煉廠催化氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉 偉，戴金玲

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煉廠催化氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉 偉，戴金玲

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

介紹了以現(xiàn)場傳感器、和利時DCS控制系統(tǒng)和控制設(shè)備組成的煉油廠催化氧化裝置自動控制系統(tǒng)，在中心控制室內(nèi)實現(xiàn)對整個裝置的集中監(jiān)視、管理、自動控制，并可實現(xiàn)遠程手動操作，本系統(tǒng)使用可靠穩(wěn)定，提高了煉油廠的自動化生產(chǎn)水平，應(yīng)用該系統(tǒng)的催化氧化裝置可大幅提高揮發(fā)性有機物(VOCs)的排放標(biāo)準。

催化氧化；VOCs；自動化；DCS

隨著全球環(huán)保意識的增強，國家對工業(yè)廢氣的排放標(biāo)準也越發(fā)嚴格，VOCs不但對廠內(nèi)職工的人身健康造成嚴重影響，而且對廠區(qū)附近的居民身心也構(gòu)成一定的威脅，社會影響反映十分強烈，因此必須治理。近幾年國內(nèi)石化企業(yè)雖然增上了許多環(huán)保裝置，也起到一定的效果，但2017年7月1日起執(zhí)行標(biāo)準規(guī)定環(huán)境承載能力較弱，容易發(fā)生嚴重大氣環(huán)境污染的地方，執(zhí)行大氣污染物特別排放限值，有機廢氣排放口非甲烷總烴去除率大于97%或小于120 mg/m3，廢水處理有機廢氣收集處理裝置，苯小于4 mg/m3，甲苯小于15 mg/m3，二甲苯小于20 mg/m3。中國石化撫順石油化工研究院在國內(nèi)廢氣治理領(lǐng)域有豐富的經(jīng)驗，尤其是自主研發(fā)催化氧化技術(shù)在廢氣處理方面一直處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，受到眾多業(yè)主的高度評價，其處理效果完全達到新標(biāo)準的要求，應(yīng)用前景十分廣闊。

本文重點論述了整套催化氧化裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計，以和利時的DCS控制系統(tǒng)為核心，現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊［1］，在控制系統(tǒng)的主控制器中經(jīng)過邏輯運算，輸出控制調(diào)節(jié)閥及動設(shè)備，達到催化氧化裝置對廢氣處理的工藝要求，從而實現(xiàn)達標(biāo)排放［2］。

1 催化氧化裝置的工藝流程

廢氣經(jīng)過稀釋后，進入催化氧化組合反應(yīng)器，組合反應(yīng)器包括換熱器、加熱器、催化氧化反應(yīng)器三個主要設(shè)備。廢氣中的有機物經(jīng)過加熱后,達到催化氧化反應(yīng)溫度并在催化劑作用下,與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成H2O和CO2，并釋放出反應(yīng)熱［3］。反應(yīng)后的氣體通過換熱器換熱后,經(jīng)排氣筒排放到大氣中。除了上述主要設(shè)備外還由廢氣進氣開關(guān)閥、廢氣排空開關(guān)閥、風(fēng)機入口空氣調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機出口壓力變送器、流量變送器、可燃氣報警器等儀器儀表組成，催化氧化裝置的工藝流程圖如下圖1所示。

圖1 催化氧化工藝流程

2 控制系統(tǒng)的硬件選型及軟件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)DCS采用和利時公司的產(chǎn)品， 控制系統(tǒng)主要包括主控制器模塊、電源模塊、輸入輸出模塊、機籠模塊、端子模塊等，具體規(guī)格型號如表1所示。

表1 DCS硬件規(guī)格及功能

另外還有其它的模塊，如數(shù)字量輸入模塊，型號為SM610，16通道觸點型開關(guān)量輸入模塊，從現(xiàn)場輸入16路干接點開關(guān)量信號; 數(shù)字量輸出模塊，型號為SM710，8通道繼電器隔離輸出模塊，從主站接受上位機的指令，驅(qū)動繼電器動作，輸出8路開關(guān)量信號。

