石化企業(yè)過程控制系統(tǒng)及全生命周期管理

戴飛

（中國石化工程建設(shè)有限公司， 北京 100101）

隨著海外原油煉制量的增加，原油品位不斷下降，國內(nèi)石油化工企業(yè)的加工和煉制成本越來越高，為了節(jié)能降耗，提高裝置的利用率，通常采用過程控制系統(tǒng)對大型生產(chǎn)裝置（常減壓、催化裂化、加氫、延遲焦化等裝置）進(jìn)行優(yōu)化管理和控制，把控制節(jié)點(diǎn)落實(shí)在閥門、管件、法蘭等細(xì)節(jié)單元，避免裝置在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)邊界條件操作，以提高產(chǎn)品成功率，降低能耗。

1 過程控制系統(tǒng)簡述

目前，大部分對裝置及部件的調(diào)節(jié)和控制基本按照偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制，簡稱PID控制器，但隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，對產(chǎn)品的質(zhì)量條件和裝置的運(yùn)行參數(shù)之間的波動范圍要求越來越嚴(yán)，簡單易行的PID控制已不能滿足要求，主要表現(xiàn)在一方面PID的調(diào)節(jié)范圍過大，精細(xì)程度不夠，很難實(shí)現(xiàn)對邊界條件的處理，另一方面PID只能進(jìn)行單一變量的調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)多變量協(xié)同動作。

過程控制系統(tǒng)是指借助計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和可編程邏輯器等計(jì)算單元將生產(chǎn)能力控制在一個最佳狀態(tài)，該技術(shù)綜合了軟件建模、多因素評估判別、軟測量技術(shù)等，可以對不同的裝置及單元進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)多變量協(xié)同動作，減少非常規(guī)啟停等操作對過程變量的影響，保證產(chǎn)品質(zhì)量的連續(xù)性和均勻性，主要包括DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。從1960年開始，Richalet和Culter等人首次提出了過程控制概念，并在航空航天、精細(xì)化工等領(lǐng)域取得應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜工況條件下的應(yīng)用案例。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家已普遍應(yīng)用了過程控制系統(tǒng)，美國已實(shí)現(xiàn)了90%的覆蓋率。

(1)ExxonMobil公司在所屬的化工廠安裝了20套過程控制系統(tǒng)，通過技術(shù)革新，建立了自己的運(yùn)行及維護(hù)保養(yǎng)隊(duì)伍，產(chǎn)品成功率提高了1%-3%；

(2)Dow化學(xué)工程公司在全球范圍內(nèi)的乙烯產(chǎn)品裝置上安裝了15套過程控制系統(tǒng)，4年內(nèi)累計(jì)增加產(chǎn)值1.72億美元；

(3)BP石油公司在新建和已建的煉油廠、化工廠安裝了過程控制系統(tǒng)，主要包括芳烴裝置、PP裝置、PE裝置和PTA裝置等，并在系統(tǒng)維護(hù)方面開發(fā)了能耗自動測試軟件，用于控制系統(tǒng)的反饋和持續(xù)改進(jìn)。

目前，過程控制系統(tǒng)在國內(nèi)石化企業(yè)有了部分應(yīng)用，中國石油在大慶、遼河、長慶、呼和浩特等地的煉油裝置上進(jìn)行了試點(diǎn)，已建80余套，實(shí)施后，煉油裝置工藝參數(shù)波動的均方差降低15%-20%，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)定目標(biāo)值的多參數(shù)協(xié)同操作。中國石化的過程控制系統(tǒng)主要集中應(yīng)用在催化裂化、催化處理、石油精制、脫硫提純等工藝，目前應(yīng)用了350余套，應(yīng)用后，煉油裝置平均每套產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益582萬元，化工裝置平均每套產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益365萬元，主工藝的產(chǎn)品成功率提高0.8%-1%，如延遲焦化裝置實(shí)施后，輕質(zhì)油回收率提高了1.5%；中海油在惠州、湛江、海口等地的PE項(xiàng)目也應(yīng)用了該系統(tǒng)，可有效降低加熱爐的排煙溫度和過?？諝庀禂?shù)，提高能源一次利用率，主裝置的運(yùn)行能耗降低0.7%以上，附加產(chǎn)品的回收率提高了0.5%，年節(jié)約運(yùn)行成本450萬元。

