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    1、前言

    中國(guó)石油大港石化公司100萬(wàn)噸/年加氫裂化和4萬(wàn)標(biāo)立/小時(shí)制氫聯(lián)合裝置于2008年一次開(kāi)車(chē)成功。

    100萬(wàn)噸/年加氫裂化裝置引進(jìn)UOP公司單段加氫裂化專(zhuān)利技術(shù)，詳細(xì)設(shè)計(jì)部分由中國(guó)石化工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)院完成。加氫裂化裝置采用單反應(yīng)器雙劑串聯(lián)全循環(huán)的加氫裂化工藝，整個(gè)裝置由反應(yīng)、分餾、熱工和公用工程等部分組成，。主要原料為減壓蠟油和焦化蠟油，主要產(chǎn)品為液化石油氣、輕石腦油、重石腦油、輕柴油、柴油。

    4萬(wàn)標(biāo)立/小時(shí)制氫裝置由洛陽(yáng)石油化工工程公司設(shè)計(jì)，PSA部分采用成都華西化工公司的變壓吸附工藝技術(shù)，裝置由脫硫、轉(zhuǎn)化中變、鍋爐汽包、PSA等部分組成，主要原料為混合干氣和天然氣，產(chǎn)品為高純度氫氣。

    2、系統(tǒng)配置

    加氫裂化和制氫聯(lián)合裝置的DCS系統(tǒng)采用了Honeywell公司的TPS系統(tǒng)。TPS（TotalPlant Solution）是Honeywell公司開(kāi)發(fā)的全廠一體化解決方案，TPS把過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)操作網(wǎng)絡(luò)和工廠信息網(wǎng)絡(luò)融為一體，是第一個(gè)將整個(gè)工廠的商業(yè)信息系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)統(tǒng)一 在一個(gè)平臺(tái)上的自動(dòng)化系統(tǒng)。TPS具有以下特點(diǎn)：

    1）采用可靠的多層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)管控一體化。整個(gè)系統(tǒng)由過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)UCN（Universal Control Network）、控制管理網(wǎng)絡(luò)LCN（Local Control Network）和工廠信息網(wǎng)絡(luò)組成。

    2）系統(tǒng)配置規(guī)模彈性大，擴(kuò)展靈活。TPS系統(tǒng)是一個(gè)規(guī)模龐大的系統(tǒng)。一條LCN通常距離是300米(同電纜介質(zhì))，連接40個(gè)模件。經(jīng)過(guò)光纖擴(kuò)展可連接64個(gè)模件，最遠(yuǎn)距離可達(dá)4.9公里。一條LCN最多可連接20條UCN，而一條UCN可以連接32臺(tái)冗余裝置，用戶(hù)可根據(jù)需要對(duì)LCN上的模件及UCN上的裝置及設(shè)備進(jìn)行任意組合，以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)。

    3）系統(tǒng)安全可靠、便于維修。系統(tǒng)中的主要硬件設(shè)備均采用冗余配置，各模件或設(shè)備的故障只影響其自身某些功能，而整個(gè)系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行。卡件支持帶電插拔，便于設(shè)備在線維修。

    4）控制功能強(qiáng)大。系統(tǒng)的控制策略非常豐富，包括常規(guī)、邏輯、順控等部分，可以實(shí)現(xiàn)從最簡(jiǎn)單的常規(guī)PID控制到先進(jìn)的復(fù)雜的高級(jí)優(yōu)化控制。系統(tǒng)可以通過(guò)接口從第三方設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。

    5）系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性。支持OLE（對(duì)象連接與嵌入）技術(shù)和ODBC（開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)連接）技術(shù)。
加氫裂化和制氫聯(lián)合裝置控制系統(tǒng)由一條冗余的LCN（Local Control Network）控制管理網(wǎng)絡(luò)，兩條冗余的UCN（Universal Control Network）過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。LCN網(wǎng)絡(luò)上共有14個(gè)模件 (14個(gè)節(jié)點(diǎn))，分別是: GUS操作站9臺(tái)，歷史模件HM1臺(tái)，2對(duì)冗余的網(wǎng)絡(luò)接口模件NIM。LCN網(wǎng)絡(luò)通過(guò)2對(duì)冗余的NIM與兩條UCN過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)相連接。兩條UCN網(wǎng)絡(luò)：UCN01為加氫裂化裝置控制網(wǎng)，包括3對(duì)冗余的高級(jí)過(guò)程管理站HPM；UCN02為制氫裝置控制網(wǎng)，包括2對(duì)冗余的高級(jí)過(guò)程管理站HPM。

