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    一．前言

    30萬噸/年氣體分餾裝置是湛江東興石油企業(yè)有限公司煉油配套完善工程三聯(lián)合的一套新建裝置。該裝置公稱設(shè)計(jì)規(guī)模按30萬噸/年設(shè)計(jì)，采用常規(guī)三塔流程，包括脫丙烷部分、脫乙烷部分、精丙烯部分以及公用工程部分。裝置原料液化石油氣自催化裂化裝置經(jīng)過脫硫后通過管道輸送至裝置，或者自罐區(qū)通過管道輸送至裝置。裝置主要產(chǎn)品是精丙烯（送至罐區(qū)）；副產(chǎn)品包括乙烷氣（輸送至催化裝置或燃料氣管網(wǎng)）、丙烷餾分和碳四碳五餾分（混合后送至罐區(qū)）。

    二．控制系統(tǒng)的設(shè)置

    作為現(xiàn)代化大型聯(lián)合煉油裝置，設(shè)置了三聯(lián)合裝置中心控制室，聯(lián)合控制室內(nèi)設(shè)置集散控制系統(tǒng)（DCS），實(shí)現(xiàn)對三聯(lián)合裝置區(qū)內(nèi)新建裝置（催化裂化，產(chǎn)品精制，氣體分餾，硫磺回收、溶劑再生及酸性水汽提）及新建公用工程進(jìn)行集中操作、控制、監(jiān)視和管理，并在過程控制層設(shè)置與工廠管理層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊接口設(shè)備，為全廠管控一體化（CIMS）的改造、擴(kuò)容和整合，建立良好的過程控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平臺(tái)，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測報(bào)警（GS）采用DCS系統(tǒng)，但接入信號(hào)的卡件或控制站獨(dú)立設(shè)置，除了裝置的DCS操作站可監(jiān)視裝置內(nèi)的可燃?xì)怏w及有毒氣體外，三聯(lián)合中心控制室還設(shè)有獨(dú)立的操作站對全廠的可燃?xì)怏w及有毒氣體進(jìn)行檢測和報(bào)警。
經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的評(píng)估， TPS系統(tǒng)被選為三聯(lián)合裝置的控制系統(tǒng)。

    三．TPS系統(tǒng)配置

    TPS(Total Plant Solution)系統(tǒng)是Honeywell公司開發(fā)的全廠一體化的過程控制系統(tǒng)，它集先進(jìn)過程控制﹑優(yōu)化﹑全廠歷史數(shù)據(jù)和信息管理功能于一體，使這些功能成為自動(dòng)化系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，從而形成了功能強(qiáng)大﹑配置靈活﹑結(jié)構(gòu)開放的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

    TPS系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為三層，包括工廠信息網(wǎng)(PIN)，局域控制網(wǎng)（LCN），萬能控制網(wǎng)UCN。
工廠信息網(wǎng)(PIN)，是管理信息系統(tǒng)(Management Information System)的一個(gè)重要組成部分。通過節(jié)點(diǎn)GUS、PHD或APP，工廠信息網(wǎng)可以與LCN連接，從而實(shí)現(xiàn)管理信息系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的集成。

    局域控制網(wǎng)(LCN)，是TPS系統(tǒng)控制管理網(wǎng)絡(luò)的主干線，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以令牌存取通信控制方式進(jìn)行鏈路存取，傳輸速率5Mbps。每條LCN可以掛接40個(gè)LCN模件(稱為TPS節(jié)點(diǎn)或Node)，經(jīng)過光纜和LCNE擴(kuò)展后，掛接的LCN模件數(shù)目最多可以達(dá)到64個(gè)。主要的LCN模件包括GUS、HM等。

    萬能控制網(wǎng)(UCN)，是以MAP為基礎(chǔ)的雙重化實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，采用令牌傳送的總線網(wǎng)絡(luò)，符合IEEE802.4和ISO標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，支持點(diǎn)對點(diǎn)通信，故障自動(dòng)切換，傳輸速率為5Mbps。每條UCN可以掛接32臺(tái)冗余設(shè)備，如HPM、APM、LM、PM等。

