DCS在丙烯酰胺裝置的應用

鄭潔美 廣東寰球廣業工程有限公司 廣州 510655

DCS在丙烯酰胺裝置的應用

鄭潔美*廣東寰球廣業工程有限公司 廣州 510655

介紹DCS控制系統的結構及特性，網絡的配置，部分控制方案及重要聯鎖的實現。

丙烯酰胺系統結構分程控制聯鎖組態

丙烯酰胺裝置是聚丙烯酰胺裝置擴能工程的主體裝置之一，生產過程比較復雜，涉及的參數和控制回路較多，聯鎖控制多，采用DCS自動控制系統實現對生產過程的集中監測、記錄、報警和聯鎖保護。本文以丙烯酰胺裝置為例，介紹CENTUM－CS3000－R3 DCS控制系統，比較有代表性的控制回路以及安全聯鎖在DCS中的實現。

1 工藝流程簡介

丙烯酰胺采用懸浮床連續催化法工藝，以丙烯腈和水為原料，在銅催化劑作用下，在三個串聯反應器中水合生產丙烯酰胺。裝置分為催化劑制備、催化劑回收、水合反應、濃縮、精制、產品6個工序和廢水廢氣處理系統及氨壓縮系統。

2 裝置對DCS的要求

根據某廠50 kt/a丙烯酰胺裝置工藝流程及管理操作要求，控制系統采用分散型控制系統(DCS)，設中心控制室集中管理和監控，現場測控儀表為電子智能型儀表，與機泵電氣控制柜硬線連接，實現生產過程自動化。根據丙烯酰胺裝置生產特點，設計安全聯鎖系統，以確保安全生產。確定該裝置安全聯鎖系統為二級。裝置的安全聯鎖系統采用DCS控制系統。

3 DCS系統

裝置采用橫河CENTUM－CS3000－R3 DCS的控制系統是近幾年發展和改進的過程控制和工廠管理系統，便于擴展，能滿足石油化工裝置大規模生產的過程控制、檢測、優化與管理的需要。

3.1 結構及特性

控制系統分監控層和現場層兩部分:監控層包括工程師站1臺、操作站3臺;現場層為現場控制站1臺。

(1)工程師站用于系統工程組態和管理，配備Ethernet(TCP/IP協議)接口及相應驅動軟件。能提供高級語言(VB或VC語言)開發環境和多任務執行環境，高級語言可以對各個控制站進行數據讀寫。

(2)操作站之間具有相互備用功能。

(3)控制站由現場控制單元(FCU)、節點(NODE)及各級總線構成。控制站中的處理器、電源和通訊總線的I/O模塊都為冗余配置，可以保障可靠性。互為冗余的卡件運行狀態同步。

3.2 網絡概況

為了實現系統的可靠性、實時性和開放性，橫河CS3000系統均采用雙重冗余網絡結構和ESB通訊總線。

用于控制站內，中央主控制器FCU同本地I/O節點之間進行數據傳輸的雙重化實時通訊總線，網絡拓撲構成:總線型，通訊速率:128 Mb/s，每臺控制站可連接14個I/O節點，最大通訊距離10 m。

用于控制站內本地I/O節點與遠程I/O節點之間進行數據傳輸的雙重化實時通訊總線，網絡拓撲構成:總線型，通訊速率:10 Mb/s，每臺控制站可從本地節點連接8個遠程I/O節點，最大通訊距離20 km。

橫河集散控制系統采用冗余的V net/IP網過程控制網絡。它是連接操作站、現場控制站等設備的實時控制網絡。采用符合IEEE802.4和UDP/ IP標準的復用控制網絡V net/IP，控制網的傳輸速度高達1 Gb/s，滿足了對實時性和大規模數據通訊的要求。

在保證可靠性的同時，又可以與開放的網絡設備直接相連，使系統結構更加簡單。V net/IP網絡的設計是星型結構，為可靠性極高的控制網絡，沒有任何一段網的單一故障能影響到整個網絡，沒有任何網絡元件上的單一故障能影響到工作站。

4 主要控制方案及實現

4.1 反應器的壓力及溫度控制

(1)反應系統中的水合反應順序經過三個串聯反應器，在反應器間的壓差作用下，通過燭式過濾器使反應液進濃縮系統。壓力不影響反應，壓力設在0.15～0.20 MPa，已足夠用來防止未反應的丙烯腈在約100℃發生閃蒸。通過分程調節(PC－316A/B)壓力，加上T－311噴淋管、S－311和反應器過濾器的壓力損失，決定反應器的壓力。

