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采用DCS技术进行过程控制在石油化学工业中的应用

jhlu3  发表于 2009/9/13 11:28:43      1820 查看 2 回复  [上一主题]  [下一主题]

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过去的十年中,计算机技术在我国石油化学工业中得到了广泛应用,特别是在采用DCS技术进行过程控制方面取得了长足进展。据统计,在我国石化企业中已有200多套DCS投入使用。这些系统在提高企业生产自动化水平、保证安全稳定生产、提高控制精度及节能降耗等方面发挥了重要作用。    

  本期专题的五篇文章向读者详细介绍了DCS在我国石油化工中的应用情况、存在的问题及具体的控制软件。   
1.DCS在我国石油化学工业中的应用概况   
2.对我国石油化学工业应用DCS的一些看法   
3.DCS在我国中型氮肥厂的应用   
4.原油蒸馏控制软件简介   
5.浅谈DCS应用中的几个问题   

本期技术纵横:工控机概况及发展前景   

一、概述   

  我国采用计算机控制石油化工生产过程的开发研究工作从60年代中期就已开始,首先在化肥、炼油等行业开展计算机过程控制研究,集中科研、生产和院校的专业人才,确定依托工程,对化工对象特性、参数关联、仪表和控制装置、数据采集与处理;DDC控制的研究均取得了阶段性成果,培养了一批自控仪表和计算机专业人才,并有几个试验现场工业控制机投入运行,实现巡回检测、制表打印、DDC控制。由于实施计算机集中控制,因此将过程控制危险也集中了,加之当时的工业控制机无法现场长周期运行,直至70年代初我国化工过程计算机控制和世界其它国家一样仍停滞不前。   

  1975年美国霍尼韦尔公司研制的TDC——2000系统开始用于生产过程控制。这种集散系统在工业生产上的集中管理与分散控制,对提高回路品质、安全稳定生产及加强生产管理都显示出了优越性。从1978年起,我国石油化工几家企业开始与国外DCS生产制造厂商签约引进DCS。1981年吉化公司化肥厂在合成氨车间率先采用CENTUM-A系统监控生产过程,1983年完成了9个氨合成塔机组的控制。1983年燕山石化公司前进化工厂引进CENTUM-A系统改造12台乙烯裂解炉的生产控制。与此同时,高桥石化公司炼油厂引进SPECTUM系统也在常减压装置中投入运行。   

  80年代我国石油化学工业用DCS实施过程控制,经历了从DCS应用试验阶段(1985年以前)到推广应用阶段(1985年以后),这是DCS应用迅速发展的十年。各级企业决策者对企业技术进步,走科技兴厂之路的认识逐步深化,纷纷购买单回路调节器和DCS,取代落后的模拟控制仪表。   

  据我们掌握资料和信息统计,目前我国化肥、炼油、乙烯、化纤、氯碱行业已经有200套DCS投入使用。与此同时,各科研单位、大专院校与安装使用DCS的企业联合,用现代控制理论开发化工对象特性,建立数学模型,研究开发了一些高级控制软件、操作优化软件和专家系统,并以DCS为工具,在工业装置中试验并投入使用。DCS应用的迅速发展,使我国石油化工自动化技术有了长足进步,大大提高了生产自动化水平,对安全稳定生产,提高控制精度,节能降耗发挥了重要作用。下面对我国DCS在石油化工中的应用情况、问题、发展作简要概述。   

二、DCS在我国石油化学工业中应用情况   

1.DCS在我国大型氨厂的应用情况   

  我国从70年代中期至今已经建成投产的大型氨厂(含30万砘氨/年和20万吨氨/年)共计22个,其中有两套国产化装置和20套引进装置,“八五”在建的装置10套。从1984年云南天然气化工厂使用TDC-3000BASIC系统对合成氨生产自控改造开始,大型氨厂DCS应用历经10年,现在有19个厂在合成、尿素、水处理、普里森等装置中使用了35套DCS,仅剩下宁夏化肥厂、湖北化肥厂、山西化肥厂仍沿用模拟仪表控制。   

