WebField ECS-100 DCS在60Kt/a环己酮装置中的应用

一、 概述 环己酮是应用十分广泛的石油化工原料，一般依其应用可分为酰胺用和非酰胺用两大类。酰胺用环己酮主要用于生产己内酰胺（CPL）与己二酸；非酰胺环己酮主要作为有机溶剂使用，广泛应用在各种涂料、油漆、油墨及树脂溶剂和稀释剂，以及感光、磁性纪录材料涂布用溶剂等。 2005年中国石化南京化学工业有限公司新建一套60Kt/a环己酮装置。该装置采用环己烷空气氧化法工艺，以苯和氢气为原料，通过加氢反应制备成环己烷，并将环己烷氧化脱氢制得环己酮。该公司经研究决定选用WebField ECS-100控制系统对60Kt/a环己酮装置生产过程进行自动监控。 二、 主要工艺流程 60Kt/a环己酮装置采用环己烷空气氧化法工艺制取环己酮。其工艺流程框图如图1所示： 图1 60Kt/a环己酮装置主要工艺流程框图 2.1苯加氢 来自界外的新鲜氢气和脱氢工段的补充氢气在一定的温度和压力下与苯进行汽化，苯氢混合气体在列管反应器内迅速反应，转化为环己烷，同时放出大量热量。列管内填以氧化铝为载体的镍催化剂。 2.2 氧化 环己烷在五台氧化反应器内依次按序经过。在反应开始前，需要加入环烷酸钴和HEDP酯作引发剂。氧化反应正常后，加入HEDP酯作添加剂，使氧化产物主要停留在环己基过氧化氢阶段。随后进入分解系统，环己基过氧化氢在催化剂醋酸钴和氢氧化钠的碱性条件下分解为环己酮和环己醇，大量的环己烷经环己烷塔分离出醇酮后进行循环，环己烷单程转化率在5%(mol)以下。氧化反应器为导流筒式内循环反应器。 2.3醇酮精制 来自罐区的粗醇酮液经轻塔真空蒸馏，以降低残存在醇酮液中的低沸物；经酮塔减压蒸馏，进行环己酮、环己醇的分离；经醇塔真空蒸馏，以去除高沸点杂质，最后得到纯质的环己醇。 2.4脱氢 来自罐区的环己醇经预热、蒸发，转化后以气体方式进入脱氢反应器，在列管式反应器内反应，转化为醇酮液进入罐区贮存，而生成的氢气作为原料进入苯加氢工段参与反应。脱氢反应是吸热反应，所需的热量由导热油系统提供。 2.5 罐区 罐区贮罐为原料苯、产品环己酮、中间产品环己烷、环己醇和粗醇酮等罐组成。 三、控制系统总体设计 由于环己酮生产过程中存在高温、高压、易燃、易爆、易中毒等因素，是最典型和最危险的生产环境，因此在总体设计时必须考虑环己酮生产过程中对系统的基本要求：安全、可靠、稳定、快速动作，操作方便。根据环己酮的工艺要求，环己酮生产过程中自动控制的总体设计主要由浙江中控的WebField控制系统(DCS)和HONEYWELL专用的紧急停车系统（ESD）、氢气压缩机控制系统(PLC)组成，DCS与ESD之间通过网关卡FW244 采用RS232 Modbus协议采集数据，DCS与PLC（S7-300）通过网关卡FW244 采用RS485 Modbus协议采集数据，调度中心与控制中心的历史数据站之间通过信息网（MIS网），采用OPC通讯方式采集数据，通讯介质均采用屏蔽通讯电缆，本系统总体配置图如图2所示。 60Kt/a环己酮装置的WebField ECS-100控制系统由四个操作站、一个工程师站、两个控制站、一个历史数据站、七个外配柜和一套过程控制网络组成，涉及两个控制站共同使用的信号采用站间数据交换功能； 60Kt/a环己酮装置紧急停车系统采用ESD实现安全联锁和保护联锁。 环己酮装置存在工艺流程长，工序多，控制点多，设备对生产环境要求较高等诸多特点，特别是大规模连续生产，对工艺操作熟练程度、自动化设备全面性和实用性提出了更高的要求，同时原料和产品的易燃易爆有毒特性，对控制系统的可靠性和稳定性提出了更严格的要求，因此在生产过程中任一运行条件的不具备，均会降低产品的产量和质量，严重时会危及设备和人身安全，在总体设计中，我们必须考虑以下几点： 3.1安全实现 由于环己酮生产环境存在高温、高压、易燃、易爆、易中毒等因素，属于典型的危险场所，防止生产过程可能出现的跑、冒、滴、漏危及生产设备和人身安全，不仅在生产装置和工艺操作上要考虑安全性的设计，而且在自动化设备选择与控制方案设计时要考虑对意外事件的反应速度与有效解决方案，从而在硬软件上保证生产过程的安全。我们主要采取了以下安全措施：（1）控制系统与现场设备之间的模拟量采用安全栅进行隔离、开关量DI和DO均采用继电器进行隔离。（2）采用可燃气体检测设备和在线分析仪进行监视各类原料和生产过程。（3）采用了专用的紧急停车系统（ESD）实现安全联锁和保护联锁；（4）在软件设计时，对操作参数和操作行为进行了操作行为限制和屏蔽操作界面的设计，即不同级别的操作人员对应不同的操作界面并进行不同的动作。 