延遲焦化過程間歇操作順序控制系統(tǒng)開發(fā)

唐玉玲

(中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來，全球重質(zhì)(超重質(zhì))原油的產(chǎn)量逐漸增加而輕質(zhì)原油的產(chǎn)量逐年下降。重油加工已經(jīng)成為提高煉油企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、規(guī)避石油資源風(fēng)險(xiǎn)的重要戰(zhàn)略措施［1］。延遲焦化能夠處理重質(zhì)原油以及煉油企業(yè)的各種殘?jiān)锪?，被稱為煉油企業(yè)的“垃圾桶”或“回收站”［2－3］，在煉油企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，成為國內(nèi)外煉油廠進(jìn)行重質(zhì)油加工的主要手段。截至2009年，我國延遲焦化處理能力已經(jīng)達(dá)到75 Mt/a左右;其處理能力占原油加工能力比例的10%以上，居全球第2位［4］。延遲焦化流程是一個(gè)典型的連續(xù)/間歇過程［5］，控制功能復(fù)雜［6］，其控制問題得到了研究者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)［7］～［8］針對其間歇特性進(jìn)行控制策略研究，但并未涉及間歇操作的控制問題。延遲焦化連續(xù)過程采用分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)，間歇操作主要采用手動(dòng)操作方式。手動(dòng)操作導(dǎo)致效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)行人員的誤操作極易引發(fā)重大安全事故。

近年來，順序控制思想逐漸引入到焦炭塔的間歇操作過程。該思想提高了流程的自動(dòng)化水平并確保了操作的正確性［9－11］。目前，順序控制裝置一般采用安全儀表系統(tǒng)(safety instrumentation system，SIS)［10－11］或可編程控制器(programmable logic controller，PLC)。

目前，延遲焦化間歇操作過程順序控制系統(tǒng)投運(yùn)臺套數(shù)少，其設(shè)計(jì)理念以及系統(tǒng)平臺都需要進(jìn)一步完善。本文設(shè)計(jì)了基于PLC的順序控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)方法、軟硬件平臺設(shè)計(jì)等問題。

1 延遲焦化流程

1.1 延遲焦化的間歇操作特性

煉油廠配置的典型延遲焦化采用“兩塔一爐”的結(jié)構(gòu)，其流程簡圖如圖1所示。

圖1 延遲焦化工藝流程簡圖Fig.1 Process flow of delayed coking

延遲焦化實(shí)質(zhì)上是一個(gè)深度熱裂化熱加工過程，它利用熱作用使渣油等原料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到加工目的。渣油經(jīng)過熱加工處理，可以使低價(jià)值的重質(zhì)油轉(zhuǎn)化成高價(jià)值的輕質(zhì)油。

延遲焦化的生產(chǎn)流程如下:①原料油和循環(huán)油從主分餾塔底抽出，用熱油泵送到加熱爐，最后被快速升溫至約490℃。②經(jīng)過四通閥進(jìn)入焦炭塔底部。在焦炭塔內(nèi)，原料油和循環(huán)油中蠟油以上餾分由于高溫和長時(shí)間停留而發(fā)生裂解、縮合等反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為輕烴和焦炭。③焦炭聚結(jié)在焦炭塔內(nèi)，而反應(yīng)產(chǎn)生的油氣自焦炭塔塔頂部溢出并進(jìn)入主分餾塔，與原料油換熱后，依次分割出焦化富氣、粗汽油、粗柴油、蠟油和循環(huán)油。

按照延遲焦化的工藝特點(diǎn)，將“兩塔一爐”的生產(chǎn)流程細(xì)分成20個(gè)步序，其界面如圖2所示。2-A/2-B焦炭塔的操作相互輪流切換。當(dāng)2-B焦炭塔處于生焦階段時(shí)，2-A焦炭塔進(jìn)行除焦和生焦準(zhǔn)備，即執(zhí)行小吹汽、大吹汽、給水、放水、除焦、趕空氣、試壓、泄壓、引油氣預(yù)熱等操作。

圖2 間歇操作步序圖Fig.2 Intermittent operation process chart

1.2 順序控制思想

焦炭塔的步序切換為間歇操作，而每個(gè)步序內(nèi)的執(zhí)行屬于連續(xù)生產(chǎn)過程。焦炭塔需要進(jìn)行頻繁間歇操作，且每個(gè)步序又包含多個(gè)子步序。若采用傳統(tǒng)的人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作人員誤操作極易引發(fā)重大事故。引入順序控制思想可以較好地解決焦炭塔的間歇(步進(jìn))操作問題，且通過嚴(yán)格的聯(lián)鎖保護(hù)能進(jìn)一步確保步序切換的安全性。延遲焦化流程的連續(xù)過程由DCS控制，采用常規(guī)PID或先進(jìn)控制策略;而間歇過程采用順序控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本文主要介紹了基于PLC的順序控制系統(tǒng)。采用順序控制系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮DCS和PLC這兩類控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，且能將順序控制系統(tǒng)對原系統(tǒng)的干擾降到最小，保證了工藝過程的安全性。DCS與PLC之間通過數(shù)字通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)及信息共享。

