煤制乙二醇項目解決方案介紹

武平麗（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003）

高國光（杭州和利時自動化有限公司，北京 100176）

丁 雷（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

煤制乙二醇項目解決方案介紹

武平麗（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003）

高國光（杭州和利時自動化有限公司，北京 100176）

丁 雷（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

為了推廣一體化解決方案在煤制乙二醇裝置上的應(yīng)用，提高國產(chǎn)自控系統(tǒng)的競爭力，降低國內(nèi)同類項目全生命周期成本，和利時HOLLiAS一體化解決方案提供了覆蓋用戶工廠全部需求的產(chǎn)品和服務(wù)，從工藝控制、安全管理、資產(chǎn)管理、控制優(yōu)化、生產(chǎn)管理等方面為用戶提供增值的解決方案，使生產(chǎn)運營逐步實現(xiàn)精益化、智能化，最終的目標(biāo)是實現(xiàn)企業(yè)運營最優(yōu)化。一體化方案在乙二醇裝置上的優(yōu)勢和實力，可為今后國內(nèi)同行業(yè)自控裝置的選型與配置提供借鑒和支撐。

K系列DCS；乙二醇；一體化方案；控制

目前，和利時已成功實施多個煤制乙二醇項目，為用戶提供了DCS與SIS系統(tǒng)的一體化解決方案，并對氧煤比等主要回路進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)安全穩(wěn)定、優(yōu)化控制與操作方便的統(tǒng)一。

1 行業(yè)簡述

乙二醇（EG）是一種重要的有機化工原料，主要用于生產(chǎn)聚酯纖維和防凍劑，此外還可用于生產(chǎn)不飽和聚酯樹脂、潤滑劑、增塑劑、非離子表面活性劑以及炸藥等，用途十分廣泛。

截至2015年底，中國已投產(chǎn)運行和試車成功的煤（合成氣）制乙二醇（CTMEG）項目共10個，總產(chǎn)能170萬噸。早期投產(chǎn)的示范項目運行漸入佳境。

2016年將是中國煤制乙二醇產(chǎn)能爆發(fā)的開端之年，將新建10個項目，總計乙二醇產(chǎn)能166萬噸/年。草酸酯路線煤制乙二醇的技術(shù)研發(fā)正在向低成本、高選擇性、長催化劑壽命和環(huán)境友好的方向發(fā)展。由于產(chǎn)品質(zhì)量不斷優(yōu)化，煤制乙二醇已經(jīng)開始被大規(guī)模應(yīng)用于聚酯化纖行業(yè)。來自亞化咨詢的消息稱，至2020年中國將總計建成41個煤制乙二醇項目，總產(chǎn)能將達到1026萬噸。煤制乙二醇將成為中國聚酯化纖行業(yè)的重要原料來源。

2 主要工藝介紹

目前我國乙二醇的生產(chǎn)技術(shù)主要有兩種路線。一種是以乙烯為原料經(jīng)環(huán)氧乙烷（EO）非催化液相水合法生產(chǎn)乙二醇的石化路線。這種工藝存在乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的選擇性較低、環(huán)氧乙烷水合副產(chǎn)物多（主要為二乙二醇、三乙二醇）、分離精制工藝復(fù)雜、能耗大等問題，生產(chǎn)乙烯的原料是石油產(chǎn)品，原油來源受控因素較多。

另一種是以煤或者天然氣為原料，先制得合成氣（CO+H2），再通過直接法或者間接法制得乙二醇的煤化工路線。從原料選擇的經(jīng)濟合理性及我國的能源結(jié)構(gòu)組成考慮，采用合成氣合成乙二醇較適合我國現(xiàn)狀。目前由合成氣直接合成乙二醇技術(shù)仍處于實驗室階段。合成氣間接法生產(chǎn)乙二醇的主要反應(yīng)包括一氧化碳（CO）與亞硝酸甲酯（MN）生成草酸二甲酯（DMO）的羰化反應(yīng)，草酸二甲酯加氫生成乙二醇（EG）的反應(yīng)，一氧化氮、氧氣和甲醇（ME）生成亞硝酸甲酯的酯化再生反應(yīng)，生成的亞硝酸甲酯返回偶聯(lián)過程循環(huán)使用；亞硝酸鈉、硝酸反應(yīng)生成一氧化氮。工藝如圖1所示。