  在应用软件开发应用上也成绩显著,表现如下几点:   
(1)普及推广了四套节能控制系统   

  四套节能控制系统指气头厂合成氨生产过程的水碳比值控制系统(控制原料气CH[,4]量和蒸汽量)、氢氮比控制系统(控制空气量)、一段转化炉出口温度控制系统(控制燃料量)、驰放气组分压力控制系统(控制驰放气量)。四套控制系统是80年代初,川化、卢天化、云天化等企业研究开发,在此基础上,各厂采用DCS以后,又把它们不断完善创新,现已普及,对稳定生产,节能降耗带来了明显的经济效益。如川化年增产合成氨5435.1吨,年节约天然气604.8万立方米。卢天化在相同原料气消耗条件下可增产氨1.15%。沧化每吨氨能耗下降0.293百万大卡,增产2.9%。   
  以石脑油或渣油为原料的各家氨厂开发的以炉温(或出炉气体成份)为主环,以氧油比、蒸汽油比比值调节为副环节能控制回路,别具风格,应用后效益显著。   

(2)在尿素装置上采用多变量先进控制(MUVAC)   

  MUVAC的基础出发点是找出尿素生产过程中关键参数之间的相互联系,依靠DCS控制装置,用串级、前馈、比值、均匀、超驰、增益自适应PID等控制策略,使得关键参数变化时,其它参数随之自动调整,尽量减少人为干扰,从而达到安全稳定,节能增产的目的。该项技术首先在大庆化肥厂实现,取得满意效果,目前沧化、辽化等也在实施中。   

(3)操作优化   

   四川化工总厂承担了“七五”国家科技攻关课题“合成氨装置生产过程计算机控”,用SPECTRUM系统和IBM-PC/XT上位机,对合成氨触媒温度、水碳比、氢氮比等回路,经过象测试、工艺参数数据处理,建立单元对象数学模型,实施局部优化控制。该项目通过了国家技术鉴定。这种以两级计算机闭环优化实施控制系统的研究成功,使我国大型氨厂计算机控制水平处于世界领先地位。   

2.DCS在我国中型氨厂的应用情况   

  我国共有中型氨厂55个,其中以油、气为原料的21个,以煤为原料的34个。这些氨厂多数在60年代和70年代建厂,通过改造扩建,生产规模不断扩大,是我国氮肥行业的中坚。自从1981年吉化化肥厂使用CENTUM-A系统实施自控改造以后,使用计算机技术改造传统产业的热潮兴起,中型氨厂DCS应用发展迅速。根据1992年调查统计,已有27家中型氨厂购买安装了37套不同型号的DCS,有近50%中型氨厂使用DCS,可见80年代是我国中型氨厂自控发展史上的飞跃时期。   

  中型氨厂DCS应用按照装置小容量多机组的工艺特点,基本是在一个车间安装一套DCS,操作站设置在车间控制室,分别在造气、变换、合成、尿素等车间使用,个别厂为了加强管理,在调度室安装了操作站CRT显示屏。其控制规模为:模拟量输入100~150点,开关量30~50点,控制回路30~40个。全流程过程控制共计研究开发了20个节能控制系统,并用DCS控制。20个控制系统是:煤造气自动顺序控制、重油气化炉带温度(或出口气成份)校正的双交叉限幅氧油比控制、煤造气炉蒸汽流量控制、油气化炉自动开停车顺序控制、饱和热水塔出口温度极值控制、氢氮比控制、氨合成塔触媒层温度控制、惰性气体-压力超驰控制、氨蒸发器出口温度-液面超驰控制、三大高压液位控制、氨合成塔群负荷分配控制、尿素合成塔NH[,3]/CO[,2]控制、H[,2]O/CO控制、脱碳塔O[,2]/CO[,2]控制、空分装置顺序控制。
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    jhlu3   发表于 2009/9/13 11:28:16

    兰化公司化肥厂用ICC-6000系统和上位机,对合成塔触媒层温度、循环气吹除、H[,2]/N[,2]及负荷分配等控制回路进行二级计算机局部优化控制进行试  
    验,取得成功,并通过技术鉴定。   

      中型氨厂普遍认为:DCS投运后,减轻了工人劳动强度,改善了操作环境,稳定了工艺生产,提高了操作精度,达到了装置安全稳定运行,节能降耗的目的。据调查各中型氨厂DCS应用,每套年经济效益在60~200万元不等。   

