WebField ECS-100控制系统在苯酐装置中的应用

发布时间：2007-03-30 作者：干小锋，陈益斌，宁波市镇海泰达化工有限公司

　　苯酐（邻苯二甲酸酐）是重要的有机（合成）化工原料之一，利用其容易进行脱酸、酰化、磺化、酯化的化学特性，被广泛用作增塑剂、聚酯树脂、醇酸树脂及医药、食品、染料、农药等的原料和中间体，其衍生物可加工成品种繁多、性能优越、用途广泛的化工产品，以满足化工、电子、机械、航天、纺织等工业部门的需求，同时其新的衍生物正在不断增加，应用范围也正日益拓宽。

图1：6 万吨/ 年苯酐装置WebField ECS-
100 控制系统配置图

　　苯酐生产有两种原料路线，即萘法和邻二甲苯法。目前国内苯酐生产90%以上采用邻二甲苯法。现在的邻二甲苯法生产工艺中，大致有以下几种方法：单固定床空气氧化、双固定床空气氧化、熔融马来酸酐回收苯酐、流化床空气氧化。国内绝大多数厂家采用的邻法固定床空气氧化工艺，它总结和消化吸收了国内外苯酐装置的先进技术，是目前一种最成熟的工艺。
　　项目概况
　　中国石化国际事业有限公司镇海经营部60kt/a苯酐装置采用华陆工程科技有限责任公司开发的以邻二甲苯为原料、100克工艺的固定床空气催化氧化法工艺是目前国内单套生产能力最大的苯酐装置。
　　DCS选型及系统规模
　　根据装置工艺、设备等特点，公司要求6万吨苯酐DCS系统在以下方面能有出色的表现：基于网络技术并能融合最新的现场总线技术、嵌入式软件技术、先进控制技术，能实现与多种总线兼容和异构系统综合集成；拥有独立的操作网以及包括管理信息网、操作网、过程控制网、I/O总线四层网络的通讯结构；操作网采用快速以太网技术，能实现C/S模式下服务器与客户端的数据通讯及操作站节点的时间同步以及操作站节点之间包括实时数据、实时报警、历史趋势、历史报警、操作日志等的实时数据通信和历史数据查询；最重要的要求系统具有有无扰动下装功能。经多方调研、比较，我公司最终选用浙江中控技术有限公司的DCS控制系统WebField ECS-100作为该装置的控制系统。
　　本项目设有四个操作站、一个工程师站、三个控制站，另外，设置一个PIMS服务器，以实现管理层对过程生产系统的访问。本装置主要工艺设备包括氧化反应器（德国DWE公司）、气体冷却器、部分冷凝器、切换冷凝器、透平鼓风机组、空压机系统等，除空压机系统通过中控的通讯接口卡与DCS通讯外，其余设备均由DCS自动控制。控制回路128个，涵盖常规PID单回路控制、分程控制、比例控制。设备联锁和工艺联锁设计全面，以氧化反应器联锁、透平鼓风机组联锁为重点，切换冷凝由控制系统SFC实现全自动控制并成功实现了四切三切换控制。系统规模如表1所示，系统配置图如图1所示。