圖1 合成氣間接法生產(chǎn)乙二醇工藝圖

合成氣制乙二醇工藝裝置流程如下：

空分-煤氣化-一氧化碳變換-酸性氣體脫除-CO深冷分離-PSA制氫-硫回收-草酸二甲酯合成-乙二醇合成與精餾-成品罐區(qū)。

3 方案策略

以陽煤深州化工22萬噸乙二醇實際項目為例，介紹系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、配置及工藝控制方案。本工程網(wǎng)絡(luò)包括造氣、凈化、甲醇、乙二醇、空分、鍋爐6個域。

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

采用中央控制室（CCR）和現(xiàn)場機柜室（FAR）分離設(shè)置的方式。造氣、凈化、乙二醇生產(chǎn)裝置的操作站設(shè)置在中央控制室，甲醇、空分、鍋爐的操作站設(shè)置在現(xiàn)場操作室?？刂普驹O(shè)置在相應(yīng)的現(xiàn)場機柜室。每個FAR設(shè)置工程師站兼操作員站，并與控制站構(gòu)成獨立的控制網(wǎng)絡(luò)。FAR與CCR通過冗余光纜進行信息傳遞，形成整個控制網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)中央控制室的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備尚未搭建或現(xiàn)場機柜室與中央控制室之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系中斷或發(fā)生通信故障時，現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)完全可以承擔(dān)對本裝置的監(jiān)視和控制作用，不會對生產(chǎn)造成影響?，F(xiàn)場儀表信號通過電纜連接到現(xiàn)場機柜室。6個域通過三層交換機連接為一個系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

在CCR機柜間設(shè)置1個冗余控制站，用于監(jiān)控現(xiàn)場一次水、循環(huán)水、除鹽水、污水處理、裝車控制系統(tǒng)的5套PLC，設(shè)置電源柜2面，控制柜及網(wǎng)絡(luò)柜各1面。

大屏幕系統(tǒng)可以顯示現(xiàn)場視頻及操作員站畫面。

校時系統(tǒng)1套，用于全廠系統(tǒng)時鐘的統(tǒng)一。

3.1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

各裝置的DCS控制單元必須獨立設(shè)置，減少關(guān)聯(lián)影響，以保證裝置正常生產(chǎn)和開停工過程的需要。每個域之間能相互查看，但不允許相互操作。

圖2 DCS系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)安全

根據(jù)不同的域，系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)劃分為六個獨立網(wǎng)段的VLAN，通過三層網(wǎng)絡(luò)交換機的路由功能實現(xiàn)各個域之間的通訊共享，網(wǎng)絡(luò)交換機采用1∶1冗余設(shè)置?？刂茊卧旧砭邆渚W(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴甄別與防范機制，并且每個端口均進行了網(wǎng)絡(luò)的流量限制，避免了發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的可能。操作員及工程師站采用白名單模式，只允許列入白名單的系統(tǒng)標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸，有效抑制病毒的傳播。網(wǎng)絡(luò)安全特點：

· 多域結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)，分層設(shè)計控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；

· 硬件防火墻的設(shè)置，控制層與工廠信息網(wǎng)絡(luò)的安全隔離；

· 安全可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)便于安全策略的部署；

· 交換機端口級網(wǎng)絡(luò)流量限制，嚴(yán)格的防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴測試；

· 和利時系統(tǒng)可靠的防病毒機制；

· 便于擴展的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2 工程典型配置

各裝置物理測點統(tǒng)計及分站，工程師及操作員站的配置情況。氣化爐及凈化、空分、鍋爐等裝置，由于不同的工藝測點差異較大，在此不予列出。

3.2.1 甲醇合成

總計480點（AI/96、RTD/168、TC/8、AO/32、DI/80、DO/96），67個模塊。1個現(xiàn)場控制站：熱交換、純分離、汽水分離、循環(huán)機。各類機柜3面。