3 全生命周期管理

石油化工裝置按照功能一般分為主產(chǎn)品生產(chǎn)裝置、配套公用設(shè)施、原料設(shè)備區(qū)和廢水、廢氣、廢渣處理裝置等，其中絕大部分裝置及生產(chǎn)區(qū)域?qū)儆诟邷馗邏?、毒性、易燃易爆場所，因此采用過程控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化管理尤為重要。過程控制系統(tǒng)的全生命周期管理是指從初步設(shè)計(jì)、儀表選型、組態(tài)模擬、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、升級改造、廢棄停用等方面進(jìn)行全過程管理。

3.1 設(shè)計(jì)、選型階段

該階段主要依照國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，如GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 21109-2007《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》、SH/T 3092-2013《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

對于已建工程，設(shè)計(jì)和選型首先要滿足當(dāng)前設(shè)備裝置的需求并充分考慮預(yù)留，一般按照10%-20%進(jìn)行預(yù)留端口；其次，要充分考慮不同系統(tǒng)之間接口的兼容性，保證服務(wù)器向下具有絕對兼容性；最后，要求同一控制回路的I/O點(diǎn)位盡量放置在同一控制器卡槽中，減少不同工控系統(tǒng)之間的傳輸量和交互作用，保證單一系統(tǒng)的絕對封閉性，不同系統(tǒng)和接地系統(tǒng)之間進(jìn)行有效的電氣隔離。

具體措施如下：(1)將設(shè)備按照重要程度進(jìn)行分級管理，分別采用雙電源雙母線、雙電源單母線或單電源單母線進(jìn)行供電，并不斷進(jìn)行供電可靠性校核；(2)注意控制系統(tǒng)的防雷、接地與電氣等線路的搭接，在壓力變送器和引壓管之間安裝絕緣卡套，在接地線與接地體之間安裝固態(tài)去耦合器或火花間隙等裝置；(3)控制系統(tǒng)的接地電阻滿足規(guī)范要求，不大于4Ω，在機(jī)柜房間設(shè)置防靜電裝置，釋放人體所帶靜電；(4)進(jìn)行GPS時(shí)鐘同步，為非正常停車時(shí)間提供技術(shù)保障。

3.2 組態(tài)模擬、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)階段

該階段在室內(nèi)裝修、機(jī)柜安裝等工序結(jié)束后進(jìn)行，應(yīng)保證室內(nèi)溫度、濕度及清潔度滿足規(guī)范的要求，組態(tài)模擬應(yīng)滿足功能邏輯圖和因果圖，可選用Wonderware、Simulink等組態(tài)軟件。組態(tài)應(yīng)包括組態(tài)檢查、提供標(biāo)準(zhǔn)模塊、組態(tài)管理、仿真和測試等相關(guān)功能。此外，組態(tài)模擬的過程盡量不要進(jìn)行大范圍的在線安裝和修改，如確實(shí)需要進(jìn)行在線調(diào)試，應(yīng)進(jìn)行本地和云端的雙備份處理。

在系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中，安全、可靠的接地設(shè)置是保證整個系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，現(xiàn)在大型石化廠區(qū)一般推薦采用聯(lián)合接地方式，即保護(hù)接地、工作接地、控制接地、防雷接地聯(lián)用。應(yīng)注意：室內(nèi)需要接地的各金屬構(gòu)筑物需要先接到各自的接地銅排，然后再連接到接地支線，最后匯集到接地總線；所有金屬構(gòu)筑物需要進(jìn)行等電位連接，連接導(dǎo)線橫截面積不應(yīng)小于4mm2，宜選用多股絕緣銅芯電纜進(jìn)行安裝；不同系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)選用最小值，且不大于4Ω。