    UCN通過NIM與LCN連接。
    氣體分餾裝置共有輸入/輸出信號(hào)205點(diǎn)，具體信號(hào)類型及數(shù)量見表1。

               

                               表1. 氣體分餾裝置儀表信號(hào)類型概況
　 　 　
    根據(jù)大型煉油裝置聯(lián)合操作的特點(diǎn)和業(yè)主的管理要求，結(jié)合TPS系統(tǒng)的功能，氣體分餾裝置配置了1個(gè)操作站(與產(chǎn)品精制裝置共用)，1個(gè)工程師站(與催化、產(chǎn)品精制裝置共用)，1個(gè)控制站，3個(gè)FTA及安全柵(端子)柜，1個(gè)繼電器柜。系統(tǒng)配置見圖1所示。裝置內(nèi)的儀表都采用防爆型(本安或隔爆)，本安儀表進(jìn)/出DCS都采用隔離安全柵進(jìn)行信號(hào)隔離，熱電偶(mV)信號(hào)通過溫度變送器型隔離安全柵轉(zhuǎn)換成4-20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后進(jìn)入DCS，考慮到防雷的因素，所有現(xiàn)場進(jìn)/出DCS的信號(hào)都采用防雷柵與DCS的I/O通道加以隔離，與電氣專業(yè)的信號(hào)交接使用繼電器加以隔離。

               

    氣體分餾裝置TPS主要設(shè)備見表2。

    表2. 氣體分餾裝置TPS系統(tǒng)主要設(shè)備列表

               

    四．主要控制方案設(shè)計(jì)

    氣體分餾裝置采用常規(guī)三塔流程，工藝過程分為脫丙烷部分、脫乙烷部分、精丙烯部分及公用工程部分。主要工藝設(shè)備包括脫丙烷塔，脫乙烷塔，精丙烯塔，空冷器，換熱器，機(jī)泵等。裝置的大部分控制回路采用單回路定值控制和串級(jí)控制，由DCS系統(tǒng)完成。

    1． 脫丙烷部分

    從裝置外來的液化石油氣進(jìn)入脫丙烷塔進(jìn)料罐，經(jīng)脫丙烷塔進(jìn)料泵送至脫丙烷進(jìn)料－碳四換熱器換熱，再經(jīng)脫丙烷塔進(jìn)料加熱器由100℃熱水加熱至泡點(diǎn)后，進(jìn)入脫丙烷塔第31層塔板。碳二、碳三餾分從頂部蒸出，經(jīng)脫丙烷塔頂空冷器和脫丙烷塔頂后冷器冷凝冷卻后，進(jìn)入脫丙烷塔回流罐。冷凝液一部分用脫丙烷塔回流泵抽出作為脫丙烷塔回流，另一部分用脫乙烷塔進(jìn)料泵加壓后作為

               

                        圖2. 脫丙烷部分控制流程圖

    脫乙烷塔進(jìn)料。塔底物料碳四碳五餾分與脫丙烷進(jìn)料換熱后用碳四碳五冷卻器冷
    卻至40℃后自壓出裝置。脫丙烷部分的主要控制回路見圖2，包括：
    1)脫丙烷塔進(jìn)料罐液位與脫丙烷塔進(jìn)料--碳四換熱器殼層入口流量構(gòu)成串級(jí)控制。
    2)脫丙烷塔進(jìn)料加熱器殼層出口溫度與其管層入口熱水流量構(gòu)成串級(jí)控制。
    3)脫丙烷塔各床層溫度（多支熱電偶的輸入切換）與脫丙烷塔重沸器管層入口1.0MPa蒸汽流量構(gòu)成串級(jí)控制。
    4)脫丙烷塔塔底液位與塔底出口流量構(gòu)成串級(jí)控制。
    5)為了塔的平穩(wěn)操作，保證分餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量。脫丙烷塔設(shè)有塔頂壓力控制，采用三通熱旁路控制，增大或降低塔頂氣相冷凝量，達(dá)到穩(wěn)定塔頂壓力的目的。當(dāng)脫丙烷塔壓力過高時(shí)，還可進(jìn)一步通過不凝氣的排放來降低壓力。本次設(shè)計(jì)方案中，三通閥實(shí)際由二個(gè)直通調(diào)節(jié)閥代替，在操作和安裝上都更加靈活。

