CN103147802B - 一种尾气透平进口冷却空气与工艺尾气切换的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种用于两段轴流式尾气透平膨胀机冷却空气与工艺尾气切换的控制方法。从而有效的维持了PTA机组的功率平衡，确保了机组的稳定运行，同时也充分回收了工艺尾气的能量，将尾气的能量转换为机械能输出以驱动压缩机组，起到了节能减排的效果。

Description

一种尾气透平进口冷却空气与工艺尾气切换的控制方法

技术领域

本发明属于动力机械工程控制领域，具体涉及一种尾气透平进口冷却空气与工艺尾气切换的控制方法。

背景技术

在PTA工艺生产过程中，会产生大量的尾气，带有一定压力与温度的尾气携带了很多能量，将这些能量进行回收并转换为机械能，可为机组的运转提供动力能，降低汽轮机的负荷，减少蒸汽的消耗。尾气透平膨胀机则是以氧化反应器反应过程中所产生的尾气为动力来驱动空压机组的动力设备；通过调节尾气透平的导叶角度，使之更好的适应工艺参数、并优化自身性能，减少汽轮机的功耗。

普通的尾气透平只设计一段导叶，因此调节过程相对简单，只需对一段导叶进行单回路控制即可；在PTA机组中，为了提升能量转换效率同时满足工艺出口温度要求，采用了两段轴流式尾气透平膨胀机，这种膨胀机有两级导叶，需要分别对两级导叶进行控制，使尾气透平膨胀机工作在它的效率最高点，因此控制方式相对复杂，要保证机组正常运转，实现冷却空气与工艺尾气的切换，难度也大大增加。

发明内容

本发明针对两段轴流式尾气透平膨胀机设计，已用于国产化首套PTA机组。这种尾气透平膨胀机属于两段导叶调节膨胀机，径向下进气下出气。工艺尾气经过一级尾气透平膨胀做功后排出，对排出后的尾气进行加热，再经过二级尾气透平膨胀做功排出。在没有产生工艺尾气前，从压缩机出口引入一股压缩空气（冷却空气）进入尾透做功，当工艺装置产生尾气后，则逐步切除冷却空气，切入工艺尾气，这时由工艺尾气为压缩机组提供部分动力。由于工艺尾气具有腐蚀性，因此必须确保尾气透平排气温度在40℃以上才不会对尾气透平造成危害。在冷却空气与工艺尾气切换的整个过程中，本控制方案保证PTA机组的平稳运行，且保证尾气透平运行在正常的温度范围以及高效工况点，降低蒸汽透平的负荷，减少蒸汽透平蒸汽量的消耗。

本套冷却空气与工艺尾气切换的控制方法针对两段轴流式尾气透平膨胀机设计，提出了一种全新的用于两段轴流式尾气透平膨胀机冷却空气与工艺尾气切换的控制方案，本发明的目的在于，利用多个控制器分别采取不同的控制方式对尾气透平两段入口的尾气进行压力控制，同时保证尾气透平排气温度不低于40℃，实现冷却空气与工艺尾气的平稳切换。

本发明项目，发明人具体分析了两段轴流式尾气透平膨胀机的结构及性能曲线图，设计了在工艺装置投产后，将进入尾气透平的冷却空气平稳地切换为工艺尾气的控制方案，该控制方法先进可靠，弥补了国内首套PTA机组两段轴流式尾气透平膨胀机控制方案的空缺，降低蒸汽透平的负荷，减少蒸汽透平蒸汽量的消耗，实现节能减排，节省开支。

首先介绍一下冷却空气与尾气切换的前提条件：控制中涉及了冷却空气与工艺尾气，冷却空气来自压缩机出口的部分压缩空气，在压缩机加载后，产生了压缩空气，即尾气透平的冷却空气，冷却空气主要作用是保证在工艺装置没有尾气产生前为尾气透平提供适量的冷却空气维持尾气透平的正常运转，避免尾气透平由于空转而引起的转子温度升高的现象，使尾气透平在合适的温度范围内稳定的工作；工艺尾气在氧化反应塔出口产生，反应尾气经过高温高压焚烧装置后进入尾气透平进行一级膨胀做功；为了保证尾气透平二段入口温度在设计范围内，经过尾气透平一级膨胀做功后的尾气需进行级间二次加热后再进入尾气透平二段进行二级膨胀做功，最终排出的尾气经过消声器去尾气喷淋装置，尾气经喷淋装置处理后直接向大气排放。

