杭州盈控 DCS在煤化工行业1,4-丁二醇项目中的应用

一、 项目背景
杭州盈控可为煤化工行业提供完备的解决方案。1,4-丁二醇项目是国内目前投产最大BDO生产装置。杭州盈控负责该项目装置控制系统（DCS）部分的设计及实施，凭借高品质，高性能的产品以及高效优质的服务，杭州盈控成功完成了项目的设计及实施，系统投运后平稳可靠，赢得了用户认可和一致好评。

二、项目配置
该项目采用杭州盈控Highlight 高性能控制系统，项目采用交换机组成冗余光纤环网，并配置环间冗余耦合，整个项目配置图及网络结构如下：

             项目配置图及网络结构

三、工艺介绍
Reppe法生产BDO工艺主要分为两步，第一步为炔化反应生成丁炔二醇，该生产的流程如下：
 
炔化反应生产流程图

其主要反应方程式为：
 

由乙炔发生工段产生的粗乙炔首先经过乙炔清净装置，除去乙炔气中的杂质（磷化氢，硫化氢）等，以防止炔化催化剂中毒。粗乙炔首先经乙炔入口压缩机进行乙炔加压，然后进入水洗塔中，水洗后进入硫酸塔，硫酸浓度为89%左右，主要除去磷化氢，硫化氢，酸洗后，乙炔气流入碱塔，碱液为1.5-4.5%NaOH溶液，碱洗进一步脱除乙炔中的硫化氢和气体中的酸雾。

炔化反应是乙炔气和甲醛水溶液（45%甲醛溶液）在粉末状的铜-铋催化剂的作用下，在三级连续搅动的反应器中反应生成丁炔二醇（BYD）,反应后的甲醛浓度降至0.7%左右，从反应器中采出的产品中含有BYD,甲醇，丙炔醇等水溶液依次通过丁炔二醇汽提塔，甲醛气提塔，甲醇塔，丙炔醇塔将其分离。
第二步为丁炔二醇加氢反应及BDO精馏，该流程如下：
 
         加氢反应生产流程图

含量35%的BYD软化水溶液与用钼处理的镍催化剂在催化剂浆液槽中搅拌混合成浆液由低压加氢泵输送至六个低压加氢反应器，氢气和BYD在反应器中充分接触，还原反应发生在镍催化剂的表面，加氢反应使BYD转化生成BDO产品，该反应为放热反应，通过内置盘管通入循环冷却水使反应温度控制在55-65度，氢气压力保持在1.8-2.1Mpa，低压加氢能使BYD转化成BDO的转化率达到90-95%，进一步在高压加氢反应器（15-20MPa）中反应后进入BDO精馏单元，进入精馏单元的的丁二醇为含水65%的丁二醇水溶液及来自反应的杂质（包括轻，重组分）。因此，丁二醇精馏的主要作用是从有机杂质中分离所需的1,4丁二醇，并回收副产品。

四、控制方案

1. 乙炔气自动补氮控制
 

如图，在乙炔净化工段，要保持乙炔气在一定的压力，当乙炔压力低时，乙炔气中进入空气会对后续的反应安全及催化剂造成影响，所以当乙炔气压力低于低低限时需要打开氮气进气阀门，关闭排空阀给乙炔气增压，当压力高于设定值时，关闭氮气进气阀，打开排空阀，进入正常反应，画面上设置一个联锁投入开关，当联锁开关投入时，程序自动控制补压程序，当联锁开关切除时，操作员需手动控制阀门以保持乙炔气压力。
2．炔化反应器温度控制
 

正常反应时，炔化反应器的温度必须稳定在工艺要求在范围内，反应器的温度稳定对丁炔二醇的生成特别重要，项目中采用串级加分程的方式控制反应器的温度，反应器的温度控制作为主环，夹套温度控制作为副环，副环的控制输出通过分程曲线控制两个阀门，两个阀门为一个热水阀，一个冷水阀，其控制程序如下：

3.浓缩过滤器及采出控制
浓缩过滤器将丁炔二醇和催化剂浆液分离，正常生产时要求丁炔二醇和催化剂浆液的流量满足一定的比例，方案中通过丁炔二醇的流量乘以比值系数作为催化剂浆液流量的设定值，浓缩过滤器是非常关键的设备，设备保护联锁，例如转速保护，温度压力保护等需要在DCS上实现。
 

4 加氢反应联锁控制
902工段加氢反应是高温高压反应，为保证系统安全运行，工艺联锁比较复杂，Winmation
不但根据工艺包为用户设计了完善的联锁程序，而且为用户设计了非常人性化的流程图画面，在流程画面上用户可以清楚的看到联锁原理，可以看到联锁条件的变化并可以方便的进行联锁的相关操作，具体联锁图如下：
 

 
5. 甲醛装置
 
该项中甲醛生产采用瑞典Perstorp Formox生产工艺，该工艺非常成熟，其设计自动化程度很高，所以程序联锁比较复杂，复杂回路较多。工艺联锁主要包括风机联锁，甲醇加料联锁，安全系统联锁及尾气处理联锁。复杂回路主要包括甲醇进料阀与氧气含量的联锁控制，甲醛采出的浓度控制，甲醇氧化塔顶压力与反应器温度曲线控制及反应器温度联锁条件计算等。甲醛风机是甲醛生产中空气供给及工艺气循环的重要设备，共有四台风机，两台加压风机，两台循环风机，甲醛风机联锁主要分为两部分，第一部分为风机设备联锁，当风机的转子温度高，轴承温度高，循环油泵停止时，需要停止风机，第二部分为工艺联锁，当吸收塔的温度高，反应器的温度高，尾气处理温度高，安全系统联锁动作等需要停止风机，当有任意一台风机停止时需要停止所有风机，由于风机联锁条件很多，所有联锁条件需要做首触，首触条件要在画面上显示，便于工作人员判断联锁条件，其联锁逻辑图如下
 

五、第三方设备集成及工厂信息系统解决方案
在大型化工装置中，大量的第三方设备数据需要进入DCS进行统一管理，Winmation Highlight 控制系统提供广泛的通讯协议支持，系统支持常用的Modbus , Profibus, Hart，Can等常用总线协议，在该项目中Highlight 系统通过Modbus 及Profibus协议集成了总共12个第三方设备，其中包括脱离子单元、ESD、多路温度转换器、空压站、氮压站、原水站、冷冻站等设备。杭州盈控为用户提供完整的工厂信息解决方案，系统通过OPC Sever 以以太网方式将数据传输至Winmation数据管理系统WINMAS软件，WINMAS软件可以通过WEB方式发布数据和流程图，管理层可以通过IE浏览器浏览工厂生产相关数据。

该项目的成功实施是杭州盈控秉持深植中国 共赢未来的理念，致力于为用户提供最理想的控制系统，最完善的解决方案的又一个重要体现。杭州盈控将凭借雄厚实力继续为中国客户在实现智慧、绿色、安全的可持续发展进程中提供全方位的支持。

本文第一作者：刘国民，现为Winmation工程部项目工程师。