聚丙烯閃蒸釜置換操作DCS 自控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張麗萍 王維鐸

（1.新疆克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程系；2.新疆天利高新石化股份有限公司聚丙烯廠）

某聚丙烯廠生產(chǎn)聚丙烯粉料的裝置采用的是液相本體法工藝，間歇式生產(chǎn)，具有工藝流程短、生產(chǎn)設(shè)備相對簡單、投資少、收益高的優(yōu)點(diǎn)，在一些中小型聚丙烯生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用較多。 但是間歇式生產(chǎn)是單釜操作，工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度都非常大，人為因素多，給生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量、能耗、功耗和安全都帶來一定的影響。 因此，基于DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了閃蒸釜置換操作的自動(dòng)控制。

1 閃蒸工藝簡介

在聚丙烯生產(chǎn)過程中，聚合釜反應(yīng)結(jié)束后聚丙烯形成固體顆粒，未聚合的液體丙烯單體吸附在固體顆粒中。 聚合產(chǎn)物進(jìn)入閃蒸操作，由于壓力和溫度的降低致使液體丙烯單體很快汽化，使單體與聚合物分離，單體回收后可繼續(xù)使用。 閃蒸過程就是其中的一個(gè)重要分離過程。 閃蒸置換操作的目的就是通過抽真空和氮?dú)庵脫Q將閃蒸釜內(nèi)的丙烯氣含量置換為小于0.8%，防止在包裝時(shí)由于閃蒸釜內(nèi)過高含量的丙烯氣與空氣形成爆炸性混合氣體，該氣體遇到靜電可能引起火災(zāi)爆炸。

閃蒸釜工藝流程如圖1 所示。 在上一工段聚合釜出現(xiàn)“干鍋”后，聚丙烯粉料噴入閃蒸釜，準(zhǔn)備置換。 閃蒸置換大致分為抽真空置換和充氮?dú)庵脫Q兩個(gè)階段，其具體置換操作過程為：聚丙烯粉料噴入閃蒸釜后，首先打開閃蒸釜上的去氣柜閥，待閃蒸釜壓力為零時(shí)關(guān)閉去氣柜閥；現(xiàn)場手動(dòng)開啟真空泵，打開真空泵入口閥，打開閃蒸釜上的抽真空閥， 當(dāng)真空泵壓力為-0.06MPa 時(shí)，延遲120s，關(guān)閉抽真空閥，打開閃蒸釜上的氮?dú)忾y，充壓至0.2MPa，關(guān)閉充氮?dú)忾y，打開就地放空閥泄壓，泄壓至0MPa 后，再打開抽真空閥，進(jìn)行抽真空操作。 此操作重復(fù)3 次，第3 次抽真空后，關(guān)閉真空泵， 并且在第3 次氮?dú)庑箟簽?MPa 后進(jìn)入氮?dú)庵脫Q階段。 人工充氮?dú)鈮毫?.2MPa，延遲120s，關(guān)氮?dú)忾y，開就地放空閥，泄壓為零；再關(guān)放空閥，開氮?dú)忾y充氮?dú)狻?此操作重復(fù)5 遍，置換操作完成。

2 閃蒸釜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的必要性分析

閃蒸釜工藝整個(gè)工作過程中真空泵的啟停、所有閥門的操作， 都是操作工在現(xiàn)場手動(dòng)完成的，每一釜操作循環(huán)都需2～3h，每個(gè)操作工一天內(nèi)進(jìn)行泵的啟停、 閥的關(guān)閉操作就有四百次之多，工作量大且勞動(dòng)強(qiáng)度高。 同時(shí)，人對氮?dú)獾牟僮鳠o法精確計(jì)算，會(huì)造成氮?dú)獾睦速M(fèi)；而且操作過程中可能由于人為因素導(dǎo)致操作失誤進(jìn)而引發(fā)生產(chǎn)事故。 所以，對閃蒸釜的置換工作過程實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的自動(dòng)控制是很有必要的。

3 閃蒸釜自動(dòng)控制方案討論

圖1 閃蒸釜工藝流程示意圖

常用的自動(dòng)控制主要有典型的控制器控制方案、PLC 控制方案和DCS 控制方案， 當(dāng)然還有大型工業(yè)控制中應(yīng)用的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）。

典型的控制器控制方案是一種差值控制系統(tǒng)，在工業(yè)中適用于對現(xiàn)場測控點(diǎn)的精準(zhǔn)控制。

FCS 是一種集通信、管控為一體的系統(tǒng)，實(shí)施成本太高，經(jīng)濟(jì)上不劃算。

PLC 的實(shí)質(zhì)是專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，主要用于工業(yè)過程中的順序控制、 邏輯控制和開關(guān)量的控制，也可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制，新型PLC 也兼有閉環(huán)控制功能。 從閃蒸釜工藝過程的分析可知，閃蒸釜置換操作是一種典型的順序控制過程。