由于長時間操作造成細小的催化劑顆粒會堵塞過濾器，導致反應器壓力升高，過濾器允許的壓力損失為0.05～0.1 MPa。當壓力損失超過允許值，應對過濾器濾芯進行反洗。按與正常操作相反方向，從燭式過濾器濾芯內部向外部通脫鹽水，過濾器堵塞就可消除。逐漸降低PC－316壓力到0.05 MPa，開閥排除管線中的氮氣沖洗管線。反洗結束后，調節PC－316壓力到0.20 MPa。PC－316升壓結束后，逐漸提高產量。壓力的分程控制回路見圖1。

圖1 反應器壓力分程控制回路

(2)反應溫度是影響反應的控制指標。反應溫度控制在89～98℃。可通過控制反應器夾套的熱水流量來控制反應溫度。反應過程中，反應溫度高，轉化率高，導致丙烯酰胺的副產物和聚合物增多。反應溫度低，轉化率低，在低反應溫度下，有些副產物也會增多。

4.2 丙烯腈－水罐的壓力控制

濃縮系統冷凝的丙烯腈和水通過泵送到AN－水罐。

丙烯腈－水在送去儲罐前，已經過除氧，確保銅催化劑不被氧化，進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，通過兩根管線往T－323罐里注入氮氣。

為了穩定罐T－323的壓力，需在引入氮氣管線上分支出一根管線用于放空，這兩根管線分別用PC－324A、PC－324B來分程控制，使壓力維持在0.00147 MPa。另外，為防止T－323超壓，在儲罐上安裝有呼吸閥。

操作需在25%液位進行，所用的差壓液位變送器的低壓側導壓管處也需通入氮氣，確保罐內氣體不含氧，其控制回路見圖2。

圖2 丙烯腈—水罐壓力控制回路

5 邏輯聯鎖組態

為確保安全生產，各工段設置聯鎖控制。濃縮工段停泵聯鎖控制示意見圖3。

從反應器出來的高溫丙烯酰胺溶液由泵P－321輸送循環線，進加熱器E－321時，會因為溫度過高發生聚合反應，影響到產品的質量，因此需聯鎖停止泵，并關閉反應物進料閥FV－321以及E－321加熱器的熱水進水閥FV－322。為了阻止循環線上的物料因為打開泵在E－321聚合，需設置泵的聯鎖初始值定為0，正常泵是打開的，即正常值為1。DCS接收馬達控制中心對泵P－321運行狀態的信號，通過邏輯組態的脈沖輸出，可以讓輸入端信號發生從“0”到“1”的狀態變化時，輸出立即為“1”保持t時間后變為“0”，以后一直為“0”，直到輸入端再次發生從“0”到“1”的狀態變化。通過脈沖輸出，將輔操臺(AXC)泵停信號的指示燈亮。在需要開泵時，可通過輔操臺的聯鎖復位按鈕的脈沖輸出，使用優先觸發器元件，保證泵需要停止時，即使復位但這復位作用不了，待泵需開時，才使聯鎖復位成立。因為閥FV－321和FV－322的故障狀態為閥關，正常為閥開，即初始值為1，則關閉時其值應為“0”。當泵停燈亮為1時，在邏輯元件觸發器為“1”值時，應觸發后的值通過“非”后，值變為“0”，才能使閥FV－321和FV－322關閉。為保證泵能在特定情況下停，輔操臺設旁路聯鎖旋轉開關。這樣，通過輔操臺的旁路開關或者DCS的停止指示命令都可以實現泵停、關閥的邏輯輸出。

圖3 聯鎖控制示意圖

6 結語

(1)DCS控制系統強大的功能模塊和其優越性能保證了裝置按照設計方案在預定時間內順利開車。

(2)該控制系統在投運后，能穩定運行，沒有因DCS系統本身的問題影響生產，而且由于該系統的開放性、靈活性、易操作性等性能，能夠根據生產需要自主地進行一些過程點的組態操作，如一些控制方案的增改、聯鎖關系的變動都能夠在不影響正常生產的前提下在線修改。

(3)相對裝置中隨機設備的控制系統除去穩定性外，對最終用戶來說更加透明、更有自主權和修改權，能夠更好地為生產服務。

1 蔣慰孫，俞金壽．過程控制工程［M］．北京:中國石化出版社，1999．

2 陸德民，張振基，黃步余．石油化工自動控制設計手冊(第3版)［M］．北京:化學工業出版社，2000．

3 SH/T 3092－1999，石油化工企業分散控制系統設計規范［S］．

4 編輯委員會編．工業自動化儀表與系統手冊［M］．北京:中國電力出版社，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年畢業于廣東工業大學電氣工程及其自動化專業。從事化工儀表及控制設計。聯系電話:13580479404，E－mail:g1250zjm@cnpc.com.cn。

2011－08－05)