CAO技術(shù)在環(huán)氧乙烷裝置中的應(yīng)用

李學(xué)

（中石油東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院自控室，吉林吉林132002）

計算機輔助操作CAO（Computer Aided Operation）技術(shù)是美國SD（Scientific Design）公司應(yīng)用在環(huán)氧乙烷（EO）裝置上的專利技術(shù)。使用CAO技術(shù)可以完成對反應(yīng)器指標(biāo)參數(shù)的實時計算和顯示。其具備主要進料回路（氧氣回路和乙烯回路）的自動控制、重要工藝參數(shù)的變化趨勢分析等功能，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的優(yōu)化操作和先進控制［1］。

1 CAO技術(shù)的主要原理

氧氣和乙烯是生成EO的兩種主要原料。在反應(yīng)過程中，混合氣體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)越高，反應(yīng)效率就越高，即EO成品的產(chǎn)率越高。但是混合氣體中的氧氣體積分?jǐn)?shù)有一個爆炸極限，如超出了該極限值，就會給裝置的安全生產(chǎn)帶來危害［2］。因此，如何在保證安全生產(chǎn)的前提下盡量提高氧氣的體積分?jǐn)?shù)，從而提高裝置的生產(chǎn)效率，是EO裝置生產(chǎn)的一個關(guān)鍵問題［3］。

CAO技術(shù)正是以該關(guān)鍵問題為核心，用氧氣的爆炸極限值減去一個安全空間值，得到最理想的氧氣體積分?jǐn)?shù)，然后依靠質(zhì)譜儀采集到的氧氣體積分?jǐn)?shù)信號，通過氧分析儀進行修正，計算出目前氧氣的實際體積分?jǐn)?shù)值，最終確定氧氣進料回路的設(shè)定值，實現(xiàn)氧氣進料量的自動閉環(huán)控制［4］。這樣既保證了裝置的安全性，又提高了生產(chǎn)效率，降低了原料的消耗，提高了成品的產(chǎn)率。CAO技術(shù)控制流程如圖1所示。

2 CAO技術(shù)的組成

2.1 質(zhì)譜儀采樣及計算

控制混合氣體中的氧氣體積分?jǐn)?shù)，首先需要測量氧氣的實際體積分?jǐn)?shù)。在CAO技術(shù)方案中，單個反應(yīng)器的采樣點有3個，質(zhì)譜儀的采樣點分別位于反應(yīng)器入口、反應(yīng)器出口和循環(huán)氣壓縮機出口，每個采樣周期為90s。這一時間平均分配給每個流路，用于流路的切換、吹掃、數(shù)據(jù)的采集和計算［5］：247－255。質(zhì)譜儀共分析9種組分氣體的體積分?jǐn)?shù)，見表1所列。

圖1 CAO技術(shù)控制流程

表1 需分析組分氣體的體積分?jǐn)?shù) %

CAO技術(shù)程序?qū)γ總€流路中的每個組分信號的范圍進行檢查，以確認(rèn)它是否為一個可信任的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)做平均值和歸一化計算，并顯示到流程圖上供操作人員查看。

CAO技術(shù)程序?qū)|(zhì)譜儀的工作狀態(tài)實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)故障立刻停止采樣和計算工作，把相應(yīng)的故障位置的顯示數(shù)據(jù)置為高亮狀態(tài)，并將閉環(huán)控制回路切出來，同時報警并提示操作人員［6］。

如圖1所示，EO裝置通常設(shè)置1個反應(yīng)器。質(zhì)譜儀設(shè)有3個流路，每個流路的采樣時間為30s。正在工作的流路被點亮，在液晶屏ACTUAL處實時顯示質(zhì)譜儀的采樣數(shù)據(jù)，在流路處顯示經(jīng)過計算后的組分體積分?jǐn)?shù)。

在反應(yīng)器的入口和出口，還分別安裝了氧分析儀和紅外分析儀，用于測量氧氣和乙烯的體積分?jǐn)?shù)。如果氧分析儀和紅外分析儀測量的體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)譜儀測量的體積分?jǐn)?shù)之間的偏差大于某值時，程序?qū)⑻幱诠收衔恢?，并提示操作人員注意［7］。

經(jīng)計算，氧氣最大允許體積分?jǐn)?shù)為8.142%，氧氣平均體積分?jǐn)?shù)為7.874%。

2.2 反應(yīng)性能參數(shù)計算

為了讓操作人員及時了解當(dāng)前的工藝生產(chǎn)狀況，需要對能夠代表反應(yīng)性能的參數(shù)進行計算并顯示在流程圖上。這些參數(shù)包括干態(tài)選擇性、濕態(tài)選擇性、反應(yīng)器產(chǎn)量、原料消耗率。