2 順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 本系統(tǒng)的關(guān)鍵理念

本文針對中石化某煉油廠“兩塔一爐”焦化工藝，設(shè)計(jì)相應(yīng)的順序控制系統(tǒng)。順序控制系統(tǒng)的操作過程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)操作過程示意圖Fig.4 Operation procedures of system

從任意步序n開始，先進(jìn)入子步序1。每個(gè)子步序根據(jù)預(yù)設(shè)控制邏輯以及系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的控制動(dòng)作。動(dòng)作主要包括:閥門的“允開”/“允關(guān)”、閥門“氣源開”、通過指示燈提示閥門狀態(tài)。外操人員根據(jù)閥門的操作提示進(jìn)行現(xiàn)場操作?，F(xiàn)場操作主要包括:現(xiàn)場閥門旋鈕的“開”、“關(guān)”、“?！辈僮饕约巴獠俅_認(rèn)盤確認(rèn)按鈕的操作。當(dāng)滿足子步序1的切換條件時(shí)，程序切換到子步序2。按照此方式程序持續(xù)進(jìn)行，直到切換到步序n的最后一個(gè)子步序m。若滿足子步序m的切換條件，則順序控制系統(tǒng)步進(jìn)到步序(n+1)。

需要說明的是:若n=20，發(fā)生步進(jìn)時(shí)進(jìn)入步序1，實(shí)現(xiàn)“兩塔一爐”焦化工藝20個(gè)步序的循環(huán)。本系統(tǒng)采用內(nèi)外操結(jié)合的方式，一方面延續(xù)了傳統(tǒng)的手動(dòng)操作習(xí)慣，便于系統(tǒng)實(shí)施;另一方面，系統(tǒng)通過順控聯(lián)鎖確保了每一步(包括子步序)操作的正確性。

順序控制系統(tǒng)輸出“氣源開”信號控制氣動(dòng)閥的總氣源，“允開”/“允關(guān)”信號與現(xiàn)場操作旋鈕“串聯(lián)”(“與”運(yùn)算)。當(dāng)“允開”信號為“1”且現(xiàn)場操作旋鈕旋至“開”位時(shí)，氣動(dòng)頭帶動(dòng)閥門開。與此類似，當(dāng)“允關(guān)”信號為“1”且現(xiàn)場操作旋鈕旋至“關(guān)”位時(shí)，氣動(dòng)頭帶動(dòng)閥門關(guān)。當(dāng)閥門“開到位”/“關(guān)到位”信號返回時(shí)，控制系統(tǒng)將“允開”/“允關(guān)”信號置位“0”且關(guān)閉總氣源。綜合上述分析可知，只有在閥門允許動(dòng)作(由預(yù)設(shè)邏輯決定)狀態(tài)下外操人員的操作才有效;否則，外操作動(dòng)作無效。

順控系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖策略如圖5所示。

圖5 安全聯(lián)鎖策略Fig.5 Strategy of safety interlock

安全聯(lián)鎖策略能實(shí)現(xiàn)延遲焦化間歇操作的安全聯(lián)鎖，防止事故的發(fā)生。為了提示外操人員，該策略還設(shè)置了指示燈。需要說明的是:“允開”和“開到位”采用同一指示燈，“允開”時(shí)指示燈閃爍，“開到位”時(shí)指示燈常亮。

采用圖4、圖5所示策略實(shí)現(xiàn)了順序控制系統(tǒng)的順序控制及安全聯(lián)鎖兩大核心功能。為了適應(yīng)延遲焦化流程的各種工況，本系統(tǒng)設(shè)置了以下3種控制模式。

①自動(dòng)順序控制。這是焦化流程正常工況下控制系統(tǒng)的工作模式。在此模式下，順序控制系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的控制邏輯，自動(dòng)完成焦化流程的順序控制及安全聯(lián)鎖。

②順控暫停。在實(shí)際過程中，檢測部件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障(例如，閥門開/關(guān)不到位或無閥門開/關(guān)到位反饋信號)將導(dǎo)致順序控制系統(tǒng)無法步進(jìn)。此時(shí)可進(jìn)入順控暫停模式，等待操作人員手動(dòng)進(jìn)行必要的處理，處理完成后即可進(jìn)入順序控制模式。