表1：6 万吨/ 年苯酐装置I/O 表


表2：6 万吨/ 年苯酐装置反应器多点热电偶分布


　　主要控制方案设计与实施
　　邻二甲苯进料控制
　　根据工艺要求，要求根据鼓风机鼓入的空气量，由操作工设定邻二甲苯与空气量之间的比值，控制邻二甲苯的进料量。同时需检测实际的邻二甲苯与空气两之间的比值，在比值超出设定值一定值时执行联锁，停止邻二甲苯进料和停鼓风机。
　　反应器温度的控制
　　在反应器中发生着剧烈的强放热反应，所以反应器的温度控制非常重要，控制不当会造成巨大的经济损失。这里主要控制反应器进口熔盐的温度来影响反应器床温热点，熔盐温度通过进出口两个阀门（TV110A、TV110C）控制, 其中熔盐控制阀TV110A控制两边环道管整体平均温度，熔盐翻板阀TV110C控制两边环道的温差，使从旁边经过的返回熔盐能够得到分布，以保持反应器两环腔的温度均匀一致。
　　切换冷凝器的控制
　　在该项目苯酐的生产装置中，共有4个连通的切换冷凝器，分别按A、B、C、D系统表示。在正常生产中，每一台切换冷凝器可以看成是一个比较独立的单元。图2就表示一台切换冷凝器（A系统）的工艺流程图：
　　对单台切换冷凝器来说，它的工作过程包括：热油顶冷油、热熔、冷油顶热油、冷却、进料冷凝。
　　在进料时，阀KV105A1开，粗苯酐气体进入切换冷凝器，此时KV105A3和KV105A4均通冷油，苯酐气体在切换冷凝器内被冷却，形成固态，尾气从KV105A2阀排出。在一段时间之后，进料结束，KV105A1阀关闭，KV105A3阀开始通热油，进行预热，一段时间后，KV105A4阀通热油，构成热油回路，开始热熔。切换冷凝器中的固态苯酐加热后成为液态，流入苯酐贮槽。待一段时间后，热熔结束，KV105A3阀开始通冷油，进行预冷。在过一段时间，KV105A4阀通冷油，开始冷却切换冷凝器，冷却结束后，打开KV105A1阀，再次进料，又一个循环开始。
　　切换冷凝器的控制以安全为主，功能齐全、操作方便为原则，主要实现以下功能：
　　a、正常生产过程中，应该是4台切换冷凝器工作，为保证切换冷凝器进口总管压力稳定，需始终保持3台阀门处于进料状态。因此，在一台切换冷凝器结束冷却，打开进料阀的同时，另一台切换冷凝器在此刻正好结束进料，关闭进料阀。
　　b、长期生产运作一段时间后，进气阀可能出现泄漏关不严的情况，为了保证苯酐气体不泄漏到界外，此时需要切断进气阀两边的手动阀门，以便处理泄漏的调节阀，若此时仍然需要4台冷凝器工作，则可以将该进气调节阀切为旁路，此时，程序自动执行尾气阀替代进气阀的动作。
　　c、在生产过程中，不能保证任何1台切换冷凝器因为各种原因退出生产过程，因此，在任何1台切换冷凝器故障时，剩下的3台切换冷凝器可以独立构成一个系统，自动运行，当然，此时各台切换冷凝器的工作时间也将切换到预设的3台操作时间参数。
　　d、控制方式分为自动和手动，在自动模式下，所有的操作均有计算机完成，无需操作工监视，在各种异常情况下，计算机提供声光报警。在手动模式下，一切的阀门操作由操作工完成，计算机根据阀门状态的变化，自动识别并显示当前步骤，方便操作工验证自己操作的正确性，并利于手自动的切换。
　　e、在自动运行模式下，需对开关阀门的状态进行判断，在阀门开关不到位的情况下，程序不自动运行，并提供声光报警，由操作工判断继续自动运行还是排除故障后自动运行。程序的运行过程中，同时对阀门反馈信号进行判断，对虚假阀门反馈信号进行剔除，对不正常的反馈信号进行报警。
　　f、对每一台切换冷凝器来说，都可以独立进行自动运行，在运行的每一个步骤下，都可以进行暂停操作，在暂停时，时间继电器暂停计时，各阀门状态保持。取消暂停后，继续进行生产计时，整个生产过程自动恢复。
　　g、每一个步骤的设定时间和运行时间可以在操作界面上进行更改。为满足工艺的要求，在进行4台切换冷凝器工作时，进料的设定时间应等于其他各步设定时间的3倍，在进行3台切换冷凝器工作时，进料的设定时间应等于其他各步设定时间的2倍。
　　h、由于苯酐在反应器内容易燃烧，因此需要有严密的联锁措施。在手自动的任何模式下，联锁始终有效。
　　关于床温分布曲线
　　对于苯酐装置来说，反应器是整个装置最重要、最危险的设备，因此对反应器床温分布情况的监控显得非常重要。在氧化反应器内有数支多点的热电偶，每只热电偶的点数和装置的规模和反应器的高度有关，50KT/A以上规模的反应器，通常设有8只这样的多点热电偶，每支有30点，测出反应器各个位置的反应情况。根据催化剂在反应器中的分布高度及密度，将30点热电偶按如下（表2）四层分布，每一层取最大值作为热点温度，参与主联锁停车。同时氧化反应的质量和催化剂的使用情况直接决定整套装置的运行质量和效率，因而工艺上非常需要系统能提供在任意时刻将自由组合点的实时或历史温度排步成分布趋势的功能，但是通常DCS系统只支持每一点的趋势记录，无法实现上述功能，导致工艺对床温及催化剂使用情况的监控和分析需要借助人工绘制图表来实现，WebField ECS-100 系统软件包中为苯酐装置定制的床温实时及历史分布曲线查询软件将上述问题考虑得细致入微，利用该软件不仅能在线显示自由组合点床温瞬时分布曲线，而且支持上述要求的历史查询、打印，使运行人员对工艺分析如虎添翼，爱不释手。（图3、图4）

图3：6 万吨/ 年苯酐装置反应器单支热电偶温度曲线1

图4：6 万吨/ 年苯酐装置反应器单支热电偶温度曲线2

图5：鼓风机防喘振控制方案

　　鼓风机的防喘振控制
　　鼓风机系统也是该装置的一个重要设备，喘振是风机一种特有的运行工况，它对风机的危害是非常严重的，所以控制系统设置了防喘振保护系统，当风机接近喘振工况时，防喘振阀打开某一角度放空，使风机工况得以改变，迅速脱离喘振工况。具体实现方法如下：
　　a、作1个PID控制器FIC110；
　　b、将压缩机出口压力作折线处理，对应到一流量值FI110A，将这一数值加一裕量K1后得流量FI110B；
　　c、将压缩机转速作折线处理，对应到一流量值FI110C，将这一数值加一裕量K2后得流量FI110D；
　　d、对FI110B和FI110D作低选处理，低值作为FIC110的设定值SP；
　　e、当转速小于5400 RPM 时，操作人员才有权将控制器切至自动；
　　f、对FI110A和FI110C作低选处理，当转速大于5400 RPM时，如果实际流量小于FI110A和FI110C中的低选值，则控制器输出强制到安全值，安全值为100%。
　　结论
　　此次60kt/a苯酐项目作为目前国内单套生产能力最大的苯酐装置，在设计上做的相当谨慎和规范，对控制系统、联锁系统的要求相对较严格。中控的WebField ECS-100控制系统在该项目中充分发挥了其先进性，在程序量较大的条件制约下，采用控制周期为100ms的高速运算，大大减少了指令输出到被控对象的响应时间，控制器处理速度及存储容量的提高满足了更复杂的运算及程序执行的要求。
　　该项目在我公司和中控的密切配合下于2006年5月一次性开车成功，且实现了100％的自动投用率。系统投运后运行稳定，效果良好，其成熟的控制方案、完善的人机交互给运行人员带来了全新的操控体验，给企业也创造了较好的经济效益。

文章编号：070310
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