鄭潔美 廣東寰球廣業(yè)工程有限公司 廣州 510655

DCS在丙烯酰胺裝置的應(yīng)用

鄭潔美*廣東寰球廣業(yè)工程有限公司 廣州 510655

介紹DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特性，網(wǎng)絡(luò)的配置，部分控制方案及重要聯(lián)鎖的實(shí)現(xiàn)。

丙烯酰胺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分程控制聯(lián)鎖組態(tài)

丙烯酰胺裝置是聚丙烯酰胺裝置擴(kuò)能工程的主體裝置之一，生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜，涉及的參數(shù)和控制回路較多，聯(lián)鎖控制多，采用DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)測(cè)、記錄、報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)。本文以丙烯酰胺裝置為例，介紹CENTUM－CS3000－R3 DCS控制系統(tǒng)，比較有代表性的控制回路以及安全聯(lián)鎖在DCS中的實(shí)現(xiàn)。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

丙烯酰胺采用懸浮床連續(xù)催化法工藝，以丙烯腈和水為原料，在銅催化劑作用下，在三個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器中水合生產(chǎn)丙烯酰胺。裝置分為催化劑制備、催化劑回收、水合反應(yīng)、濃縮、精制、產(chǎn)品6個(gè)工序和廢水廢氣處理系統(tǒng)及氨壓縮系統(tǒng)。

2 裝置對(duì)DCS的要求

根據(jù)某廠50 kt/a丙烯酰胺裝置工藝流程及管理操作要求，控制系統(tǒng)采用分散型控制系統(tǒng)(DCS)，設(shè)中心控制室集中管理和監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表為電子智能型儀表，與機(jī)泵電氣控制柜硬線連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。根據(jù)丙烯酰胺裝置生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，以確保安全生產(chǎn)。確定該裝置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)為二級(jí)。裝置的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用DCS控制系統(tǒng)。

3 DCS系統(tǒng)

裝置采用橫河CENTUM－CS3000－R3 DCS的控制系統(tǒng)是近幾年發(fā)展和改進(jìn)的過(guò)程控制和工廠管理系統(tǒng)，便于擴(kuò)展，能滿足石油化工裝置大規(guī)模生產(chǎn)的過(guò)程控制、檢測(cè)、優(yōu)化與管理的需要。

3.1 結(jié)構(gòu)及特性

控制系統(tǒng)分監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)層兩部分:監(jiān)控層包括工程師站1臺(tái)、操作站3臺(tái);現(xiàn)場(chǎng)層為現(xiàn)場(chǎng)控制站1臺(tái)。

(1)工程師站用于系統(tǒng)工程組態(tài)和管理，配備Ethernet(TCP/IP協(xié)議)接口及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)軟件。能提供高級(jí)語(yǔ)言(VB或VC語(yǔ)言)開(kāi)發(fā)環(huán)境和多任務(wù)執(zhí)行環(huán)境，高級(jí)語(yǔ)言可以對(duì)各個(gè)控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

(2)操作站之間具有相互備用功能。

(3)控制站由現(xiàn)場(chǎng)控制單元(FCU)、節(jié)點(diǎn)(NODE)及各級(jí)總線構(gòu)成?？刂普局械奶幚砥鳌㈦娫春屯ㄓ嵖偩€的I/O模塊都為冗余配置，可以保障可靠性。互為冗余的卡件運(yùn)行狀態(tài)同步。

3.2 網(wǎng)絡(luò)概況

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和開(kāi)放性，橫河CS3000系統(tǒng)均采用雙重冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和ESB通訊總線。

用于控制站內(nèi)，中央主控制器FCU同本地I/O節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重化實(shí)時(shí)通訊總線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成:總線型，通訊速率:128 Mb/s，每臺(tái)控制站可連接14個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)，最大通訊距離10 m。

用于控制站內(nèi)本地I/O節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重化實(shí)時(shí)通訊總線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成:總線型，通訊速率:10 Mb/s，每臺(tái)控制站可從本地節(jié)點(diǎn)連接8個(gè)遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)，最大通訊距離20 km。