    裝置設(shè)有一個(gè)中心控制室和一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室距中心控制室的距離為260米。控制系統(tǒng)的操作站（現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室工程師站除外）均集中安裝在中心控制室內(nèi)，進(jìn)行集中操作、控制和管理，LCN網(wǎng)絡(luò)上的HM、NIM等模件安裝在中心控制室的機(jī)柜間內(nèi)。控制系統(tǒng)的控制器（高級(jí)過(guò)程管理站HPM）安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室。兩條UCN網(wǎng)絡(luò)各用1對(duì)500米的冗余UCN電纜連接中心控制室內(nèi)的NIM和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室的HPM。在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室內(nèi)設(shè)有1臺(tái)工程師站，該工程師站通過(guò)1對(duì)300米的冗余LCN電纜與中心控制室內(nèi)的LCN網(wǎng)絡(luò)連接。

    系統(tǒng)配置如下圖所示。

               

                       圖1 加氫裂化和制氫聯(lián)合裝置DCS系統(tǒng)配置圖

    系統(tǒng)共有輸入輸出信號(hào)1186點(diǎn)，具體信號(hào)類(lèi)型及數(shù)量見(jiàn)下表

               

                       表1 加氫裂化和制氫聯(lián)合裝置DCS系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)概況

    除上述輸入輸出信號(hào)外，系統(tǒng)還通過(guò)485通訊的方式從其他第三方設(shè)備中讀取相關(guān)信號(hào)。與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊的第三方設(shè)備如下：

               

                                 表2 第三方通訊設(shè)備列表

    DCS系統(tǒng)通過(guò)串口通訊卡件（SI），采用MODBUS協(xié)議，通過(guò)RS485接口，直接讀取上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述系統(tǒng)的監(jiān)控。在DCS系統(tǒng)上，通過(guò)ARRAY點(diǎn)組態(tài)，設(shè)置設(shè)備地址號(hào)、波特率、停止位數(shù)、校驗(yàn)方式等。通過(guò)通訊接口讀取到的所有數(shù)據(jù)可在控制系統(tǒng)的任意位置獲取，并且能在操作員站上顯示、報(bào)表記錄、趨勢(shì)、報(bào)警。

    3．主要控制方案

    加氫裂化和制氫聯(lián)合裝置的大部分控制回路采用單回路控制和串級(jí)控制，同時(shí)也用到了很多復(fù)雜控制回路。以下主要介紹一下系統(tǒng)中使用的典型復(fù)雜控制回路

    3.1加氫裂化裝置反應(yīng)進(jìn)料加熱爐溫度控制

                

                      圖2 加氫裂化裝置反應(yīng)進(jìn)料加熱爐溫度控制回路

    反應(yīng)器入口溫度調(diào)節(jié)器TIC11601為主調(diào)節(jié)器，它的輸出值是燃料氣流量調(diào)節(jié)器FIC13201及助燃空氣調(diào)節(jié)器FIC13203的給定值。當(dāng)入口溫度偏離給定值時(shí)，則溫度調(diào)節(jié)器TIC11601的輸出值發(fā)生變化，即燃料氣流量調(diào)節(jié)器FIC13201及助燃空氣調(diào)節(jié)器FIC13203的給定值變化，因此調(diào)節(jié)器FIC13201/13203的輸出改變，燃料氣調(diào)節(jié)閥FV13201和助燃空氣調(diào)節(jié)閥FV13203的開(kāi)度相應(yīng)變化，進(jìn)入爐子燃料氣和助燃空氣流量變化，使反應(yīng)器入口溫度達(dá)到給定值。