選擇性又稱反應(yīng)專一性。一個化學(xué)反應(yīng)若同時生成多種產(chǎn)物，其中某一種產(chǎn)物是最希望獲得的，則該產(chǎn)物產(chǎn)率的大小代表了反應(yīng)選擇性的高低。反應(yīng)選擇性是評價反應(yīng)效率高低的重要標(biāo)志。干態(tài)選擇性與濕態(tài)選擇性的區(qū)別在于是否考慮了水蒸氣對選擇性的影響。

操作人員通過實時監(jiān)控反應(yīng)選擇性參數(shù)，可及時了解當(dāng)前的工藝生產(chǎn)狀況是否處于最佳狀態(tài)，并及時作出調(diào)整。

2.3 閉環(huán)控制

氧氣進料回路和乙烯進料回路是2個最重要的控制回路，也是影響反應(yīng)性能的關(guān)鍵回路。在CAO技術(shù)方案中，這2個回路可投閉環(huán)控制，即進料量的設(shè)定值通過CAO技術(shù)程序計算，不需要人為干預(yù)，擺脫了人工控制的隨意性并消除可能出現(xiàn)的失誤，提高了生產(chǎn)效率和安全性［8］。

閉環(huán)控制回路由操作人員根據(jù)工藝生產(chǎn)狀況來決定是否投用。投用時，程序會檢查與閉環(huán)控制相關(guān)的條件是否被滿足，即便有一個條件未被滿足，閉環(huán)控制也無法投用。閉環(huán)控制投用之后，程序仍然會隨時監(jiān)測條件，一旦有條件不滿足，閉環(huán)控制立刻自動切出，改為手動控制，并通過發(fā)送信息的方式通知操作人員［9－10］。

3 效 益

3.1 提高乙烯的效率

氧氣和乙烯是生產(chǎn)EO的兩種主要原料，使氧氣體積分?jǐn)?shù)盡可能接近允許的極限值，可以提高反應(yīng)的選擇性。如果采用手動操作，一般可以將氧氣體積分?jǐn)?shù)的偏差維持在±0.20%。為了不超出氧氣的最大允許體積分?jǐn)?shù)8.0%，則氧氣的平均體積分?jǐn)?shù)為7.80%。如果采用CAO技術(shù)，可以將氧氣體積分?jǐn)?shù)的偏差維持在±0.05%，則氧氣的平均體積分?jǐn)?shù)為7.95%，使得反應(yīng)器的選擇性提高了約0.20%～0.25%，那么每年乙烯的消耗量約減少200t。如果乙烯的成本以4 000元／t計，則每年可節(jié)省80萬元人民幣。

3.2 延長裝置在線時間

反應(yīng)器監(jiān)視程序可在聯(lián)鎖跳車之前就檢測到工藝過程的不良狀態(tài)。通常情況下，每年平均有6天為非正常停車時間。運行反應(yīng)器監(jiān)視程序至少可以減少1天的停車時間，使裝置增加1天的產(chǎn)量（480t）。如果效益以3 000元／t計，則每年可增加效益144萬元人民幣。反應(yīng)器監(jiān)視程序定時（2min／次）向操作人員提供關(guān)鍵反應(yīng)參數(shù)，使操作人員在發(fā)生問題之前就可以采取措施。如果實施閉環(huán)控制，這些措施還可以由DCS自動完成，無需操作人員的干預(yù)。

3.3 增強裝置安全性

EO裝置設(shè)有1套獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS），用于保證EO裝置的安全運行。但是裝置的非正常停車和開車增加了不安全性，并且開停車的過程會浪費大量原料，也會影響裝置的效益。反應(yīng)器監(jiān)視程序可以檢查關(guān)鍵工藝參數(shù)，對其變化作出快速響應(yīng)，使裝置在進入危險狀態(tài)之前就能采取措施，進而增強了裝置的安全性［5］376－390。

4 結(jié)束語

CAO技術(shù)是EO裝置開車、安全運行和優(yōu)化操作的必要保證，它在EO裝置中的成功應(yīng)用為企業(yè)帶來了直接經(jīng)濟效益。因此，CAO技術(shù)在實際工程項目中的廣泛應(yīng)用具有深遠的意義。

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