2.2 控制系統(tǒng)的程序及組態(tài)畫面設(shè)計

2.2.1 催化氧化自動開車程序設(shè)計

現(xiàn)場工藝流程滿足開車條件后，本裝置可在操作室內(nèi)實現(xiàn)一鍵式啟停，開工過程如下:按操作屏幕中“催化氧化啟動”軟按鈕，首先判斷可燃氣報警器濃度小于爆炸下限， 若否，則退出裝置啟動程序；若是，則啟動催化風(fēng)機引入空氣；

判斷壓力是否大于低低限，若否，則退出裝置啟動程序；若是，則啟動延時定時器。判斷定時器時間（設(shè)定時間：10~30 min）到否。若否，則等待；若是，則判斷反應(yīng)器出口是否小于1/℃，若否，則等待；若是，則啟動電加熱器升溫；繼續(xù)判斷反應(yīng)器出口是否大于2/℃，若否，則等待；若是，則開啟廢氣進氣切斷閥，保持風(fēng)機入口空氣調(diào)節(jié)閥門開啟狀態(tài)；此時裝置自動開工過程結(jié)束，進入正常運行狀態(tài)［4］。

2.2.2 催化氧化自動停車程序設(shè)計

裝置正常停工時按操作屏幕中“催化氧化停車”軟按鈕，開啟空氣進裝置氣動調(diào)節(jié)閥；關(guān)閉廢氣進裝置氣切斷閥、停止電加熱器；

當(dāng)反應(yīng)器出口溫度小于3/℃時，停止催化風(fēng)機，此時裝置自動停車過程結(jié)束，整個開車和停車的過程無需人工干預(yù)，實現(xiàn)一鍵式啟停。

2.2.3 催化氧化聯(lián)鎖停車設(shè)計

當(dāng)裝置處于非正常工況時， 要求系統(tǒng)具有報警和聯(lián)鎖保護功能，當(dāng)控制指標(biāo)超過高限值時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號；當(dāng)催化氧化反應(yīng)器入口/出口溫度、廢氣中可燃氣體濃度超高高限、催化風(fēng)機出口壓力小于低低限以及催化風(fēng)機故障、電加熱器故障、電加熱器超溫時，裝置進入聯(lián)鎖保護狀態(tài)，確保裝置安全穩(wěn)定運行（圖2）。

圖2 催化氧化自動開工流程

每個聯(lián)鎖條件均需設(shè)置聯(lián)鎖旁路，以便于儀表維護，具體連鎖信號，聯(lián)鎖值及聯(lián)鎖動作如表2所示。

2.2.4 上位機組態(tài)畫面設(shè)計

目前石油化工系統(tǒng)占據(jù)市場份額較大的兩家組態(tài)廠家為浙大中控和和利時，尤其是和利時的MAC6組態(tài)軟件，各種功能模塊簡單實用，操作靈活，可讀性和可移植性較強。在控制系統(tǒng)操作界面中設(shè)有流程、主要控制參數(shù)、歷史趨勢、報警記錄和聯(lián)鎖等畫面。操作界面中還設(shè)有“催化氧化啟動”、“催化氧化停車”等功能按鈕；操作人員可在操作界面上對裝置工藝過程進行監(jiān)視和修改控制參數(shù)（圖3）［5］。

圖3 催化氧化自動停工流程

表2 聯(lián)鎖條件及聯(lián)鎖動作對應(yīng)關(guān)系

組態(tài)畫面完整的展示了催化氧化裝置的工藝流程，可直觀體現(xiàn)出裝置的主要設(shè)備及儀表的組成，畫面可顯示泵、開關(guān)閥和電加熱器的狀態(tài)，風(fēng)機出口管道內(nèi)的壓力、溫度和流量，電加熱器本身的溫度，反應(yīng)器進出口的溫度。本裝置有兩個重要的控制點，一是反應(yīng)器的進口溫度，進口溫度在達到300~400 ℃，可保證廢氣中的非甲烷總烴去除率，出口溫度最初需要電加熱器供熱，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)放出的熱量可維持自身的反應(yīng)時，電加熱器的輸出就會減小甚至關(guān)閉，達到節(jié)能減排的效果。另一個重要的控制點是反應(yīng)器的出口溫度控制，出口溫度點與風(fēng)機入口的空氣調(diào)節(jié)閥關(guān)聯(lián)，在保證廢氣入口的非甲烷總烴可以進入本裝置內(nèi)后，當(dāng)反應(yīng)器出口溫度升高，說明廢氣進催化氧化裝置的濃度升高，因此需要開大空氣調(diào)節(jié)閥的開度來稀釋廢氣濃度，保證出口的溫度在可控范圍內(nèi); 反之，當(dāng)反應(yīng)器出口溫度降低，說明進催化氧化裝置的廢氣濃度低，需減小空氣調(diào)節(jié)閥的開度來保證反應(yīng)器進出口的溫升，兩處均屬于溫度控制點，存在滯后性，因此PID參數(shù)的整定與投用需按不同工況設(shè)定(圖4)［6］。