安裝調(diào)試分為兩部分，試運(yùn)行和現(xiàn)場驗(yàn)收，試運(yùn)行是為了檢驗(yàn)電氣儀表設(shè)備和軟件的匹配合規(guī)程度，現(xiàn)場驗(yàn)收是為了正式開車前的最后準(zhǔn)備，包括軟硬件上電檢查、單一系統(tǒng)上電檢查、聯(lián)合系統(tǒng)上電檢查、聯(lián)鎖控制與調(diào)試等，要保證整個上電過程的安全，對于其中出現(xiàn)的短路、斷路等問題，應(yīng)檢查各控制回路與直流供電電源之間的絕緣性，檢查保護(hù)絕緣接頭的電火花間隙或用鉗形電流表測試一次儀表有無電流流過，按照以下順序進(jìn)行逐一上電：配電間、不間斷電源、控制系統(tǒng)總電源、卡槽等，且應(yīng)保證先將一路母線上電后，確保其余設(shè)備無故障出現(xiàn)再上另一路母線。

3.3 運(yùn)行維護(hù)階段

加強(qiáng)石油化工裝置的安全運(yùn)行同樣重要，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，60%以上的現(xiàn)場事故是由于運(yùn)行過程中維護(hù)維修不到位、不及時(shí)造成的。

首先，建立健全質(zhì)量管理體系，按照GB/T 19001-2016《質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 24001-2016《環(huán)境管理體系標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 28001-2011《職業(yè)健康安全管理體標(biāo)準(zhǔn)》要求編制質(zhì)量手冊、程序文件、作業(yè)文件，對有毒性、可燃?xì)怏w場所實(shí)施單獨(dú)管理，按照要求配備安全管理人員，定期定時(shí)對設(shè)備進(jìn)行巡檢；其次，改善系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，保證機(jī)柜和操作空間的環(huán)境適宜，無油污、振動及電磁干擾等現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)記錄在案，在維護(hù)維修的過程中，可充分結(jié)合現(xiàn)場工況條件，應(yīng)用層次分析法、模糊判別法、支持向量機(jī)等綜合評價(jià)方法對備選方案進(jìn)行客觀性評價(jià)，加大預(yù)防性維修的比例，把事后處理變?yōu)槭虑疤幚怼?/p>

對于年度檢修項(xiàng)目，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：對系統(tǒng)軟件進(jìn)行全面排查，對硬件的冗余設(shè)備先進(jìn)行安全措施隔離，再針對正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行自動或人工切換，保證單一設(shè)備和切換功能完好，對不間斷電源、接地等系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，確保極端條件下系統(tǒng)的可用性；對抽樣的系統(tǒng)卡槽和卡件進(jìn)行100%檢查，如合格率低于95%，則進(jìn)行雙倍復(fù)檢。

3.4 廢棄停用階段

石化裝置由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、聯(lián)鎖控制較多，一般的壽命為8年左右，此時(shí)系統(tǒng)的硬件開始老化，軟件系統(tǒng)無法適應(yīng)新工況的要求，同時(shí)很多備件的供應(yīng)受到影響，因此需要技術(shù)人員對控制系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)的升級改造，如無法升級，則進(jìn)行后評價(jià)后廢棄處置。

4 結(jié)束語

通過國內(nèi)外對過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，得到實(shí)施過程控制管理是實(shí)現(xiàn)石油石化企業(yè)工廠化、自動化、智能化的重要方法，應(yīng)貫穿在項(xiàng)目的整個生命周期內(nèi)實(shí)施，針對系統(tǒng)提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)將新建系統(tǒng)和已建系統(tǒng)納入總部監(jiān)控，提供獨(dú)立的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)支持，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行；

(2)從管理層面對影響過程控制系統(tǒng)的因素進(jìn)行總結(jié)，從工況條件、控制水平、實(shí)施方法、維護(hù)機(jī)制等五個方面進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)PDCA閉環(huán)控制；

(3)關(guān)注日常巡檢過程，對巡檢中的內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不斷完善，從大量的巡檢數(shù)據(jù)中尋找故障工況參數(shù)，并進(jìn)行分析處理。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 區(qū)和堅(jiān). 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全研究綜述[J].自動化儀表，2017，38(7)：4-8.

[2] 劉安琪，王效天，董梅. DCS與SIS在功能安全領(lǐng)域的對比分析[J].石油化工自動化，2017，53(2)：34-37.

[3] 陳偉良. 開放的過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用展望[J].石油化工自動化，2019，55(6)：21-24.