在線分析儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)在煤制乙二醇裝置中的應(yīng)用

彭維

(中石化湖北化肥分公司，湖北 枝江 443200)

在線分析系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量成分實(shí)時(shí)檢測(cè)的唯一手段，可有效監(jiān)控物料的反應(yīng)率、轉(zhuǎn)化率、吸收率等，將質(zhì)量成分信息與常規(guī)儀表的檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合，可指導(dǎo)工藝準(zhǔn)確操作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和工藝安全。

在線分析儀表系統(tǒng)一般分為三部分： 試樣預(yù)處理系統(tǒng)、在線分析儀表本體、試樣處理集成分析小屋。該類系統(tǒng)和生產(chǎn)裝置一樣需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等過程，對(duì)不同物質(zhì)成分的分析，往往需要采用不同的測(cè)量方式或測(cè)量原理，對(duì)工廠維護(hù)人員提出了更高的技術(shù)要求，企業(yè)花費(fèi)大量的人力物力培養(yǎng)維修人員，也僅僅能解決現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的簡(jiǎn)單故障。建設(shè)和發(fā)展在線分析儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)能較好地解決在線分析儀表在使用和維護(hù)中遇到的難點(diǎn)。以下將以煤制乙二醇裝置為例，講述在線分析儀表系統(tǒng)的應(yīng)用。

近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)乙二醇的需求缺口較大，同時(shí)由于煤制乙二醇工藝的成熟和優(yōu)化，以及該工藝具有成本低的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)新上了大量的煤制乙二醇裝置，并且規(guī)模也由原來的200 kt/a逐步發(fā)展到400 kt/a甚至600 kt/a。在線分析儀表應(yīng)用于煤制乙二醇工藝的各個(gè)裝置和關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品質(zhì)量的控制和工藝裝置的安全性帶來了極大的便利性和不可替代性。1套行之有效的智能化在線分析儀表監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以統(tǒng)籌管理整個(gè)工藝的在線分析儀表，對(duì)分析儀表各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行智能判斷和報(bào)警，將提高煤制乙二醇裝置的自動(dòng)化水平和在線分析系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低儀表的維護(hù)量和維護(hù)成本。

1 在線分析儀表的應(yīng)用現(xiàn)狀

煤制乙二醇的工藝路線主要是： 利用煤氣化合成氣，通過中間產(chǎn)物亞硝酸甲酯(CH3NO2)進(jìn)一步合成乙二醇。CH3NO2是一種危險(xiǎn)性極高的氣體，與空氣能形成爆炸物，甚至預(yù)熱或光照都有可能發(fā)生分解爆炸。因?yàn)榉磻?yīng)過程復(fù)雜，同時(shí)生產(chǎn)工藝涉及到CH3NO2，CO，CH3OH等有毒可燃危險(xiǎn)氣體，因此對(duì)煤制乙二醇工藝過程監(jiān)控尤為重要。在線分析儀表應(yīng)用于工藝過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，并以實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的優(yōu)勢(shì)逐步替代人工取樣分析。在線分析儀在煤制乙二醇工藝的應(yīng)用點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 在線分析儀在煤制乙二醇工藝的應(yīng)用點(diǎn)分布示意

1.1 在煤氣化裝置的應(yīng)用

煤氣化裝置一般采用水煤漿氣化爐或粉煤氣化爐，主要用來煤、水和空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CO和H2，副產(chǎn)物CO2，CH4，NH3，H2S等，裝置內(nèi)主要分析2個(gè)點(diǎn)，如圖1所示。分析點(diǎn)1是氣化爐出水洗塔出口，分析點(diǎn)2是燒嘴冷卻水。分析點(diǎn)1主要采用在線色譜分析儀和在線連續(xù)分析儀組合分析法，分析合成氣中的H2，CO，CO2和CH4，用于監(jiān)測(cè)控制氣化爐內(nèi)各物料的配比，同時(shí)用CH4濃度監(jiān)測(cè)反應(yīng)爐膛內(nèi)溫度；分析點(diǎn)2主要采用在線連續(xù)紅外分析儀，監(jiān)測(cè)冷卻水內(nèi)的CO，如果燒嘴破損，起到監(jiān)測(cè)和報(bào)警的作用。