操作員站3臺，工程師站1臺，均在現(xiàn)場操作室。

3.2.2 乙二醇合成

總計3521點（AI/1443、AO/256、DI/1054、DO/768），459個模塊。

現(xiàn)場控制站9個：凈化提氫（28#站）、DMO合成（24#站/25#站）、DMO精制與水分離（26#站）、脫氫（20#站/21#站）、脫脂（20#站）、亞脂回收（27#站）、乙二醇合成（22#站）、乙二醇回收（20#站）、乙二醇精制（20#站）、成品罐區(qū)（23#站/27#站）。

操作員站9臺，其中2臺雙屏。工程師站3臺：現(xiàn)場2臺、中控室1臺。各類機柜30面：主控柜9面、擴展柜5面、安全柵柜7面、端子柜5面、電源及網(wǎng)絡(luò)柜各1面。SIS系統(tǒng)操作站、工程師站各1臺，機柜2面。

3.3 典型畫面

DMO合成：將凈化后的一氧化碳原料氣與亞硝酸酯混合，其含量（體積比為一氧化碳為25%～90%，亞硝酸酯為5%～40%，導(dǎo)入裝有以氧化鋁作載體的鈀催化劑的反應(yīng)器中進行催化反應(yīng)。金屬含量為載體中的0.1%～5%，接觸時間為0.1～20s。反應(yīng)溫度80℃～200℃。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)冷凝分離后得到草酸酯。如圖3所示。

圖3 DMO合成畫面

亞硝酸酯回收：將再生塔得到的亞硝酸酯氣相導(dǎo)入冷凝分離塔，控制溫度在相應(yīng)酯的沸點以上，將亞硝酸酯氣體中的醇和水進一步分離，其大部分亞硝酸酯（含未反應(yīng)氣體）送回合成塔循環(huán)使用，另外小部分轉(zhuǎn)入壓縮冷凝塔處理。如圖4所示。

圖4 亞硝酸酯回收畫面

乙二醇合成：來自CO/H2分離裝置純度大于99.9%（V）的氫氣與來自加氫循環(huán)氣壓縮機的循環(huán)氣混合后，進入加氫反應(yīng)器進出口換熱器，被加氫反應(yīng)器出口氣加熱后送入草酸二甲酯加氫反應(yīng)器。來自草酸二甲酯中間罐區(qū)的草酸二甲酯被加壓氣化后送至草酸二甲酯加氫反應(yīng)器。在3.0MPa、200℃～220℃條件下進行草酸二甲酯加氫反應(yīng)生成乙二醇以及甲醇等副產(chǎn)物。分離得到粗乙二醇產(chǎn)品，被送至下游的乙二醇分離工序。如圖5所示。

圖5 乙二醇合成畫面

脫氫系統(tǒng)：粗乙二醇被送入乙二醇精餾工序，依次經(jīng)過甲醇回收塔、脫氫塔和乙二醇精制塔回收甲醇，分離副產(chǎn)物，最終得到聚合級產(chǎn)品乙二醇。如圖6所示。

圖6 脫氫系統(tǒng)畫面

3.4 主要控制方案

項目復(fù)雜控制回路、順控及聯(lián)鎖保護方案簡述。

3.4.1 氣化爐負(fù)荷控制

操作員可以手動設(shè)定氣化爐負(fù)荷值，負(fù)荷的增減按固定梯度變化。開車期間，由預(yù)編程的氣化爐負(fù)荷曲線來控制負(fù)荷，這種方式把氧氣流量設(shè)定為氣化爐壓力的函數(shù)進行優(yōu)化控制。

3.4.2 合成氣成分控制

合成氣成分控制主要有4種方式：

（1）由CO2分析儀/控制器進行比率的自動控制。

（2）由CH4分析儀/控制器進行比率的自動控制。

（3）比率的手動調(diào)整（當(dāng)合成氣分析儀故障時）。

（4）自動設(shè)定比率值（僅在開車階段適用）。

3.4.3 粉煤燒嘴控制

氣化爐粉煤流量控制是通過選擇氧氣設(shè)定點和氧氣流量中的高值來確定粉煤流量的設(shè)定值，當(dāng)負(fù)荷變化時，粉煤的流量能夠更快地跟隨氧氣流量調(diào)整。