    2．脫乙烷部分

    脫乙烷塔進(jìn)料從脫丙烷塔回流罐抽出經(jīng)脫乙烷塔進(jìn)料泵加壓后進(jìn)入脫乙烷塔第21層塔板。塔頂碳二、碳三氣體經(jīng)脫乙烷塔頂冷凝器部分冷凝后，進(jìn)入脫乙烷塔回流罐。不凝氣自脫乙烷塔回流罐頂經(jīng)壓控閥送至燃料氣管網(wǎng)，或至催化裂化裝置吸收塔重新回收丙烯。冷凝液用脫乙烷塔回流泵送回脫乙烷塔頂全部作為回流。脫乙烷塔底物料自壓至精丙烯塔A第135層塔板，作為精丙烯塔進(jìn)料。脫乙烷部分的主要控制回路見圖3，包括：

               

                        圖3. 脫乙烷部分控制流程圖

    1)脫丙烷塔回流罐液位與脫乙烷塔進(jìn)料流量構(gòu)成串級(jí)控制；脫乙烷塔進(jìn)料與脫乙烷塔重沸器管層入口熱水流量構(gòu)成比值控制。
    2)脫乙烷塔底液位與塔底出口流量構(gòu)成串級(jí)控制；塔底出口流量與精丙烯塔重沸器A與B管層入口熱水流量構(gòu)成比值控制。
    3)脫乙烷塔回流罐液位與脫乙烷塔回流流量構(gòu)成串級(jí)控制。
    4)對于脫乙烷塔頂塔頂?shù)膲毫刂疲捎诿撘彝樗數(shù)牟荒龤廨^多，直接通過排放不凝氣控制塔頂壓力。

    3．精丙烯部分

    精丙烯塔分為兩塔串聯(lián)操作。精丙烯塔A塔底丙烷餾分經(jīng)丙烷冷卻器冷卻至40℃與碳四碳五餾分混合后自壓送出裝置。塔頂氣體進(jìn)入精丙烯塔B底部，精丙烯塔B底部液體由精丙烯塔中間泵送回精丙烯塔A頂部作為回流。精丙烯塔B頂部氣體經(jīng)精丙烯塔頂空冷器和精丙烯塔頂后冷器冷凝冷卻后，進(jìn)入精丙烯塔回流罐，冷凝液一部分用精丙烯塔回流泵從精丙烯塔回流罐抽出后送回精丙烯塔B頂部作為回流；另一部分經(jīng)精丙烯送出泵加壓送至丙烯冷卻器冷卻至40℃后送出裝置。精丙烯部分的主要控制回路見圖4，包括：

    1)脫乙烷塔底出口流量與精丙烯塔重沸器A、B管層入口熱水流量構(gòu)成比值控制。
    2)精丙烯塔回流罐氣相入口丙烯含量分析與精丙烯塔B返塔流量構(gòu)成串級(jí)控制，控制產(chǎn)品質(zhì)量。
    3)精丙烯塔回流罐液位與塔底出口精丙烯流量構(gòu)成串級(jí)控制。
    4)精丙烯塔A塔底液位與塔底出口丙烷流量構(gòu)成串級(jí)控制。
    5)分餾塔的壓力恒定與否，對塔的平穩(wěn)操作有很大影響，只有在壓力穩(wěn)定的條件下，才能保證分餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量。精丙烯塔采用三通熱旁路控制，增大或降低塔頂氣相冷凝量，達(dá)到穩(wěn)定塔頂壓力的目的。本次設(shè)計(jì)方案中，三通閥實(shí)際由
二個(gè)直通調(diào)節(jié)閥代替。

