煉廠催化氧化裝置監控系統設計

劉 偉，戴金玲

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煉廠催化氧化裝置監控系統設計

劉 偉，戴金玲

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

介紹了以現場傳感器、和利時DCS控制系統和控制設備組成的煉油廠催化氧化裝置自動控制系統，在中心控制室內實現對整個裝置的集中監視、管理、自動控制，并可實現遠程手動操作，本系統使用可靠穩定，提高了煉油廠的自動化生產水平，應用該系統的催化氧化裝置可大幅提高揮發性有機物(VOCs)的排放標準。

催化氧化；VOCs；自動化；DCS

隨著全球環保意識的增強，國家對工業廢氣的排放標準也越發嚴格，VOCs不但對廠內職工的人身健康造成嚴重影響，而且對廠區附近的居民身心也構成一定的威脅，社會影響反映十分強烈，因此必須治理。近幾年國內石化企業雖然增上了許多環保裝置，也起到一定的效果，但2017年7月1日起執行標準規定環境承載能力較弱，容易發生嚴重大氣環境污染的地方，執行大氣污染物特別排放限值，有機廢氣排放口非甲烷總烴去除率大于97%或小于120 mg/m3，廢水處理有機廢氣收集處理裝置，苯小于4 mg/m3，甲苯小于15 mg/m3，二甲苯小于20 mg/m3。中國石化撫順石油化工研究院在國內廢氣治理領域有豐富的經驗，尤其是自主研發催化氧化技術在廢氣處理方面一直處于國內領先地位，受到眾多業主的高度評價，其處理效果完全達到新標準的要求，應用前景十分廣闊。

本文重點論述了整套催化氧化裝置控制系統的設計，以和利時的DCS控制系統為核心，現場傳感器采集的數據通過現場總線及以太網實現數據通訊［1］，在控制系統的主控制器中經過邏輯運算，輸出控制調節閥及動設備，達到催化氧化裝置對廢氣處理的工藝要求，從而實現達標排放［2］。

1 催化氧化裝置的工藝流程

廢氣經過稀釋后，進入催化氧化組合反應器，組合反應器包括換熱器、加熱器、催化氧化反應器三個主要設備。廢氣中的有機物經過加熱后,達到催化氧化反應溫度并在催化劑作用下,與氧氣發生氧化反應，生成H2O和CO2，并釋放出反應熱［3］。反應后的氣體通過換熱器換熱后,經排氣筒排放到大氣中。除了上述主要設備外還由廢氣進氣開關閥、廢氣排空開關閥、風機入口空氣調節閥、風機出口壓力變送器、流量變送器、可燃氣報警器等儀器儀表組成，催化氧化裝置的工藝流程圖如下圖1所示。

圖1 催化氧化工藝流程

2 控制系統的硬件選型及軟件設計

2.1 控制系統的硬件組成

本系統DCS采用和利時公司的產品， 控制系統主要包括主控制器模塊、電源模塊、輸入輸出模塊、機籠模塊、端子模塊等，具體規格型號如表1所示。

表1 DCS硬件規格及功能

另外還有其它的模塊，如數字量輸入模塊，型號為SM610，16通道觸點型開關量輸入模塊，從現場輸入16路干接點開關量信號; 數字量輸出模塊，型號為SM710，8通道繼電器隔離輸出模塊，從主站接受上位機的指令，驅動繼電器動作，輸出8路開關量信號。

2.2 控制系統的程序及組態畫面設計

2.2.1 催化氧化自動開車程序設計

現場工藝流程滿足開車條件后，本裝置可在操作室內實現一鍵式啟停，開工過程如下:按操作屏幕中“催化氧化啟動”軟按鈕，首先判斷可燃氣報警器濃度小于爆炸下限， 若否，則退出裝置啟動程序；若是，則啟動催化風機引入空氣；

判斷壓力是否大于低低限，若否，則退出裝置啟動程序；若是，則啟動延時定時器。判斷定時器時間（設定時間：10~30 min）到否。若否，則等待；若是，則判斷反應器出口是否小于1/℃，若否，則等待；若是，則啟動電加熱器升溫；繼續判斷反應器出口是否大于2/℃，若否，則等待；若是，則開啟廢氣進氣切斷閥，保持風機入口空氣調節閥門開啟狀態；此時裝置自動開工過程結束，進入正常運行狀態［4］。

2.2.2 催化氧化自動停車程序設計

裝置正常停工時按操作屏幕中“催化氧化停車”軟按鈕，開啟空氣進裝置氣動調節閥；關閉廢氣進裝置氣切斷閥、停止電加熱器；

當反應器出口溫度小于3/℃時，停止催化風機，此時裝置自動停車過程結束，整個開車和停車的過程無需人工干預，實現一鍵式啟停。

2.2.3 催化氧化聯鎖停車設計

當裝置處于非正常工況時， 要求系統具有報警和聯鎖保護功能，當控制指標超過高限值時，系統發出聲光報警信號；當催化氧化反應器入口/出口溫度、廢氣中可燃氣體濃度超高高限、催化風機出口壓力小于低低限以及催化風機故障、電加熱器故障、電加熱器超溫時，裝置進入聯鎖保護狀態，確保裝置安全穩定運行（圖2）。