3.4.4 純化系統(tǒng)順序控制

純化系統(tǒng)是凈化氫氣的一套自動控制系統(tǒng)，其A、B塔共分為泄壓、加熱、冷卻、置換、均壓、并聯(lián)等共計14步，每步切換時間可自行修改，主要工藝要求如如圖7所示：

圖7 工藝要求

（1）陰影部分代表閥門狀態(tài)，各步時間均可調(diào)節(jié)；

（2）每個閥門均可手自動切換；

（3）程序分為若干步，可從一步開始，自動運行；

（4）閥門30s開始報故障則程序暫停。

閥門開度分段設(shè)定。充壓閥門KV04309隨純化自動程序分為八個時間段t1～t8，時間和為30分鐘，且每個時間段內(nèi)開度可調(diào)整。其中每個時間段均可在操作員面板上調(diào)節(jié)，該開度曲線適用于KV04310～KV04313，時間長度見周期表。曲線圖如如圖8所示。

圖8 曲線圖

4 一體化方案

和利時除了可以提供常規(guī)的DCS控制系統(tǒng)外，還可以提供如圖9所示的現(xiàn)場儀表、SIS、PLC、DEH、ITCC、SCADA、OTS、HAMS、BATCH、APC、MES、ERP、AAS、ODS、TAS、智能云服務(wù)等軟硬件系列產(chǎn)品，DCS、SIS與ITCC在系統(tǒng)網(wǎng)實現(xiàn)無縫聯(lián)接，為用戶提供從軟件到硬件、從自動化到信息化、從單一控制系統(tǒng)到“云＋端”架構(gòu)智能控制系統(tǒng)的一體化解決方案。

圖9 一體化方案架構(gòu)圖

HOLLiAS一體化解決方案提供了覆蓋用戶工廠全生命周期的產(chǎn)品和服務(wù)，從生產(chǎn)控制、安全管理、資產(chǎn)管理、操作優(yōu)化、控制優(yōu)化、生產(chǎn)管理、分析決策等方面為用戶提供增值的解決方案，使生產(chǎn)運營逐步實現(xiàn)精益化、自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化，最終的目標(biāo)是實現(xiàn)企業(yè)運營最優(yōu)化。HOLLiAS一體化解決方案采用模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)實際需求選用性價比最佳的解決方案。

5 和利時K系列優(yōu)勢

K系列硬件是和利時推出的第5代高可靠性DCS硬件系統(tǒng)，設(shè)計過程充分采用了安全系統(tǒng)的設(shè)計理念，吸取國際工業(yè)電子技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)的最新成果，嚴(yán)格遵循國際先進的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用全冗余、多重隔離、熱分析、容錯等可靠性設(shè)計技術(shù)，從而保證系統(tǒng)在復(fù)雜、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中能安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)地運行。

5.1 安全可靠

全冗余：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源模塊、I/O模塊均可冗余配置，無單點故障。

多重隔離：系統(tǒng)總線和模塊之間采用光電隔離，系統(tǒng)電源和現(xiàn)場電源隔離供電，模塊通道之間電氣隔離。

抗干擾耐腐蝕：系統(tǒng)基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計，抗電磁干擾符合IEC 61000，每個模塊均有CE認(rèn)證，防腐蝕能力滿足ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級要求。

安全的網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用確定性實時以太網(wǎng)，配備帶防火墻的交換機；控制器CPU采用PowerPC構(gòu)架的工業(yè)級芯片，內(nèi)置防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴組件。

豐富的診斷：控制器和I/O模塊均帶有智能診斷單元，每個模塊均可進行通訊狀態(tài)、信號斷線、短路、超量程等完善的自診斷和故障上報。

高可靠的設(shè)計理念：采用了大量的安全系統(tǒng)設(shè)計理念，如信號質(zhì)量位判斷、多bit位防錯、多重數(shù)據(jù)傳送校驗、故障導(dǎo)向安全，提高系統(tǒng)可靠性。