                 

                                圖4. 精丙烯部分控制流程圖

    4．火災(zāi)與安全

    針對石油化工生產(chǎn)高溫高壓，易燃易爆的特點(diǎn)，為了保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠迅速切斷原料和產(chǎn)品的供給，把事故限定在最小范圍，本設(shè)計(jì)在脫丙烷塔進(jìn)料泵、脫丙烷塔回流泵、脫乙烷塔回流泵、精丙烯塔中間泵、精丙烯塔回流泵及精丙烯塔送出泵的入口均設(shè)置火災(zāi)聯(lián)鎖切斷閥。操作人員在現(xiàn)場或DCS上關(guān)閉切斷閥，DCS系統(tǒng)將按照組態(tài)好的邏輯關(guān)系將停泵信號(hào)送至電氣專業(yè)停泵。以脫乙烷塔回流泵火災(zāi)聯(lián)鎖系統(tǒng)為例，控制流程圖見圖5，聯(lián)鎖邏輯框圖見圖6。

                 

                            圖5. 脫乙烷塔回流泵控制流程圖

               

                        圖6. 脫乙烷塔回流泵火災(zāi)聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯框圖

    五．幾種控制方案的實(shí)現(xiàn)

    1.比值控制
    FRC2001是脫乙烷塔進(jìn)料流量控制回路，F(xiàn)RC2003是脫乙烷塔重沸器管程入口熱水流量控制回路，控制方案要求熱水流量應(yīng)與進(jìn)料流量組成比值控制。控制流程圖見圖7。

               

                           圖7. 脫乙烷塔進(jìn)料流量比值控制流程圖

    這是一個(gè)典型的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是由于有兩個(gè)流量閉環(huán)回路，可以克服各自的外界干擾，使主、副流量都比較平穩(wěn)，而流量間的比值可以通過比值計(jì)算器實(shí)現(xiàn)，保證了兩流量的比值恒定，使進(jìn)入系統(tǒng)的總負(fù)荷平穩(wěn)。
根據(jù)控制流程圖，可以建立比值控制回路的組態(tài)框圖，見圖8。

               

                                     圖8. 比值控制回路組態(tài)框圖

    第一步，建立I/O“硬”點(diǎn)，即數(shù)據(jù)點(diǎn)。組態(tài)內(nèi)容見表3：

    表3 輸入/輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)表

          

    第二步，組態(tài)“軟”點(diǎn)，即控制方案。建立兩個(gè)常規(guī)控制點(diǎn)(PID算法)，分別用于實(shí)現(xiàn)流量控制；建立一個(gè)常規(guī)控制點(diǎn)(RATIO CTL算法)和一個(gè)常規(guī)PV點(diǎn)(CALCULATOR算法)，用于實(shí)現(xiàn)比值計(jì)算。組態(tài)內(nèi)容見表4。

    表4 常規(guī)控制點(diǎn)、常規(guī)PV點(diǎn)組態(tài)表

              

    2.分程控制

    為了塔的平穩(wěn)操作，保證分餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量，脫丙烷塔設(shè)有塔頂壓力控制PRC1001，采用三通熱旁路控制，增大或降低塔頂氣相冷凝量，達(dá)到穩(wěn)定塔頂壓力的目的, 三通閥實(shí)際由二個(gè)直通調(diào)節(jié)閥(PV1001A，PB1001B)代替。當(dāng)脫丙烷塔壓力過高時(shí)，則進(jìn)一步通過不凝氣的排放(PV1001C)來降低壓力。控制流程圖見圖9。

               

                             圖9. 脫丙烷塔塔頂壓力分程控制系統(tǒng)流程圖

    這是一個(gè)分程控制系統(tǒng)，特點(diǎn)是PV1001A、PV1001B在同一分程區(qū)間內(nèi)利用不同的作用型式實(shí)現(xiàn)相反的操作過程，而PV1001C則在另一分程區(qū)間內(nèi)操作。

               