DCS 系統(tǒng)是在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，控制管理要求不斷提高，過程參數(shù)日益增多，控制回路越加復(fù)雜的情況下應(yīng)運(yùn)而生的。 DCS 系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理。 其中系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是DCS 的基礎(chǔ)和核心，它決定著整個(gè)DCS 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和擴(kuò)充性。 DCS 主要應(yīng)用于大中型工業(yè)控制中，特別像石油化工這種流程性控制領(lǐng)域，需要處理的對象是整個(gè)企業(yè)的全部生產(chǎn)活動(dòng)，是一個(gè)復(fù)雜的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)， 利用DCS 可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化、實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、在線質(zhì)量控制、過程優(yōu)化，有些生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)管理工作也可在DCS 上實(shí)現(xiàn)。該聚丙烯廠閃蒸釜置換操作的順序控制即可在DCS 工程師站組態(tài)實(shí)現(xiàn)。

從上面的分析可以看出，PLC 控制方案和DCS 控制方案都可以有效實(shí)現(xiàn)該裝置的控制要求， 從一次投入成本來看，PLC 控制方案更勝一籌。 但是該廠有4 套閃蒸釜，控制點(diǎn)比較多，采用一套PLC 控制，負(fù)載太大，不能保證安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。 同時(shí)由于該廠原有的監(jiān)控操作、聚合反應(yīng)控制系統(tǒng)均已采用DCS 系統(tǒng)，所以閃蒸釜控制系統(tǒng)采用DCS 控制會(huì)非常方便接入原監(jiān)控系統(tǒng)，與廠級進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控實(shí)施也更方便。 更重要的是，采用DCS 系統(tǒng)，在硬件、軟件、現(xiàn)場儀表以及人工投入方面都是較低的，只需在原DCS 上對閃蒸釜控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和設(shè)置，把現(xiàn)場閃蒸釜上的放空閥、抽真空閥、去氣柜閥、氮?dú)忾y、噴料閥及放料閥等手動(dòng)截止閥換成氣動(dòng)閥，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制要求了。 改造過程更簡單、可靠、高效而且投資較少。

4 DCS 實(shí)施情況分析

該廠采用的DCS 是JX-300XP 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了粗丙烯的精制處理、 聚合釜的聚合反應(yīng)控制、閃蒸操作、成品包裝、膜回收系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等現(xiàn)場信息的采集、 過程監(jiān)控及聯(lián)鎖控制等，保障了整個(gè)生產(chǎn)過程安全、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行。

4.1 現(xiàn)場設(shè)備的DCS 組態(tài)

在整個(gè)閃蒸釜裝置的自動(dòng)化改造中，現(xiàn)場手動(dòng)截止閥的更換是一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)，根據(jù)各處調(diào)節(jié)閥的操作介質(zhì)、環(huán)境以及工藝、自動(dòng)控制的需求，均選用國產(chǎn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥Ⅲ型（流量特性均為等百分比），詳見表1。

表1 調(diào)節(jié)閥儀表選型

調(diào)節(jié)閥和真空泵的DCS 組態(tài)主要有硬件和軟件兩方面。 硬件組態(tài)主要完成現(xiàn)場控制站I/O模塊的配置，將所有調(diào)節(jié)閥和真空泵的儀表信號線引到現(xiàn)場控制站I/O 模塊上， 并確保I/O 模塊每個(gè)通道不重復(fù)使用。 軟件組態(tài)的原則是盡量不要對原組態(tài)系統(tǒng)做太大的改變， 主要完成I/O 測控點(diǎn)組態(tài)和控制邏輯組態(tài)。 I/O 測控點(diǎn)組態(tài)中現(xiàn)場I/O 模塊新增的每一通道對應(yīng)一個(gè)I/O 測控點(diǎn)，圖形化組態(tài)界面中采用了表格形式，避免了對原監(jiān)控畫面的破壞；控制邏輯組態(tài)中需重新編寫用戶控制方案，并對控制算法重新編譯、下裝、調(diào)試，這是實(shí)現(xiàn)閃蒸釜自動(dòng)控制最核心的內(nèi)容。

4.2 改造后的效益分析

閃蒸釜采用DCS 系統(tǒng)控制后，操作過程更加規(guī)范合理，與手動(dòng)操作相比，安全性和平穩(wěn)性都得到提高；操作工的工作量明顯減少；在降低能耗方面也很明顯，特別是氮?dú)獾挠昧颗c以前相比節(jié)約了200m3/t 左右，市場一般氮?dú)饷苛⒎矫?.6元，即每噸可以節(jié)約120 元，按裝置年需求約6kt計(jì)算，一年的氮?dú)庥昧烤涂梢怨?jié)約72 萬元左右；再者，采用DCS 控制后，崗位的現(xiàn)場操作人員大量縮減，人工費(fèi)一年可以節(jié)約30 萬元左右。

5 結(jié)束語

某聚丙烯廠閃蒸釜的置換操作過程采用DCS 系統(tǒng)控制后，泵的啟停、閥門的操作以及整個(gè)置換過程都由DCS 自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，大幅降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量。 整個(gè)生產(chǎn)過程按照DCS 設(shè)置好的程序和算法運(yùn)行，提高了操作的平穩(wěn)性和可靠性，避免了人為因素造成的生產(chǎn)波動(dòng)和安全事故，減少了氮?dú)獾睦速M(fèi)，節(jié)約了成本，提高了聚丙烯產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量， 經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前國內(nèi)使用液相本體法工藝、間歇式生產(chǎn)的中小聚丙烯生產(chǎn)廠還有一定份額，本次改造的順利實(shí)施可為其他同類型工藝改造升級提供借鑒。