过程控制

大庆石化120万吨/年乙烯改扩建工程丁辛醇控制系统合成气顺控程序的开发与应用

1 项目科技发展简介

    近年来随着我国石油化工工业的崛起,对丁辛醇产品的市场需求也随之不断扩大,丁辛醇产业也得到了快速发展。但是,丁辛醇装置合成气工段顺序控制系统的核心技术一直被外国供应商所垄断。为了打破这种局面,在消化吸收国外技术的基础上,研发出具有自主知识产权的控制系统技术,一直是我们的强烈愿望。虽然整个石化行业在这一技术领域是一个短板,但我们不甘于落后,时刻跟踪国外的发展趋势的最前端,并结合国内相关行业状况进行研究开发和推广应用,因此本项目开发出的程序创新性强、应用范围广阔,对国内相关类似装置的顺序过程控制具有良好的指导和借鉴作用。化工二厂丁辛醇装置控制系统技术的成功研发对于国内自主设计丁辛醇装置控制系统的推广具有深远的意义,必将给企业带来巨大的经济效益和社会效益。

2 项目来源及实施过程

2.1 项目来源

    大庆石化公司化工二厂丁辛醇装置合成气工段工艺流程采用美国GE能源公司裂解焦油气化工艺专利技术,以裂解焦油为生产原料,氧气为助燃剂,工艺水为缓和剂,采用一热二冷三点进料的融合法进行气化反应。整套装置具有工艺过程复杂、联锁多、顺序控制过程严格紧密、工艺条件极为苛刻、工艺干预操作较多等特点。在原料油和氧气进入气化炉之前,炉膛温度已经被预热升温到1200℃以上,在原料油和氧气高温氧化反应过程中,炉膛压力控制在3.48MPa,从投料开始到原料油气化完成不到两分钟的时间,所以该装置对工艺参数和自动化过程掌控要求极为严格。1992年,丁辛醇装置控制系统改造为霍尼威尔公司的TPS系统,经过二十年的连续运行,在最近几年时间里,丁辛醇装置合成气控制系统各个控制站都有不同程度的故障出现,CPU及I/O卡件故障频繁,造成丁辛醇装置非计划停车3次、停车时间累计82小时,直接经济损失308万元。而且西门子公司已经不再生产TPS系统整机及备件,目前库存备件种类已经出现缺口。装置随时都有可能因控制系统突发严重故障而崩溃,控制系统问题成为装置安全运行的重大隐患,而且原有合成气控制系统的生产负荷过低早已达不到日益增长的市场需求,诸多不利因素直接影响合成气工段的长周期、满负荷、安全生产。

    考虑到装置的重要性和安全性,经过大庆石化公司申请,中国石油股份公司批复,决定对在大乙烯改扩建项目中部署合成气工段顺序控制系统的硬件系统和控制软件进行改造和更新的内容,此项目2011年得到批复。

2.2实施过程

2.2.1 成立项目组

    2008年底,原有合成气顺序控制系统存在的问题和用户提出的最新需求,成立了由公司主管领导主抓,信息技术中心和机动设备处领导、管理人员及专业技术人员组成的项目组,制定了项目的研究目标和实施方案,由化工二厂提供详尽的用户。为了保证在整个项目进程中的控制,项目组设定了详细的项目执行方案,对项目各个阶段的工作进行审核评估,及时提出当前工作中的问题以及整改意见。

2.2.2 研究目标

    根据装置的工艺要求,确定了8个研究目标:

(1) 采用一套相对独立的安全仪表系统(SIS)对丁辛醇装置合成气开停车进行顺序过程控制,完成装置开停车和正常运行阶段对现场电磁阀的控制。扫描周期为10ms。

(2) 丁辛醇装置合成气工段全部控制功能在单独的控制器内完成,两个与气化炉气化过程有关的工段连续送料和倒料时,全部实现自动化。扫描周期90ms。

(3) 拥有气化炉生产合成气有关的、重要的、需要快速响应的紧急停车联锁,独立于DCS,并能与DCS进行数据通讯;完成原料油准备、原料油气化、碳黑水处理功能。扫描周期为50ms。

(4) 独树一帜的丁辛醇装置合成气工段跳车联锁首发报警功能。完成气化炉系统联锁跳车、无干预性步序跳转等控制功能。扫描周期小于50ms。

(5) 采用安全仪表系统(SIS)实现整个生产过程模拟信号的常规控制、数据优化、监视报警和报表打印及生产管理。

(6) 在单独的控制器内实现装置的事件顺序记录(SOE)功能,SOE的扫描周期1ms。

(7) 采用一套独立的SIS工程师站/操作站完成气化炉重要相关温度、压力、流量、液位信号数据的采集,并且以动态表格和动态曲线的形式进行实时显示,扫描周期小于10ms。