抗強電壓功能：I/O模塊安裝增強型底座上，具有抗AC220V高電壓沖擊功能，保護系統(tǒng)和模塊不受損壞。

K系列控制器在速度、性能和功能方面優(yōu)勢突出。

5.2 靈活開放

支持P-TO-P（對等網(wǎng)）、CS（客戶機/服務(wù)器）、P-TO-P和CS混合，三種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

支持星形、環(huán)型或總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)連接。

兼容各種現(xiàn)場總線，支持HART、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、Modbus等各類協(xié)議。

功能豐富的HMI人機界面，符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的控制算法編程軟件；支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。

可以對控制算法和硬件配置靈活修改，修改后對現(xiàn)場不停車無擾下裝。

系統(tǒng)提供了完善的系統(tǒng)狀態(tài)和診斷信息，用戶使用方便，易維護、易更換。

6 客戶收益

穩(wěn)定可靠易用的全新一代高端DCS控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行提供保障。

全廠一體化解決方案，便于維護和管理，為信息化、智能化提供了統(tǒng)一平臺。

和利時分布在全國各省市的聯(lián)絡(luò)處為用戶提供專業(yè)及時高效的服務(wù)，行業(yè)專家為用戶提供專業(yè)的咨詢與指導(dǎo)。

自整定PID功能使控制回路自動投運率達到100%，通過APC優(yōu)化控制軟件為大滯后多變量耦合系統(tǒng)的回路實現(xiàn)精益控制，實現(xiàn)節(jié)能減排、提質(zhì)降耗、低碳環(huán)保的生產(chǎn)運營提供了有效手段。

7 典型業(yè)績

陽煤集團深州化工有限公司22萬噸煤制乙二醇項目，采用煤制合成氣生產(chǎn)聚合級乙二醇新技術(shù)，該技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，全生產(chǎn)線配套和利時控制系統(tǒng)產(chǎn)品，為該項目平穩(wěn)、安全運行提供了保障。

[1] 中國石油化工網(wǎng). 2015中國煤（合成氣）制乙二醇回顧與展望[EB/OL]. http∶//www.cpcia.org.cn/html/13/201512/151841.html, 2015 – 12 – 18.

[2] 中華石化網(wǎng). 2016年煤制乙二醇產(chǎn)能將迎來爆發(fā)[EB/OL]. http∶//www.cnpec. net/news/show/118732/, 2016 – 04 – 29.

[3] 安東亮, 王昕昕. 我國煤制乙二醇技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及主要問題[J]. 河南科技, 2014 (21) ∶ 23 – 24.

[4] HOLLiAS MACS-K簡明選型手冊[EB/OL]. http∶//department.hollysys.net/ HLSGroup/hardWare/default.aspx, 2014 – 05.

Coal-to-ethylene Glycol Solution

In order to promote the integration of application in the Coal-to-ethylene Glycol plant, improve the competitiveness of automatic control system in China, and reduce the cost of whole life cycle of similar projects, HOLLiAS integration solution provides all customers' requirements for products and services in plant, and provides customers with value-added solutions for process control, safety management, asset management, control optimization, production management, etc., which make the operation gradually realize the streamline and intelligent, and its ultimate goal is to realize the enterprise operation optimization. Integration in the ethylene glycol plant's advantage and strength, is a reference and support for the automatic control system selection and configuration for the future plant in China.

K series DCS; Ethylene glycol; Integration solution; Control

B

1003-0492(2016)10-0082-05

TP273

武平麗（1967-），女，高級工程師，1991年畢業(yè)于南京化工學(xué)院生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，現(xiàn)任黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事過程控制自動化的教學(xué)與科研、化工自動控制工程的設(shè)計、安裝和調(diào)試維護工作。

高國光（1968-），男，一級建造師，1990年畢業(yè)于武漢化工學(xué)院生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，現(xiàn)任杭州和利時自動化有限公司高級工程師，主要從事石化行業(yè)自控項目的技術(shù)支持與方案設(shè)計工作。

丁雷（1975-），男，1999年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動化專業(yè)，現(xiàn)任中國天辰工程有限公司采購部高級工程師，主要從事化工、石化、電力等行業(yè)自動化方面技術(shù)、設(shè)計方案的審核，以及自動化設(shè)備的采購工作。