    助燃空氣流量的遠(yuǎn)程設(shè)定點(diǎn)，是通過(guò)信號(hào)選擇器選擇的加熱爐出口控制器TIC11601輸出信號(hào)，或是來(lái)自選擇開(kāi)關(guān)FY13201B（該選擇開(kāi)關(guān)有兩個(gè)流量供選擇，一個(gè)是通過(guò)密度和線性流量計(jì)算出來(lái)的補(bǔ)償質(zhì)量流量，另外一個(gè)就是由FI13201B輸送的線性流量）的燃料流量信號(hào)，通過(guò)高信號(hào)選擇器TY11601B選擇流量大的，高信號(hào)選擇器的輸出乘上空氣/燃料比（來(lái)自HIC13203）設(shè)定值，再乘上空氣質(zhì)量/燃料質(zhì)量理想配比的默認(rèn)比值15.5，為助燃空氣流量控制器FIC13203提供遠(yuǎn)程輸入，按要求來(lái)調(diào)節(jié)助燃空氣的流量。助燃空氣流量信號(hào)作為除法器HY13203A的輸入，除以空氣/燃料比（HIC13203）設(shè)定值，再除以空氣質(zhì)量/燃料質(zhì)量理想配比的默認(rèn)比值15.5，獲得允許的燃料氣流量信號(hào)，作為燃料氣低選器TY11601A的一個(gè)輸入信號(hào)。低選器的另外一個(gè)輸入信號(hào)來(lái)自爐出口溫度控制器TIC11601的輸出信號(hào)，通過(guò)低選器選擇較小的信號(hào)，作為燃料氣流量控制器FIC13201的設(shè)定，通過(guò)控制器來(lái)控制調(diào)節(jié)閥FV13201，從而實(shí)現(xiàn)燃料氣流量的調(diào)節(jié)。另外在燃料氣的流量控制閥前還有一個(gè)高信號(hào)選擇器PY13201，該選擇器對(duì)來(lái)自于流量控制器FIC13201和加熱爐火嘴壓力控制器PIC13201進(jìn)行高選后輸給流量控制閥FV-13201。這樣的控制可有效抑制燃料氣的調(diào)節(jié)延時(shí)。

    該控制回路的控制理念是，低溫信號(hào)先增加助燃空氣再增加燃料氣，高溫信號(hào)先減少燃料氣再減少助燃空氣，目的就是通過(guò)助燃空氣來(lái)限制燃料流量的增加，提高燃料氣的利用效率，節(jié)約燃料氣。

    3.2加氫裂化裝置總進(jìn)料換熱器混氫流量均分控制

               

                           圖3 加氫裂化裝置總進(jìn)料換熱器混氫流量均分控制回路

    總進(jìn)料換熱器采用的是兩個(gè)換熱器并聯(lián)的方式，這樣可以提高換熱器的換熱效率，兩股冷進(jìn)料混合氫和混合原料油均采用了嚴(yán)格的流量均分控制，主要是為了使加熱爐的兩路進(jìn)料得到均分，以此防止加熱爐的爐管因流量不均導(dǎo)致結(jié)焦和爐管故障。混合油的流量均分控制主要是通過(guò)兩個(gè)流量控制器進(jìn)行均流量給定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。混合氫的流量均分控制是通過(guò)使一個(gè)調(diào)節(jié)閥處在幾乎全開(kāi)的位置，而使另外一個(gè)調(diào)節(jié)閥工作在截流位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兩路混氫各設(shè)一個(gè)流量控制器，每個(gè)流量控制器的輸出信號(hào)，受低選器ZY11401的監(jiān)控，低信號(hào)通過(guò)選擇器，用作均衡控制器ZIC11401的測(cè)量信號(hào)，通常把ZIC的設(shè)定點(diǎn)設(shè)定在10％左右，以保持系統(tǒng)中的一個(gè)調(diào)節(jié)閥（FO）處在幾乎全開(kāi)的位置，控制器輸出給兩個(gè)流量控制器來(lái)根據(jù)各路阻力調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)流量的均分控制。

    3.3加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)一段吸入罐壓力控制

               