                               圖10. 分程控制回路組態(tài)框圖

    根據(jù)控制流程圖，可以建立分程控制回路的組態(tài)框圖，見圖10。

    第一步，建立數(shù)據(jù)點(diǎn)。組態(tài)內(nèi)容見表5：

    表5 輸入/輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)表

            

    第二步，建立一個(gè)常規(guī)控制點(diǎn) (PID算法)PRC1001，用于實(shí)現(xiàn)壓力控制；建立兩個(gè)常規(guī)PV點(diǎn)(GENLINE算法)GEN1001A和GEN1001C，用于實(shí)現(xiàn)分程功能；建立三個(gè)常規(guī)控制點(diǎn) (AUTOMAN算法) P1001A、P1001B、P1001C，用于實(shí)現(xiàn)三個(gè)調(diào)節(jié)閥的手操功能；而邏輯點(diǎn)LOGIC1001的作用是用于連接輸入和輸出。

    該回路組態(tài)的重點(diǎn)在于常規(guī)PV點(diǎn)內(nèi)線性化算法的組態(tài)和邏輯點(diǎn)的組態(tài)。線性化算法的組態(tài)根據(jù)圖中調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作的情況填寫輸入和輸出；邏輯點(diǎn)內(nèi)填好輸入和輸出后，把輸出的允許控制位直接寫為“1”(TRUE)即可。

    3.“選擇＋串級(jí)”控制
    TRC1002是脫丙烷塔T33001塔底氣相溫度調(diào)節(jié)，F(xiàn)RCQ1005是脫丙烷塔重沸器E33002B管程入口1.0MPa蒸汽流量調(diào)節(jié)。控制方案要求脫丙烷塔各床層溫度（TRC1002、TR1007~1009切換）與脫丙烷塔重沸器管程入口1.0MPa蒸汽流量（FRC1005）構(gòu)成串級(jí)控制。控制流程圖見圖11。

               

                                圖11. 脫丙烷塔塔底溫度選擇控制流程圖

    這是一個(gè)“選擇控制＋串級(jí)控制”的控制系統(tǒng)，主回路TRC-1002的測量值在4個(gè)溫度測量值間由操作員手動(dòng)選擇，主回路的輸出作為流量副回路FRC-1005的設(shè)定值。

    根據(jù)控制流程圖，可以建立比值控制回路的組態(tài)框圖，見圖12。

               

                              圖12. “選擇＋串級(jí)”控制回路組態(tài)框圖

    第一步，建立數(shù)據(jù)點(diǎn)。組態(tài)內(nèi)容見表6：

    表6 輸入/輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)表

            

    第二步，建立兩個(gè)常規(guī)控制點(diǎn)(PID算法)，分別用于實(shí)現(xiàn)溫度控制和流量控制；建立一個(gè)常規(guī)控制點(diǎn)(SWITCH CTL算法)，用于實(shí)現(xiàn)選擇功能。組態(tài)內(nèi)容見表7。

    表7 常規(guī)控制點(diǎn)、常規(guī)PV點(diǎn)組態(tài)表

                

    六. 總結(jié)

    作為在一套技術(shù)成熟的分散控制系統(tǒng)產(chǎn)品，TPS系統(tǒng)投運(yùn)以來，取得了令人滿意的效果：
    (1)控制效果良好，滿足了工藝的生產(chǎn)控制要求，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益；
    (2)提供了報(bào)表功能，可以生成班報(bào)表、日報(bào)表和特殊定制報(bào)表等，方便了生產(chǎn)管理；
    (3)提供了歷史數(shù)據(jù)采集功能，為事故分析和優(yōu)化操作提供了幫助；
    (4)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了該裝置操作人員的數(shù)量，節(jié)約了人工成本；
    (5)“填表”式的組態(tài)方法易于掌握，系統(tǒng)維護(hù)方便；
    (6)提供了與管理信息網(wǎng)的接口，為管控一體化的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于管理者了解裝置的運(yùn)行情況，并及時(shí)根據(jù)經(jīng)營狀況對生產(chǎn)作出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。