橫河集散控制系統(tǒng)采用冗余的V net/IP網(wǎng)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)。它是連接操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站等設(shè)備的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。采用符合IEEE802.4和UDP/ IP標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)用控制網(wǎng)絡(luò)V net/IP，控制網(wǎng)的傳輸速度高達(dá)1 Gb/s，滿足了對(duì)實(shí)時(shí)性和大規(guī)模數(shù)據(jù)通訊的要求。

在保證可靠性的同時(shí)，又可以與開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接相連，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。V net/IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是星型結(jié)構(gòu)，為可靠性極高的控制網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有任何一段網(wǎng)的單一故障能影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有任何網(wǎng)絡(luò)元件上的單一故障能影響到工作站。

4 主要控制方案及實(shí)現(xiàn)

4.1 反應(yīng)器的壓力及溫度控制

(1)反應(yīng)系統(tǒng)中的水合反應(yīng)順序經(jīng)過(guò)三個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器，在反應(yīng)器間的壓差作用下，通過(guò)燭式過(guò)濾器使反應(yīng)液進(jìn)濃縮系統(tǒng)。壓力不影響反應(yīng)，壓力設(shè)在0.15～0.20 MPa，已足夠用來(lái)防止未反應(yīng)的丙烯腈在約100℃發(fā)生閃蒸。通過(guò)分程調(diào)節(jié)(PC－316A/B)壓力，加上T－311噴淋管、S－311和反應(yīng)器過(guò)濾器的壓力損失，決定反應(yīng)器的壓力。

由于長(zhǎng)時(shí)間操作造成細(xì)小的催化劑顆粒會(huì)堵塞過(guò)濾器，導(dǎo)致反應(yīng)器壓力升高，過(guò)濾器允許的壓力損失為0.05～0.1 MPa。當(dāng)壓力損失超過(guò)允許值，應(yīng)對(duì)過(guò)濾器濾芯進(jìn)行反洗。按與正常操作相反方向，從燭式過(guò)濾器濾芯內(nèi)部向外部通脫鹽水，過(guò)濾器堵塞就可消除。逐漸降低PC－316壓力到0.05 MPa，開(kāi)閥排除管線中的氮?dú)鉀_洗管線。反洗結(jié)束后，調(diào)節(jié)PC－316壓力到0.20 MPa。PC－316升壓結(jié)束后，逐漸提高產(chǎn)量。壓力的分程控制回路見(jiàn)圖1。

圖1 反應(yīng)器壓力分程控制回路

(2)反應(yīng)溫度是影響反應(yīng)的控制指標(biāo)。反應(yīng)溫度控制在89～98℃?？赏ㄟ^(guò)控制反應(yīng)器夾套的熱水流量來(lái)控制反應(yīng)溫度。反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度高，轉(zhuǎn)化率高，導(dǎo)致丙烯酰胺的副產(chǎn)物和聚合物增多。反應(yīng)溫度低，轉(zhuǎn)化率低，在低反應(yīng)溫度下，有些副產(chǎn)物也會(huì)增多。

4.2 丙烯腈－水罐的壓力控制

濃縮系統(tǒng)冷凝的丙烯腈和水通過(guò)泵送到AN－水罐。

丙烯腈－水在送去儲(chǔ)罐前，已經(jīng)過(guò)除氧，確保銅催化劑不被氧化，進(jìn)而防止丙烯酰胺被氧聚合。為防止T－323中回收的丙烯腈水與空氣接觸，通過(guò)兩根管線往T－323罐里注入氮?dú)狻?/p>

為了穩(wěn)定罐T－323的壓力，需在引入氮?dú)夤芫€上分支出一根管線用于放空，這兩根管線分別用PC－324A、PC－324B來(lái)分程控制，使壓力維持在0.00147 MPa。另外，為防止T－323超壓，在儲(chǔ)罐上安裝有呼吸閥。

操作需在25%液位進(jìn)行，所用的差壓液位變送器的低壓側(cè)導(dǎo)壓管處也需通入氮?dú)猓_保罐內(nèi)氣體不含氧，其控制回路見(jiàn)圖2。

圖2 丙烯腈—水罐壓力控制回路

5 邏輯聯(lián)鎖組態(tài)