                         圖4 加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)一段吸入罐壓力控制回路

    新氫壓縮機(jī)一段吸入罐通過(guò)一個(gè)壓力的分程控制（PIC12701B）來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力高的控制，壓力低是由新氫出口返回線來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)冷高壓分離器壓力下降，壓力控制器PIC12201輸出在0～50％內(nèi)時(shí)，經(jīng)反向轉(zhuǎn)換100～0％進(jìn)入低選PY12701，當(dāng)選上時(shí)由PIC12201回路控制返回線閥門(mén)PV12701（FO），使PV12701開(kāi)度變小，返回量減少，進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的氫氣量增加，使冷分離器壓力上升到給定值。當(dāng)高分壓力下降時(shí)，新氫壓縮機(jī)三級(jí)出口返回量少，給系統(tǒng)補(bǔ)充量多，此時(shí)新氫入口分液罐壓力下降， PIC12701A正作用輸出進(jìn)入低選PY12701，當(dāng)新氫入口分液罐壓力很低時(shí)，會(huì)被低選器選上，所以由PIC12701A控制返回線閥門(mén)PV12701，保證壓縮機(jī)的壓力達(dá)到穩(wěn)定值。低選器PY12701的另一路輸入為新氫機(jī)出口壓力控制器（PIC12802）。當(dāng)高分壓力上升，PIC12201輸出在50～100％時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)換為0～100％去作用閥門(mén)FV12301（FC），即去冷閃蒸尾氣線。

    3.4制氫裝置轉(zhuǎn)化爐水碳比控制

                    

                    圖5 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐水碳比控制回路

    進(jìn)轉(zhuǎn)化爐水蒸汽和脫硫后原料氣流量進(jìn)行水碳比的比值控制是制氫裝置最重要的控制回路，控制好水蒸汽與原料氣的水碳比是轉(zhuǎn)化操作的關(guān)鍵。一般情況下正常的水碳比值為3.5：1，水碳比過(guò)高，不僅浪費(fèi)水蒸汽，而且增加轉(zhuǎn)化爐的熱負(fù)荷；水碳比過(guò)低，會(huì)引起催化劑積碳，使催化劑失活，甚至造成生產(chǎn)事故。該控制回路是通過(guò)測(cè)量脫硫后原料氣的流量，計(jì)算出原料中的碳含量，由比例器根據(jù)碳含量按比例計(jì)算出所需要的水蒸氣的流量，進(jìn)行比例控制。

    3.5制氫裝置鍋爐汽包液位控制

               

                       圖6 制氫裝置鍋爐汽包液位控制回路

    鍋爐汽包的液位控制采用三沖量控制，即汽包進(jìn)水量，汽包的飽和蒸汽量，汽包液位，三個(gè)參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后，通過(guò)控制汽包進(jìn)水控制閥來(lái)控制汽包液位。汽包液位是主控變量，引入蒸汽流量信號(hào)，是為了及時(shí)克服蒸汽流量波動(dòng)對(duì)汽包液位的影響，并有效地“假液位”現(xiàn)象引起控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作；引入給水流量信號(hào)的目的是將給水流量信號(hào)作為副變量，利用串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路克服干擾快速性來(lái)及時(shí)地克服給水壓力變化對(duì)汽包液位的影響。該控制回路中，F(xiàn)Y66603是蒸汽流量的溫壓補(bǔ)償模塊，F(xiàn)Y66602是計(jì)算模塊，計(jì)算表達(dá)式為：OUT=FY66603.PV+C2*（LIC6602.OP-50）/100（C2為給水流量的量程），計(jì)算結(jié)果作為給水流量調(diào)節(jié)器FIC66602的給定，組態(tài)時(shí)該模塊使用了Regulartory Control中的Summer算法，當(dāng)給水流量調(diào)節(jié)器不處于串級(jí)模式時(shí)，液位調(diào)節(jié)器LIC6602的輸出會(huì)跟蹤表達(dá)式50+100*（FIC66602.SP-FY66603.PV）/C2的計(jì)算結(jié)果，從而可以實(shí)現(xiàn)操作模式的無(wú)擾動(dòng)切換。

    4 .結(jié)束語(yǔ)

    控制系統(tǒng)投用至今，運(yùn)行狀況一直正常穩(wěn)定，各控制回路控制效果良好，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的控制要求。