    3.炼油厂DCS应用情况   

      自从1983年高桥石化公司炼油厂引进SPECTRUM系统用于常减压装置过程控制以来,我国炼油行业相继有20多家企业用DCS进行自控改造。高桥石化公司炼油厂与浙江大学合作,以DCS、单回路调节器和FOX-300、IBM-S/I为上位机,在不同的装置上建立数学模型,开发专家系统,实施局域优化控制,取得了314万元的经济效益。   

      广州石化总厂炼油厂与北京石油化工科学院合作,在PROOVOX系统的上位机HP1000A700上用FORTRAN语言开发了LQG自校正控制软件,于1988年投入使用。它可以作为DCS的一个通用控制模块,对DCS管理之下的多个控制回路实施LQG自校正控制。LQG自校正算法通常适用于被控对象结构已知,但参数未知的情况。自校正系统将在线辨识和控制器的设计有机地结合起来,在运行过程中,首先进行参数辨识,然后根据辨识结果修改控制器参数,达到消除干扰之目的。LQG自校正控制软件,用于常压塔塔顶温度控制,年经济效益达50万元。   

      大连石油化工公司,在蒸馏装置上使用OPTROL7000上位机和SPECTRUM系统,引进美国通用自动化公司(AAI)的先进控制软件。主要是一些先进的控制应用程序,如:原油预热控制程序FO、加热炉支路平衡及燃烧控制程序F1F2F3、初馏塔控制程序TOWERA、减压塔控制程序TOWERC,。分馏点计算是AAI公司的专有技术,与厂方合作开发了初馏塔、常压塔、减压塔分馏点控制程序。分馏点计算是根据已知原油实沸点(TBP)曲线和塔的各倾线产品的实沸点曲线,实时采集塔的各部温度、压力、进塔出塔物流的流量等参数、将塔分段,进行各段上的物料平衡、热平衡计算,得到塔内的液相流量和汽相流量,从而算出抽出产品的分馏点。分馏点计算在系统程序中每10秒钟运行一次,比在线分析仪表快,使调节质量得到改善,在计算出分馏点的基础上,以计算机间通讯方式,修改DCS系统中相关倾线流量控制模块的给定值,从而实现先进控制(SPC)。   

      加热炉出口温度控制是由基本控制器(UCM)进行。用上位机对炉膛温度进行实时计算,求出一个较为理想的真实炉膛温度,输出给UCM,从而实现了炉出口温度与炉膛温度串级调节。由于炉膛温度的反应比炉出口温度快,所以在实际应用上大大改善了出口温度控制效果。   

      大型加热炉燃烧控制是节能显著的控制系统,各DCS应用企业都开发了应用软件。有的根据烟道氯氧含量进行燃烧热效率计算和显示,再根据氧含量和算出的热效率去控制入炉空气量,保持低残氧燃烧,以达到节能的目的。   

      兰州炼油化工总厂2#常减压装置采用了I/A.S系统,不仅进行常规控制,还实现了生产过程操作优化,并且将DCS与生产管理计算机VAX8350通迅联网,2#装置DCS过程控制计算机系统已成为全厂信息管理系统(MIS)的一部分。   

      我国应用DCS的炼油厂,除在常减压装置实施DCS高级软件控制外,在催化裂化、催化重整、加氢精制、油品调合等方面均开发了节能显著的复杂控制系统,在此不予赘述。
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    引用 jhlu3 2009/9/13 11:28:16 发表于2楼的内容

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    jhlu3   发表于 2009/9/13 11:28:43

    4.DCS在乙烯装置上的应用情况    

      典型的石化工工艺是以石油为原料,通过初初馏、裂解、分离、聚合等工艺过程生产各类石油化工产品,如聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、合成橡校、乙二醇、丙烯腈、聚脂等。我国建成投产的20多个乙烯厂均为典型的石油化工工艺。自从1983年燕山石化公司前进化工厂乙烯裂解装置采用CENTUM-A系统进行自控改造至今,已有14家企业76套DCS用于生产过程控制,可见DCS在石化企业中推广应用之快、应用数量之多为各行业之首。从石化企业十年DCS应用情况来看,一般分为二步实施。第一步使用DCS改善常规调节控制品质,满足生产的安全、稳定、长周期运行,为高层次应用开发打下基础。第二步通过现代控制理论的应用,机理模型的研究,开发优化操作应用软件、专家系统等,采用先进控制策略,实施计算机二级优化控制。目前石化企业DCS应用多数仍处于前者。   