(8)本系统顺序控制程序的最大特点也是有别于其它过程控制组态程序的创新就是该顺序控制程序能迎合同一工段不同工段的自动调整功能,工艺操作维护人员在切换另一物料工况时,只需要输入一些简单的参数,进行极少量的工艺干预,系统程序就会自动切换到目标工况的顺序控制功能上,所有顺序控制和逻辑参数随之变化,体现了本系统顺序控制的多样性和完整性。

2.2.3 技术方案

    中国石油大庆石化分公司化工二厂丁辛醇装置合成气工段美国GE能源公司裂解焦油气化工艺专利技术,以裂解焦油为原料、氧气作助燃剂、工艺水为缓和剂,采用一热二冷三点进料的融合法进行气化反应。整套装置具有工艺过程复杂、联锁多、顺序控制过程严格紧密、工艺条件极为苛刻、工艺干预操作较多等特点。在原料油和氧气进入气化炉之前,炉膛温度已经被预热升温到1200℃以上,在原料油和氧气高温氧化反应过程中,炉膛压力控制在3.48MPa,从投料开始到原料油气化完成不到两分钟的时间,所以该装置对工艺参数和自动化过程掌控要求极为严格;装置共有联锁52套:气化炉跳车联锁(T1-T30)、气化炉安全联锁(G1-G16、G23-G28),同时共有顺序步骤36个(B0-B6、C1-C7、D1-D6、A1-A14),要求实现事件顺序记录(SOE)功能,分辨率<1ms,此外整个控制过程还要求有报警联锁条件首发报警功能;合成气工段一共分为6个部分,共有12个储料罐,要求装置连续送料和倒料时,各种原料泵的启停和切换、电磁阀的开关、关键步骤中遥控阀的限位全部实现自动化。因此,基于此工艺条件及安全问题开发的过程控制系统程序,必须具有科学性、准确性、严密性和安全性。

    不断优化相关工艺流程的过程控制机制,全面提升控制系统应对不断增强的市场需求所具有的综合能力,是当前石化公司面对丁辛醇装置合成气处在新时期、新环境、新竞争体系所做出的首要选择,一个全新的控制系统,一个更具有市场竞争力全新控制理念应运而生,它就是能满足新产业形势、新市场竞争要求的以美国TRICON系统为控制平台针对丁辛醇装置合成气流程的顺序控制体系,其强大的系统数据处理能力、稳定完善的过程报警事件记录机制和首发事故追忆理念、快速与安全的联锁控制组态与应用环境为实现现阶段更稳定、更全面、更精准的控制要求提供了必不可少的保障。

        丁辛醇装置SIS控制系统结构图

2.2.4 项目实施

(1)  GE公司工艺专利技术的解读与破译

    以裂解焦油为原料生产合成气的顺序过程控制一直为国外专利商垄断,在这一关键领域国内相关石化行业一直是一个空白,没有成功的范例可以借鉴,在这种条件下我们凭着多年的过程控制项目实施经验和顺序控制方面的独特理解逐步解读GE专利商提供给我们的工艺指导书,不断的与工艺技术人员交流,展开一次又一次技术研究。GE专利商提供给我们的工艺指导书没有具体的顺序控制和逻辑联锁框图,只有相关过程控制的说明,系统控制内容空洞生硬、动作过程描绘非常粗略不清晰,很多工艺参数没有具体标定,给我们系统开发过程带来极大的困难。但是攻关小组的全体技术人员没有退缩、迎难而上、加班加点,查阅大量外文资料,到同行业相关装置全方位考察,彻底、全面、系统、深入地对工艺指导书进行分析解读,并确保精益求精,万无一失。攻关小组仅用八周时间,便成功实现了GE公司专利商工艺包提出的所有技术要求!

(2)理清逻辑关系,绘制逻辑图

    丁辛醇装置合成气工段共有I/O点263点,所有点全都参与逻辑联锁和顺序控制。合成气工段控制的设备种类丰富,顺序步骤和逻辑联锁繁多,要实现2个工艺部分的复杂自动运行功能。为此我们逐步全面细化逻辑和顺序关系,屡清过程脉络,绘制精准的程序框图,对TRICON系统组态设计、组态生成、有条不紊的调试等工作提供了重要保障。为了使该项目能够按计划顺利完成,我们在破译GE工艺包的同时,利用TRICON系统程序开发环境的新特性,用八周时间完成了程序框图的详细设计,为系统组态和调试的顺利完成提供了可靠的保证。

(3)TRICON系统的搭建与开发

    丁辛醇装置控制系统包括2个控制站、2个工程师站/操作站/SOE站、2个辅助操作台,其中合成气工段的工程师站/操作站/SOE站的两个显示器具有上下分屏显示功能。

    控制站采用了功能强大的三重化冗余控制器3008/N,冗余采用TMR(容错处理)技术和三取二表决机制,处理二进制指令只需0.1μs。系统柜中的处理器位于主机架上,利用专用的板卡接口固定在主机架底板上,系统主机架与扩展机架通过特有的ELCO电缆(高性能内部通讯电缆)与ETP(现场信号终端接线板)连接,进行高速数据通讯,此种系统搭建结构模式安全稳定而且故障率极低。所有I/O卡件包括通讯卡件都插在主机架和扩展机架的底板卡槽上,每个I/O卡件槽位都包括两个冗余物理槽位,保证I/O卡件可带电插拔和热备切换。控制站与工程师站之间配备了工业交换机OSM,采用星形网络拓扑结构,使工业以太网通讯速率可以达100M/S,同时实现网络冗余。使用TCM(高性能通讯卡)与工程师站/操作站/SOE站进行高负荷数据通讯,此外CPU在进行大量数据处理的同时还具有SOE功能,分辨率<1ms。