为了实现上述技术任务，本发明采用的如下控制方案：

为了保证冷却空气与尾气切换过程的平稳，将冷却空气切入尾气透平的控制设计为压力控制，控制参数为尾气透平入口压力，通过调整冷却空气调节阀开度去控制进入尾气透平的冷却空气的压力，保证在工艺装置没有尾气产生前为尾气透平提供适量的冷却空气，使尾气透平在合适的温度范围内稳定的工作；将工艺尾气切入尾气透平的控制设计为压力控制，控制参数为尾气透平入口切断阀前压力，利用分程控制方案去控制尾气透平一段导叶和尾气入口切断阀的开度，从而保证尾气透平入口切断阀前工艺尾气的压力，从而使工艺装置所产生的尾气得到最大限度的能量回收；为了保证尾气透平的机组效率以及尾气透平不被工艺尾气所腐蚀，因此需控制尾气透平的排气温度在40℃以上，考虑到温度控制具有滞后性特点，因此将尾气透平二段入口导叶控制设计为压力控制，由二段导叶配合一段导叶共同完成对尾气透平出口温度的控制。具体的切换过程为：当压缩机组加载运行正常后，加载尾气透平膨胀机，同时将从压缩机出口引出的冷却空气的压力控制器投入使用，逐步将冷却空气引入尾气透平膨胀机，此时需密切观察尾气透平膨胀机出口的温度，调整冷却空气阀开度，避免尾气透平由于空转而引起的转子温度升高的现象，使尾气透平在合适的温度范围内稳定的工作；当检测到工艺装置有尾气产生时，将尾气透平的一段入口导叶压力控制器投入，逐步调整尾气透平一段导叶和尾气入口切断阀的开度，将尾气缓慢引入尾气透平，当机组转速稳定后，慢慢关闭冷却空气阀，当尾气透平入口切断阀后压力大于进入尾气透平的冷却空气的压力时，冷却空气将被逐步切出；当冷却空气完全切出尾气透平后，投入尾气透平二段导叶压力控制器，当尾气透平出口温度低于安全值时，调整尾气透平二段导叶以提高尾气透平出口温度。

发明人以某PTA机组为例，采用此两段轴流式尾气透平膨胀机冷却空气与工艺尾气切换的控制方法后，不仅使尾气透平工作在效率高点，还保证了在整个冷却空气与工艺尾气切换过程中机组的平稳运行，使工艺装置所产生的尾气得到最大限度的能量回收，降低了蒸汽透平的负荷，使它的转速调节裕度增大，减少了蒸汽透平蒸汽量的消耗。

附图说明

图1是两段轴流式尾气透平膨胀机冷却空气与工艺尾气切换的系统简图。

图1中的各个数字符号分别表示以下含义：

PT101-尾气透平一段入口压力；PV101-冷却空气入口调节阀；ZT101-冷却空气入口调节阀阀位；PIC101-冷却空气压力控制器；TE102-工艺尾气温度；PT102-工艺尾气压力；PV102-工艺尾气入口调节阀；ZT102-工艺尾气入口调节阀阀位；TE103-工艺尾气入口调节阀阀后温度；PT103-工艺尾气入口调节阀阀后压力；PdT103-工艺尾气入口调节阀阀后差压；FE103-工艺尾气流量；PIC102-工艺尾气压力控制器；ZT103-尾气透平一段入口导叶开度；PT104-尾气透平一段出口压力；TE104-尾气透平一段出口温度；PT105-尾气透平二段入口压力；TE105-尾气透平二段入口温度；PIC105-尾气透平二段入口压力控制器；ZT105-尾气透平二段入口导叶开度；PT106-尾气透平二段出口压力；TE106-尾气透平二段出口温度。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，在工艺尾气还没投入时，冷却空气阀打开一定角度，工艺尾气调节阀门为全关，尾气透平一、二段导叶都保持在初始全关状态；在工艺尾气投入后，冷却空气阀全关，工艺尾气调节阀门为全开，尾气透平一、二段导叶在各自压力控制器相互配合作用下，使尾气透平在合适的温度范围内稳定的工作。

依照本发明的控制方案，为了使工艺尾气成功地切入尾气透平膨胀机，并且保证整个切换过程平稳地进行，本发明设计了三步气体切换程序：

第一步，当压缩机组加载运行正常后，加载尾气透平膨胀机，同时将从压缩机出口引出的冷却空气的压力控制器投入使用，将冷却空气引入尾气透平膨胀机，调整冷却空气阀开度，使尾气透平在合适的温度范围内稳定的工作。具体操作步骤如下：将冷却空气压力控制器（PIC101）投入自动控制，逐渐提高压力控制器的设定值，冷却空气入口调节阀（PV101）慢速打开，冷却空气慢慢投入，可看到尾气透平第一段入口压力（PT101）也逐渐增大，直到冷却空气入口调节阀（PV101）的阀位（ZT101）反馈值开到40%左右时，同时观察到尾气透平一段出口温度保持在30摄氏度左右即可，冷却空气投入结束。