      燕山石化公司1983年引进CENTUM-A系统对12个乙烯裂解炉进行自控改造,DCS实现了炉管出口温度控制、乙烷裂解炉油压超驰控制和在线清焦自动控制。1987年以CENTUM-B系统为下位机,DEADE计算机为上位机,用于控制节能技术改造后的BA-109、BA-110两台裂解炉和乙炔加氢反应器,实施二级计算机优化操作。裂解炉控制,选择4个炉出口温度之一,通过调节侧壁和底部燃料量控制温度,侧壁和底部燃料量与强制通风量实行比率控制,进料量和稀释蒸汽量也实行比率控制。在此基础上,计算机优化控制方案对流量调节器实施SPC监督控制。控制目标为:   
       
      维持裂解炉系统安全运行。   
      维持所希望的最佳转化率,使各组炉管之间温差最小。   
      维持合理的进料油气比。   
      维持所要求的总投油量。   
      通过氧量控制,维持理想的空燃比,使热损失最小。   

      1991年该公司新建成0号裂解炉,使用CENTUM-B系统监控生产过程。应用软件由该公司和北京市仪表局成套公司合作开发,综合了DECADE计算机裂解炉控制方案(美国SIMCON公司)、辽阳乙烯裂解炉CENTUM高级控制方案(法国石油公司)、盘锦乙烯裂解炉CENTUM高级控制方案(日本东洋工程公司)以及国外大型锅炉ABC (AUTOMATIC BOILER CONTROR)控制方案的技术特点,设计了0号裂解炉高级控制方案。建立裂解炉解耦控制模型,设计了总进料量和裂解炉出口温度(COT)偏差控制(含进料量和稀释蒸汽的交叉控制、最小稀释蒸汽量控制、总进料量控制)、深度和COT控制、双交叉限幅燃烧控制、烟道气残氧含量控制、巴期夫在线清焦程序控制。这些高级控制回路达到的目标为COT偏差在1℃以内,稳定总进料量、烟道气氧含量2~3%,保持炉热效率93%左右,稳定裂解炉炉转化度提高三烯收率,大大提高了乙烯装置的综合效益。   

      扬子石化公司、齐鲁石化公司、上海石化总厂三套30万吨/年乙烯装置、DCS和应用软件均引进国外设备和技术。大庆石化总厂新扩建的H号裂解炉的控制装备采用CENTUM-B系统,引进了13套高级控制应用软件,这些应用软件均以提高三烯收率为目的。   

    5.聚氯乙烯(PVC)装置中DCS的应用情况   

      我国PVC生产有国产装置,也有引进装置,全国有60多个生产厂。有乙炔与氯化氢反应生产法和乙烯氧氯化法两种流程。根据所掌握资料统计,有14个PVC装置上使用DCS。PVC聚合属间歇生产过程,主要是原料配比、加料、升温、聚合、出料逻辑顺序控制、聚合釜温度压力控制和后处理分离、精制控制。   

      在PVC生产过程中,顺序控制占有很在比重,有近百个切断阀,几十个泵、马达、开关按照不同的生产要求和时间顺序启动关闭。DCS控制单元同时具有反馈模拟控制的顺序控制。PVC生产可以根据市场需求,调整配方生产多品种多型号的产品。因配方改变控制方案随之改变。装置的生产灵活性也是间歇过程特有的要求。DCS丰富的计算功能、逻辑功能和通讯能力,为PVC多品种生产提供了便利。   

      PVC聚合温度按照严格的温度曲线实行控制,DCS逻辑功能和反馈控制的巧妙结合,将聚合温度偏差控制在0.02~0.06℃范围内,同时方便了操作,保证了产品质量。随着DCS在PVC生产中的应用不断扩大,一些优化控制软件也应运而生。
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    引用 jhlu3 2009/9/13 11:28:43 发表于3楼的内容

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