三取二方式，有的装置中，对于参与控制的温度、压力、流量及液位采用三个仪表取中值作为被测信号，这些都是为了提高安全仪表的可靠性而设置的。
3．制氢装置主要的控制
3.1原料的控制
炼油厂中制氢装置原料气一般为天然气及炼厂气等。
混合气体进入往复式压缩机，压缩机的运行负荷决定了制氢装置负荷。
正常情况下，压缩机入口压力控制外来的可控原料气（如：
天然气），压缩机出口压力控制出口返回入口的原料气。
当压缩机采用HYCOM时，压缩机出口压力控制HYCOM。
当外来的可控原料气调节阀全开，压缩机入口压力仍低时，入口压力和出口压力组成选择性控制，由入口压力控制出口返回入口的原料气。
3.2蒸汽、原料气流量比值（水碳比）控制
蒸汽和原料气的流量及比值是转化炉的主要控制参数。
原料气的流量决定制氢装置负荷。
原料气的流量一般采用定值控制，操作人员可根据制氢装置的负荷要求，人工设定流量调节器的给定值。
蒸汽流量与原料气流量应组成比值及交叉限幅控制，即当原料气增加时，蒸汽流量增加；且当蒸汽流量不足时将产生原料气流量下降，以预防催化剂的损坏。
蒸汽调节阀应有最小机械限位。
以确保转化炉停车时，小的蒸汽流量使转化炉中残余的烃进行反应，而不至于积碳沉积在催化剂上
3.3蒸汽发生器的控制
蒸汽发生器的液位一般采用三冲量控制，即：
饱和蒸汽流量和液位调节器的输出接入计算块，计算块的输出等于蒸汽流量加上或减去液位调节器的偏差。
当液位下降时，该偏差为正，当液位上升时，该偏差为负。
计算块的输出作为除氧水流量的设定值，与除氧水流量流量组成串级控制。
产生的蒸汽除了装置自用外，过剩蒸汽作为过程蒸汽被送入蒸汽管网。
正常情况下通过压力调节器维持装置内部压力。
为避免管网压力过高影响装置内设备安全，在过剩蒸汽管道上还设置另一个压力调节器（其设定值高于正常情况下的压力调节器），该压力调节器调节过剩蒸汽在本装置内放空，以减少安全阀的启动。
蒸汽发生器产的饱和蒸汽一般通过烟气过热，然后再通过减温器，用除氧水控制蒸汽的温度。
3.4过程气压力控制
在原料气注入前，过程气压力调节压缩机的返回线，经过脱硫的气体通过人工控制排放到火炬。
正常情况下，过程气压力控制至PSA装置中变气管线上调节阀及中变气放火炬调节阀。
在原料气注入后，PSA投用前，过程气压力控制中变气放火炬调节阀。
3.5转化炉出口温度和燃烧控制
燃烧控制的目标是为了保证转化炉出口温度，同时保证燃料的完全燃烧。
由于转化炉烟气温度比出口过程气温度响应快，因此采用转化炉出口过程气温度与烟气温度及燃料流量组成串级控制。
为了燃料的安全燃烧，燃料流量应与燃烧风流量组成比值（空/燃比）及交叉限幅控制。
即在正常情况下，燃料应与燃烧风流量组成比值控制；当需要增加燃料时，应先增加燃烧风后增加燃料；当需要燃料减少时，应先减少燃料后减少燃烧风。
为了预防燃料高高压及低低压停车的发生，在燃料气调节阀后设置压力调节器，该调节器与燃料气流量调节器组成选择性控制。
正常情况下，由流量调节器控制燃料气调节阀，当燃料气高压及低压，由压力调节器控制燃料气调节阀。
燃料流量与燃烧风流量比值控制投用的好坏，取决于燃料的热值是否稳定及燃料风流量检测是否准确。
有些装置由于在燃烧风管道上没有设置流量计，或流量测量元件直管段不够，因此采用转化炉烟气氧含量控制燃烧风量，与这将产生燃烧风控制的滞后，不能保证燃料的完全充分燃烧。
3.6转化炉压力控制
转化炉炉膛压力一般采用转化炉的炉膛压力控制引风机的入口阀门，该阀门应带最小限位开关，以防阀门误关。
4．制氢装置中的安全联锁
制氢装置中的安全联锁见下表：
描述（见注1）
关闭燃料气阀
关闭脱附气阀
关闭转化炉进料阀
开启中变气放空阀
关闭进PSA中变气阀
燃气压力低低
×
×
×
×
×
燃气压力高高
×
×
×
×
×
脱附气压力低低
×
×
×
×
×
脱附气压力高高
×
×
×
×
×
炉膛压力高高
×
×
×
×
×
炉膛压力低低
×
×
×
×
×
汽包液位低低
×
×
×
×
×
燃烧风压力低低
×
×
×
×
×
烟气温度高高
×
×
×
×
×
水碳比低低（蒸汽流量低低）
×
×
×
×
×
转化炉出口温度高高
×
×
×
×
×
中变气温度高高
×
×
中变气分水罐液位高高
×
×
5控制系统
5.1控制系统的基本结构见下图：
人机界面
（DCS:
操作站.
SIS:
按钮.信号灯信号灯）
机柜室
装置现场
现场仪表：
T，P，F，L
5.2分散型控制系统（DCS）
DCS系统用于制氢装置的监视、操作和管理。
DCS由I/O卡、控制器、操作站（人机界面）构成，I/O卡、控制器安装在机柜间，操作站安装在控制室。
控制器及参与控制的I/O卡（监视用I/O卡不冗余）冗余（1：
1）设置；操作站一般至少设置2台，相互备用；控制器和操作站间采用冗余电缆或光缆连接。
DCS系统具有以下特点：
●连续量的监控（PID控制）
●测量点数相对其它系统较多
●I/O采样间隔时间相对较长（秒级）
●操作工可通过人机界面（CRT）干预控制系统
5.3安全仪表系统（SIS）
若DCS系统操作失效，工艺参数继续恶化，将威胁到设备及操作人员的安全时，SIS系统将动作。
因此，SIS系统应独立于DCS设置，SIS系统结构与DCS类似，I/O卡、控制器采用冗余（1：
1）或容错（3重化）结构，且I/O卡、控制器需要取得安全度等级认证（Safetyintegritylevel），人机界面一般为操作按钮。
若设置CRT，则CRT和DCS系统一样，选择工业PC，所以，有些项目采用DCS的操作站作为SIS的显示器。
SIS具有以下特点：
●SIS系统的设计是按故障安全方式设计。
●I/O卡、控制器具有安全度等级认证（如：
IEC标准：
SIL1，SIL2，SIL3）
所有电子/电气/可编程电子设备，都可能产生故障。
SIL概念就是用来评定故障及其后果的一种方法，评估结果是根据概率计算得出的。
为了简化安全评估，SIL概念将安全级别划分为SIL1~SIL4（SIL4最高安全级别）。
对于一般的过程控制控制行业中，常见的SIL等级是SIL2/SIL3，而针对核电，铁路等高度关注安全的行业，则一般执行SIL4的最高安全等级。
对于与安全相关的装置安全功能的确认，SIL是全世界广泛认可的方法。
●逻辑运算能力强
●测量点数相对其它系统少
●I/O采样间隔时间短（毫秒级）
●有事件顺序记录功能
●操作工一般不通过CRT人机界面干预控制系统
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