圖2 催化氧化自動開工流程

每個聯鎖條件均需設置聯鎖旁路，以便于儀表維護，具體連鎖信號，聯鎖值及聯鎖動作如表2所示。

2.2.4 上位機組態畫面設計

目前石油化工系統占據市場份額較大的兩家組態廠家為浙大中控和和利時，尤其是和利時的MAC6組態軟件，各種功能模塊簡單實用，操作靈活，可讀性和可移植性較強。在控制系統操作界面中設有流程、主要控制參數、歷史趨勢、報警記錄和聯鎖等畫面。操作界面中還設有“催化氧化啟動”、“催化氧化停車”等功能按鈕；操作人員可在操作界面上對裝置工藝過程進行監視和修改控制參數（圖3）［5］。

圖3 催化氧化自動停工流程

表2 聯鎖條件及聯鎖動作對應關系

組態畫面完整的展示了催化氧化裝置的工藝流程，可直觀體現出裝置的主要設備及儀表的組成，畫面可顯示泵、開關閥和電加熱器的狀態，風機出口管道內的壓力、溫度和流量，電加熱器本身的溫度，反應器進出口的溫度。本裝置有兩個重要的控制點，一是反應器的進口溫度，進口溫度在達到300~400 ℃，可保證廢氣中的非甲烷總烴去除率，出口溫度最初需要電加熱器供熱，當反應器內反應放出的熱量可維持自身的反應時，電加熱器的輸出就會減小甚至關閉，達到節能減排的效果。另一個重要的控制點是反應器的出口溫度控制，出口溫度點與風機入口的空氣調節閥關聯，在保證廢氣入口的非甲烷總烴可以進入本裝置內后，當反應器出口溫度升高，說明廢氣進催化氧化裝置的濃度升高，因此需要開大空氣調節閥的開度來稀釋廢氣濃度，保證出口的溫度在可控范圍內; 反之，當反應器出口溫度降低，說明進催化氧化裝置的廢氣濃度低，需減小空氣調節閥的開度來保證反應器進出口的溫升，兩處均屬于溫度控制點，存在滯后性，因此PID參數的整定與投用需按不同工況設定(圖4)［6］。

圖4 催化氧化主流程組態畫面

3 工業應用

2014年投用的北京燕山橡膠廠催化氧化廢氣治理裝置，凈化氣中的非甲烷總烴去除率≥99%，出口非甲烷總烴濃度≤20 mg/m3，而且利用反應熱產生0.8 MPa(G)飽和蒸汽1.42 t/h，在廢氣深度治理的同時，創造了一定的經濟效益。

2017年投用的滄州催化氧化污水處理廠廢氣治理裝置，廢氣凈化后非甲烷總烴去除率98%以上，出口非甲烷總烴濃度≤50 mg/ m3，硫化氫：≤1 mg/ m3，排放速率≤0.33 kg/h，有機硫化物：≤1 mg/ m3（甲硫醇≤0.04 kg/h；甲硫醚≤0.33 kg/h；二甲二硫醚≤0.43 kg/h，苯＜4 mg/ m3； 甲苯＜15 mg/m3； 二甲苯＜20 mg/ m3，滿足國家GB31570-2015《石油煉制工業污染物排放標準》、GB31571-2015《石油化學工業污染物排放標準》，以及河北省DB 13/ 2322-2016《工業企業揮發性有機物排放控制標準》要求。本技術已在中國石化北京燕山分公司、滄州分公司、濟南分公司、鎮海煉化分公司及中國石油烏魯木齊石化分公司、華北石化分公司等煉化企業得到成功應用，廢氣經處理后，非甲烷總烴等的去除率在97%以上，凈化氣體符合國家和地方的相關排放標準。

4 結束語

撫順石油化工研究院開發的有機廢氣催化氧化治理技術，裝置投資合理、結構簡單、操作彈性大、操作費用小、安全可靠、無二次污染。在能量回收上，通過反應器進出口氣體換熱，可以使反應系統能量自給，正常操作情況下，不需外加熱源，同時控制系統功能強大，可實時監測或修改工藝參數，提高煉油廠的工作效率，保證催化氧化裝置的穩定運行。

［1］陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M]. 北京:清華大學出版社,2008.

［2］汪涵，郭桂悅．揮發性有機廢氣治理技術的現狀與進展[Ｊ]．化工進展，2009,28(10):1833-1834.

［3］M S．Kamal， S．A．Razzak，M．M．Hossain．Catalytic oxidation of volatile organic compounds (VOCs)-A review[J].Atmospheric Environment， 2016(140)：117-134．

［4］陳玉香，劉忠生，王新，王海波．石化污水處理場廢氣催化燃燒處 理工業應用[J].當代化工，2006(35)：425-428．

［5］劉永斌，程俊梅，程彬彬．催化燃燒技術在煉油污水處理場惡臭治 理中的應用[J].煉油技術與工程，2011(41)：54-57．

［6］薛定字．反饋控制系統設計與分析[M]．北京：清華大學出版社，2000:245- 288

Design of Monitoring System for Catalytic Oxidation Unit in a Refinery

,

（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China）

The catalytic oxidation unit automatic control system made up of field sensors,Hollysys DCS control system and control devices in a oil refinery was introduced. Centralized monitoring and management of the entire unit, automatic control, and remote manual operation can be realized in the central control room. This system is reliable and stable. It has improved the automation level of the oil refinery; the catalytic oxidation unit with this system can significantly improve the volatile organic compounds (VOCs) emission standards.

Catalytic oxidation; VOCs;Automation; DCS

TE 624

A

1671-0460（2017）10-2156-03

2017-10-10

劉偉（1986-），男，遼寧省丹東市人，碩士學位，2013年畢業于遼寧石油化工大學控制理論與控制工程專業，研究方向：儀表自動化控制。E-mail：361074471@163.com。