為確保安全生產(chǎn)，各工段設(shè)置聯(lián)鎖控制。濃縮工段停泵聯(lián)鎖控制示意見(jiàn)圖3。

從反應(yīng)器出來(lái)的高溫丙烯酰胺溶液由泵P－321輸送循環(huán)線，進(jìn)加熱器E－321時(shí)，會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高發(fā)生聚合反應(yīng)，影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此需聯(lián)鎖停止泵，并關(guān)閉反應(yīng)物進(jìn)料閥FV－321以及E－321加熱器的熱水進(jìn)水閥FV－322。為了阻止循環(huán)線上的物料因?yàn)榇蜷_(kāi)泵在E－321聚合，需設(shè)置泵的聯(lián)鎖初始值定為0，正常泵是打開(kāi)的，即正常值為1。DCS接收馬達(dá)控制中心對(duì)泵P－321運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)，通過(guò)邏輯組態(tài)的脈沖輸出，可以讓輸入端信號(hào)發(fā)生從“0”到“1”的狀態(tài)變化時(shí)，輸出立即為“1”保持t時(shí)間后變?yōu)椤?”，以后一直為“0”，直到輸入端再次發(fā)生從“0”到“1”的狀態(tài)變化。通過(guò)脈沖輸出，將輔操臺(tái)(AXC)泵停信號(hào)的指示燈亮。在需要開(kāi)泵時(shí)，可通過(guò)輔操臺(tái)的聯(lián)鎖復(fù)位按鈕的脈沖輸出，使用優(yōu)先觸發(fā)器元件，保證泵需要停止時(shí)，即使復(fù)位但這復(fù)位作用不了，待泵需開(kāi)時(shí)，才使聯(lián)鎖復(fù)位成立。因?yàn)殚yFV－321和FV－322的故障狀態(tài)為閥關(guān)，正常為閥開(kāi)，即初始值為1，則關(guān)閉時(shí)其值應(yīng)為“0”。當(dāng)泵停燈亮為1時(shí)，在邏輯元件觸發(fā)器為“1”值時(shí)，應(yīng)觸發(fā)后的值通過(guò)“非”后，值變?yōu)椤?”，才能使閥FV－321和FV－322關(guān)閉。為保證泵能在特定情況下停，輔操臺(tái)設(shè)旁路聯(lián)鎖旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)。這樣，通過(guò)輔操臺(tái)的旁路開(kāi)關(guān)或者DCS的停止指示命令都可以實(shí)現(xiàn)泵停、關(guān)閥的邏輯輸出。

圖3 聯(lián)鎖控制示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

(1)DCS控制系統(tǒng)強(qiáng)大的功能模塊和其優(yōu)越性能保證了裝置按照設(shè)計(jì)方案在預(yù)定時(shí)間內(nèi)順利開(kāi)車。

(2)該控制系統(tǒng)在投運(yùn)后，能穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有因DCS系統(tǒng)本身的問(wèn)題影響生產(chǎn)，而且由于該系統(tǒng)的開(kāi)放性、靈活性、易操作性等性能，能夠根據(jù)生產(chǎn)需要自主地進(jìn)行一些過(guò)程點(diǎn)的組態(tài)操作，如一些控制方案的增改、聯(lián)鎖關(guān)系的變動(dòng)都能夠在不影響正常生產(chǎn)的前提下在線修改。

(3)相對(duì)裝置中隨機(jī)設(shè)備的控制系統(tǒng)除去穩(wěn)定性外，對(duì)最終用戶來(lái)說(shuō)更加透明、更有自主權(quán)和修改權(quán)，能夠更好地為生產(chǎn)服務(wù)。

1 蔣慰孫，俞金壽．過(guò)程控制工程［M］．北京:中國(guó)石化出版社，1999．

2 陸德民，張振基，黃步余．石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000．

3 SH/T 3092－1999，石油化工企業(yè)分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

4 編輯委員會(huì)編．工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2008．

Introduce the structure，characteristics，network configuration，partial control schemes and important interlocks for DCS control system．

Application of DCS in Acrylamide Plant

Zheng Jiemei
(Guangdong Huanqiu-Guangye Contracting＆Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510655)

acrylamidesystem structuredividing control interlocking configuration

*鄭潔美:助理工程師。2009年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。從事化工儀表及控制設(shè)計(jì)。聯(lián)系電話:13580479404，E－mail:g1250zjm@cnpc.com.cn。

2011－08－05)