(4)开发自定义功能块

    根据控制功能的需要,利用TRICON系统特有的FBD环境以及 STL 语言,开发了若干个自定义功能块。如:首发报警功能块、十二选二功能块、温压补偿功能块、三取二功能块、中值处理功能块等。

(5)提高系统调试效率

    2012年5月,系统所需控制设备全部到货,项目实施进入实质性阶段。为了确保控制功能的正确性和准确性、减少现场调试时间、顺利打通工艺流程,我们全力以赴,在最短的时间内对控制站的263个I/O点进行反复进行组态检查和离线仿真测试,做好施工前的一切准备工作,根据检查的问题,随时修改组态与技术方案,为现场调试节省了大量时间。

(6)持续改进,优化控制方案

    在前期组态过程中无外国专家指导的前提下,我们对气化炉顺序控制功能的控制原理和联锁跳车动作原理进行了反复的讨论,进行了大量的完善与规划,对顺序控制的每一步骤的组态设计都经过了精心的安排和周密的部署,使组态方案尽量与GE专利技术工艺包提出的要求吻合,使顺控程序功能组件具有实效性,操作与维护逐步具体化,独树一帜的顺序控制组态程序经过在现场系统实际运行以后,由于该系统的顺控过程控制自动化和控制调整功能极大幅度提升,使工艺生产准确度大幅提高,调整能力和受控水平达到化工二厂建厂以来前所未有的高度,从调试效果来看已达到或超过了国内同类装置设计的最高要求;通过对合成气顺序控制程序深入分析和不断改进,彻底结束了原有合成气半手动半自动操作的历史,完全实现了合成气工段顺序控制自动化,极大方便了装置操作人员,是操作维护人员的操作调整更加便捷、顺畅,经过GE公司主力技术专家严格的审查,本项目实施的顺序过程控制程序对现场仪表掌控能力和对现场高效工艺干预能力已达到国外相关类似装置先进水平;不断优化完善控制思路,严格把关关键技术环节,与工艺操作人员反复交流,将画面指示、操作设置更加清晰,系统状态指示、报警信息、首发报警追忆更加全面准确。

(7)攻克技术难关,确保装置开车一次成功

    经过不懈的努力,我们逐步破解和攻克了1顺序控制步序跳转功能;2计时器的应用与复位控制;3电磁阀和变送器故障处理;4过程信号数据优化处理;5整个生产过程模拟信号的常规控制、监视报警和报表打印及生产管理;6装置的事件顺序记录(SOE)功能实现;7联锁报警条件首发报警追忆功能,这7个曾经困扰我们的技术难点,而且还创新了不同工艺工况和负荷下,顺序控制自动调整和切换的新特色,这是GE公司所没有提供的新内容。2012年9月29日,化工二厂丁辛醇装置合成气工段开车一次成功。从此填补了大庆石化公司乃至全国石化行业在这一控制技术领域上的空白,结束了合成生产过程顺序控制技术被外国人掌握的时代,打造了在石化行业独立自主用SIS系统研发顺序控制的新局面,揭开了全面提升技术储备、成熟而迅速地占领该尖端技术领域辉煌的新篇章!

2.3 实施效果

    本项目实施后,彻底解决了原有合成气顺序控制系统由于老化、故障率高造成的控制系统无法正常实现其控制功能的问题;消除了由于控制系统潜在崩溃带来的安全隐患;大大减少了装置非计划停车的次数,降低了装置非计划长期停工的风险。成为丁辛醇装置长周期安全运转的重要保障,具有显著的经济效益和社会效益,也为企业长期安全发展奠定了坚实的基础。

3 体会与建议

    通过本项目的运行和研究,我们有以下几个方面的体会和建议:

(1)优化控制方案,使经济效益最大化。选择什么样的控制方案,不仅关系到能否满足生产装置的工艺要求,还关系着整个项目的经济效益和未来装置运行生产的潜在效益。完善的控制方案,合理的控制衔接以及完善的系统纠错诊断机制,不但可以减少对控制系统资源的浪费,还可以减少技术人员的编程工作量。选择性价比高的控制系统方案,同时优化控制过程,使经济效益最大化。

(2)攻克技术难关,使社会效益最大化。该项目的成功实施,结束了高压一装置控制系统技术被外国人掌握的时代,此项技术的研发对于国内自主设计高压控制系统的推广具有深远的意义。

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