③順控解除。該模式適用于某些非正常工況，順控解除后系統(tǒng)進(jìn)入遠(yuǎn)程手操狀態(tài)。

以上3種模式可以適應(yīng)延遲焦化流程的所有工況。在任一模式下系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖功能一直有效，即只有滿足某一閥門的操作條件時(shí)，控制系統(tǒng)才發(fā)出“允開”/“允關(guān)”、“氣源開”信號，使外操人員的操作有效。

2.2 基于S7-400的硬件平臺設(shè)計(jì)

本文研究的順序控制系統(tǒng)采用西門子S7-400H冗余PLC系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ET-200M分布式I/O系統(tǒng)。ET-200M是具有IP20防護(hù)等級的模塊化DP從站。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5個(gè)機(jī)架:1#機(jī)架用于冗余CPU、冗余以太網(wǎng)接口模塊，2#～5#機(jī)架分別安裝 DI、DO、AI、AO 信號模塊。此外，在2#機(jī)架安裝了Modbus通信模塊，用于與DCS之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)配置了兩臺上位機(jī)分別用作工程師站和操作員站。S7-400H冗余PLC系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 S7-400H冗余PLC系統(tǒng)Fig.6 S7-400H redundant PLC system

2.3 順序控制程序流程

在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)，操作順控繼續(xù)采用順序控制流程，其流程如圖7所示。

圖7 順序控制流程圖Fig.7 Flowchart of the sequence control

PLC采用循環(huán)掃描的執(zhí)行方式。PLC進(jìn)入用戶程序執(zhí)行階段后，程序先判斷延遲焦化順控系統(tǒng)的當(dāng)前模式。如前所述，本文共設(shè)計(jì)了3種模式:暫停流程、解除聯(lián)鎖、自動(dòng)順序控制。若系統(tǒng)處于暫停流程模式，則進(jìn)行暫停流程處理(在滿足安全聯(lián)鎖條件下，發(fā)出閥門的“允開”/“允關(guān)”及“氣源開”信號，便于操作人員手動(dòng)處理)。解除聯(lián)鎖的操作方式與此類似。若系統(tǒng)處于順序控制模式，程序根據(jù)焦化工藝的步序標(biāo)志，即根據(jù)Step的數(shù)值選擇進(jìn)入不同的處理分支(步序)。每個(gè)步序又包含多個(gè)子步序，步序處理完成，滿足步進(jìn)條件后程序?qū)tep賦值為下一步序的值，下次掃描程序即可轉(zhuǎn)入下一步序。需要說明的是:若當(dāng)前步序是20，步進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)入步序1，實(shí)現(xiàn)流程的循環(huán)運(yùn)行?？刂瞥绦虿捎梦鏖T子Step7軟件設(shè)計(jì)完成，編程語言采用梯形圖。

3 現(xiàn)場調(diào)試

在中石化某煉油廠，對本文設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場試用。操作員站和工程師站軟件采用西門子WinCC軟件設(shè)計(jì)完成。操作員站軟件設(shè)計(jì)了主畫面、流程圖以及實(shí)時(shí)趨勢、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、順序控制狀態(tài)設(shè)置等界面。

現(xiàn)場試用結(jié)果表明:①本順序控制系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)延遲焦化流程的順序控制及安全聯(lián)鎖;②設(shè)計(jì)的3種控制模式，能應(yīng)對現(xiàn)場所有的工況;③由于沿用了傳統(tǒng)的內(nèi)外操結(jié)合方式，經(jīng)過簡單的培訓(xùn)，運(yùn)行人員即可熟練地使用本系統(tǒng);④操作員站采用定制界面，充分考慮了現(xiàn)場操作習(xí)慣，界面友好，功能豐富;⑤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與DCS的通信，能較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)。

4 結(jié)束語

延遲焦化是應(yīng)對原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢的有效手段，也能對渣油進(jìn)行深度加工，近年來得到了長足發(fā)展。然而，目前延遲焦化流程的控制水平相對低下，尤其是間歇操作過程大多數(shù)采用手動(dòng)操作方式，無法進(jìn)一步滿足焦炭塔縮短生產(chǎn)周期、擴(kuò)容增產(chǎn)的需求。

順序控制是解決延遲焦化過程間歇操作的有效手段，本文采用PLC設(shè)計(jì)了延遲焦化的順序控制系統(tǒng)。順控流程采用步序、子步序結(jié)構(gòu)，能有效簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，內(nèi)外操相結(jié)合的方式可以進(jìn)一步確保操作安全性。在硬件設(shè)計(jì)方面，以冗余PLC系統(tǒng)為硬件平臺保證了控制系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計(jì)完成的順序控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中石化某煉油廠，取得了較好的效果，獲得了業(yè)界的好評。

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