第二步，当检测到工艺装置有尾气产生，工艺尾气压力（PT102）的值达到了透平入口设计参数值，工艺尾气温度（TE102）达到170℃以上时，此时将尾气透平的一段入口导叶压力控制器投入，逐步调整尾气透平一段导叶和尾气入口切断阀的开度，将尾气缓慢引入尾气透平膨胀机；当机组转速稳定后，慢慢关闭冷却空气阀，当尾气透平入口切断阀前压力大于进入尾气透平的冷却空气的压力时，冷却空气将被逐步切出。具体操作步骤如下：将工艺尾气压力控制器（PIC102）投入自动控制，逐渐提高压力调节控制器的设定值，工艺尾气入口调节阀（PV102）慢速打开，工艺尾气慢慢投入，在机组控制室画面上可清楚的看到工艺尾气入口调节阀阀后压力（PT103）的值在逐渐增大，直到工艺尾气入口调节阀阀后压力（PT103）的值大于尾气透平一段入口压力（PT101）的值时，可逐渐将冷却空气压力控制器（PIC101）的设定值降低，慢速关闭冷却空气入口调节阀（PV101）；反复以上操作，直到冷却空气完全切出。由于工艺尾气入口调节阀（PV102）和尾透一段导叶采用分程控制来调节工艺尾气压力（PT102），当提高工艺尾气压力控制器（PIC102）的压力设定值使工艺尾气入口调节阀（PV102）的阀位（ZT102）反馈值开到100%左右时，表示工艺尾气已经完全切入尾气透平，此时尾气透平入口压力完全由一段导叶来控制调节，进入尾气透平的工艺尾气流量可从工艺尾气流量计（FE103）观察到。

第三步，当冷却空气完全切出尾气透平后，工艺尾气切入尾气透平期间，投入尾气透平二段导叶压力控制器，同时观察尾气透平一二段出口的温度的变化情况，当尾气透平出口温度低于安全值时，调整尾气透平二段导叶以提高尾气透平出口温度。具体操作步骤如下：将尾气透平二段入口压力控制器（PIC105）投入自动控制，当观察到尾气透平二段出口温度（TE106）的值过低时，则逐渐提高尾气透平二段入口压力控制器（PIC105）的设定值，尾气透平膨胀机第二段导叶逐渐打开一定角度，再次观察尾气透平二段出口温度（TE106）的温度值，若温度还较低，则重复提高尾气透平二段入口压力控制器（PIC105）的设定值，直到温度值处于正常范围，尽量使其值略高于40℃，尾气透平才会更安全；在保证尾气透平安全运行的前提下，应尽可能的保证工艺尾气流量（FE103）和工艺尾气入口调节阀阀后压力（PT103）的值接近尾气透平设计值，这样才可以使尾气透平工作在效率最高点附近，保证尾透出力最大。至此，两段轴流式尾气透平膨胀机冷却空气与工艺尾气切换结束。

按照上述技术方案，发明人在国产首套PTA机组上对此两段轴流式尾气透平膨胀机冷却空气与工艺尾气切换流程进行了多次验证，证明了此控制方案安全可靠，确保了机组安全稳定运行，同时也充分回收了工艺尾气，为机组运行提供机械能，起到了节能减排的效果。

Claims (2)

1.一种尾气透平进口冷却空气与工艺尾气切换的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：当压缩机组加载运行正常后，加载尾气透平膨胀机，同时将从压缩机组出口引出的冷却空气的压力控制器投入使用，将冷却空气引入尾气透平膨胀机，调整冷却空气入口调节阀开度，使尾气透平膨胀机第一段出口温度保持在30℃左右，冷却空气投入结束；

第二步：当检测到工艺装置有尾气产生，且工艺尾气入口调节阀阀前压力达到了尾气透平膨胀机入口设计参数值，工艺尾气温度达到170℃以上时，此时将设置在尾气透平膨胀机的第一段入口导叶压力控制器投入使用，逐步调整尾气透平膨胀机第一段导叶和尾气入口切断阀的开度，将尾气缓慢引入尾气透平膨胀机；当压缩机组转速稳定后，关闭冷却空气入口调节阀，当尾气透平膨胀机入口切断阀前压力大于进入尾气透平膨胀机的冷却空气的压力时，冷却空气将被逐步切出；

第三步：当冷却空气完全切出尾气透平膨胀机后，工艺尾气切入尾气透平膨胀机期间，投入设置在尾气透平膨胀机第二段导叶的压力控制器，同时观察尾气透平膨胀机第一段、第二段出口的温度的变化情况，当尾气透平膨胀机出口温度低于安全值时，调整尾气透平膨胀机第二段导叶以提高尾气透平膨胀机出口温度，完成尾气透平膨胀机冷却空气与工艺尾气切换。

2.如权利要求1所述的尾气透平进口冷却空气与工艺尾气切换的控制方法，其特征在于，所述的冷却空气入口调节阀采用压力控制调节尾气透平膨胀机一段入口压力；工艺尾气入口调节阀和尾气透平膨胀机第一段导叶采用分程控制来调节工艺尾气入口压力；尾气透平膨胀机第二段导叶采用压力控制调节尾气透平膨胀机二段入口压力。