图2 60Kt/a环己酮装置控制系统总体配置图 3. 2可靠运行 在正常操作中，如果系统不能进行准确地可靠动作，则会造成生产危险，特别是生产装置出现工况不正常时，则更需要控制系统准确、及时地进行可靠联锁动作，否则会造成停车和安全事故。主要采取了以下措施：（1）对关键现场设备我们设计选用了高质量、高精度的设备和部件，如在线氢/氧分析仪器、流量计、切断阀、继电器。（2）控制系统的主控卡、数据转发卡、关键卡件、系统电源、网络、系统供电等我们设计时采用了双重冗余措施。（3）紧急停车联锁系统采用软、硬结合的方式，操作人员既可操作辅助操作台上地按钮，又可操作计算机操作画面上的软按钮。 3. 3异构系统互联 随着网络应用的普及和深入，针对企业综合自动化的要求，人们不再满足于DCS应用只是局限于生产过程。在60Kt/a环己酮装置中，ECS-100系统采用多种接口与ESD等其它控制系统间进行了联接，接口的结构图如图3所示。 图3 ECS-100与异构系统的接口 ECS-100系统采用了OPC软件透过防火墙单向地与全厂MIS网进行联接，DCS与ESD之间通过网关卡FW244 采用RS232 Modbus协议进行联接，DCS与PLC（S7-300）通过网关卡FW244 采用RS485 Modbus协议进行联接。 3.4全面实用自动化 60Kt/a环己酮装置不仅采用了控制系统（DCS），而且采用了专用的紧急停车系统(ESD)对生产过程进行自动监控。本装置检测点多，在控制系统（DCS）实际使用点数为1568点；现场仪表设备多，检测变送测量装置364台、切断阀82台、气动调节阀143台、在线分析仪6台、受控电气设备160台、可燃气体检测设备64台；自控程度高，控制回路共有143个，以常规控制为主，有部分分程控制、比例控制、串级控制以及智能协调控制。系统规模如表1所示。 表1 60Kt/a环己酮装置I/O表 ECS-100系统采用了OPC软件透过防火墙单向地与全厂MIS网进行联接，DCS与ESD之间通过网关卡FW244 采用RS232 Modbus协议进行联接，DCS与PLC（S7-300）通过网关卡FW244 采用RS485 Modbus协议进行联接。 3.4全面实用自动化 60Kt/a环己酮装置不仅采用了控制系统（DCS），而且采用了专用的紧急停车系统(ESD)对生产过程进行自动监控。本装置检测点多，在控制系统（DCS）实际使用点数为1568点；现场仪表设备多，检测变送测量装置364台、切断阀82台、气动调节阀143台、在线分析仪6台、受控电气设备160台、可燃气体检测设备64台；自控程度高，控制回路共有143个，以常规控制为主，有部分分程控制、比例控制、串级控制以及智能协调控制。系统规模如表1所示。 表1 60Kt/a环己酮装置I/O表 图4 贫氧配制流程示意图 图5 贫氧智能协调控制框图 在图5中，智能协调控制器中主要包括贫氧控制器FIC200、协调规则库（如表2所示）、配比控制器KC200（K为比例系数）、空气控制器FYC201、中压氮气控制器FYC202，常规PID控制器为FIC201、FIC202，FV201、FV202为流量调节阀。在表2中，逻辑关系“→”表示动作顺序是从左至右，“←”表示动作顺序是从右至左。 表2 协调规则表 五、总结 本系统自2006年6月投运以来，不仅控制系统运行良好，通讯流畅，控制功能完全满足工艺要求，自动控制投运率高（在95％以上），主要具有以下几个特点： 1、控制系统设计可靠，具有详尽的事故判断及快速反映能力，对各种意外情况能进行正确、有效的处理，动作及时准确，对保护工艺装置以及安全效果起到了很好的作用； 2、控制系统与异构系统成功互联，通讯流畅，使用方便，为操作人员提供了操作方便，减少了劳动强度； 3、智能化程度高，故障诊断软件、紧急数据恢复软件不仅快速查找故障和恢复工艺数据，同时提高了仪表维护人员的工作效率和维护水平； 4、操作权限的设置即不同级别的操作人员对应不同的操作界面以及不同的操作内容，同时记录对应的操作行为，提高了企业管理水平； 由于该系统功能齐全、技术先进、安全可靠、使用方便、故障率较低，节约了大量的维护资金，创造了很好的经济效益和社会效益。 作者简介： 严建民（1964－），男，江苏省武进市人,现在中国石化南京化学工业有限公司工作，仪表车间主任，主要从事仪表现场维护管理、协助新建工程项目配套仪表和控制系统调试、开车。 通讯地址：南京市大厂 邮政编码：210048 通讯电话：025-57765648 传 真：025