圖4 催化氧化主流程組態(tài)畫面

3 工業(yè)應(yīng)用

2014年投用的北京燕山橡膠廠催化氧化廢氣治理裝置，凈化氣中的非甲烷總烴去除率≥99%，出口非甲烷總烴濃度≤20 mg/m3，而且利用反應(yīng)熱產(chǎn)生0.8 MPa(G)飽和蒸汽1.42 t/h，在廢氣深度治理的同時，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。

2017年投用的滄州催化氧化污水處理廠廢氣治理裝置，廢氣凈化后非甲烷總烴去除率98%以上，出口非甲烷總烴濃度≤50 mg/ m3，硫化氫：≤1 mg/ m3，排放速率≤0.33 kg/h，有機硫化物：≤1 mg/ m3（甲硫醇≤0.04 kg/h；甲硫醚≤0.33 kg/h；二甲二硫醚≤0.43 kg/h，苯＜4 mg/ m3； 甲苯＜15 mg/m3； 二甲苯＜20 mg/ m3，滿足國家GB31570-2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準》、GB31571-2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準》，以及河北省DB 13/ 2322-2016《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機物排放控制標(biāo)準》要求。本技術(shù)已在中國石化北京燕山分公司、滄州分公司、濟南分公司、鎮(zhèn)海煉化分公司及中國石油烏魯木齊石化分公司、華北石化分公司等煉化企業(yè)得到成功應(yīng)用，廢氣經(jīng)處理后，非甲烷總烴等的去除率在97%以上，凈化氣體符合國家和地方的相關(guān)排放標(biāo)準。

4 結(jié)束語

撫順石油化工研究院開發(fā)的有機廢氣催化氧化治理技術(shù)，裝置投資合理、結(jié)構(gòu)簡單、操作彈性大、操作費用小、安全可靠、無二次污染。在能量回收上，通過反應(yīng)器進出口氣體換熱，可以使反應(yīng)系統(tǒng)能量自給，正常操作情況下，不需外加熱源，同時控制系統(tǒng)功能強大，可實時監(jiān)測或修改工藝參數(shù)，提高煉油廠的工作效率，保證催化氧化裝置的穩(wěn)定運行。

［1］陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2008.

［2］汪涵，郭桂悅．揮發(fā)性有機廢氣治理技術(shù)的現(xiàn)狀與進展[Ｊ]．化工進展，2009,28(10):1833-1834.

［3］M S．Kamal， S．A．Razzak，M．M．Hossain．Catalytic oxidation of volatile organic compounds (VOCs)-A review[J].Atmospheric Environment， 2016(140)：117-134．

［4］陳玉香，劉忠生，王新，王海波．石化污水處理場廢氣催化燃燒處 理工業(yè)應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2006(35)：425-428．

［5］劉永斌，程俊梅，程彬彬．催化燃燒技術(shù)在煉油污水處理場惡臭治 理中的應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與工程，2011(41)：54-57．

［6］薛定字．反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000:245- 288

Design of Monitoring System for Catalytic Oxidation Unit in a Refinery

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（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China）

The catalytic oxidation unit automatic control system made up of field sensors,Hollysys DCS control system and control devices in a oil refinery was introduced. Centralized monitoring and management of the entire unit, automatic control, and remote manual operation can be realized in the central control room. This system is reliable and stable. It has improved the automation level of the oil refinery; the catalytic oxidation unit with this system can significantly improve the volatile organic compounds (VOCs) emission standards.

Catalytic oxidation; VOCs;Automation; DCS

TE 624

A

1671-0460（2017）10-2156-03

2017-10-10

劉偉（1986-），男，遼寧省丹東市人，碩士學(xué)位，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，研究方向：儀表自動化控制。E-mail：361074471@163.com。