1.2 在變換裝置的應(yīng)用

變換裝置一般采用耐硫等溫變換，調(diào)節(jié)合成氣中CO和H2的比例，以應(yīng)用于后續(xù)工段。裝置內(nèi)主要有2個(gè)分析點(diǎn)： 分析點(diǎn)3分析反應(yīng)器出口合成氣，分析點(diǎn)4分析蒸汽換熱器微量CO。分析點(diǎn)3采用在線連續(xù)紅外分析儀，分析合成氣中的CO，監(jiān)測(cè)變換效率；分析點(diǎn)4采用在線連續(xù)紅外分析儀監(jiān)測(cè)蒸汽中的微量CO，用以監(jiān)測(cè)換熱器狀態(tài)，在換熱器泄漏時(shí)及時(shí)報(bào)警。

1.3 在凈化裝置的應(yīng)用

凈化裝置包括低溫甲醇洗，主要功能是進(jìn)一步凈化和提純合成氣中的有效組分，除掉合成中的雜質(zhì)和不參加反應(yīng)的氣體組分。裝置內(nèi)主要有2個(gè)分析點(diǎn)： 分析點(diǎn)5和6分析低溫甲醇洗出口凈化氣，采用在線色譜分析儀和在線連續(xù)紅外分析儀，分析凈化氣中的總硫和CO2含量，監(jiān)測(cè)凈化效率，防止后續(xù)工段中催化劑因H2S和CO2含量超標(biāo)中毒。

1.4 在乙二醇合成裝置的應(yīng)用

乙二醇合成裝置主要包含變壓吸附(PSA)裝置、草酸二甲酯(DMO)合成裝置和加氫反應(yīng)裝置，主要功能是合成氣通過多步反應(yīng)，生成乙二醇并提純。裝置內(nèi)主要有4個(gè)分析點(diǎn)： 分析點(diǎn)7和8分析原料制備和合成裝置出口反應(yīng)氣，分析點(diǎn)9分析回收甲醇,分析點(diǎn)10分析PSA出口H2。分析點(diǎn)7采用在線連續(xù)紅外分析技術(shù)分析反應(yīng)器出口中的NO，CO；分析點(diǎn)8采用在線色譜分析CH3NO2含量，監(jiān)測(cè)反應(yīng)效率，防止含量超標(biāo)而加大裝置爆炸風(fēng)險(xiǎn)；分析點(diǎn)9采用在線連續(xù)分析儀分析甲醇溶液中的H2O，監(jiān)測(cè)甲醇溶液的純度；分析點(diǎn)10采用在線連續(xù)熱導(dǎo)分析儀分析H2純度，以監(jiān)測(cè)吸附裝置狀態(tài)。

2 在線分析儀表在應(yīng)用中的問題

在線分析儀表是一種完全自動(dòng)化的分析儀表，正常工作時(shí)，無需人值守。但是，要求進(jìn)入儀表的試樣(氣體或液體)有一定條件，要求潔凈無雜質(zhì)，常溫常壓，壓力和流量穩(wěn)定，狀態(tài)恒定。但試樣一般都不具備這些條件，有的含雜質(zhì)顆粒和水，有的處于高溫高壓狀態(tài)，有的受系統(tǒng)影響較大，有的狀態(tài)不穩(wěn)定，這就需要一套合理完善的預(yù)處理系統(tǒng)與之配套。預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平直接決定了在線分析儀的應(yīng)用水平，配置不合理的預(yù)處理系統(tǒng)導(dǎo)致分析儀表維護(hù)量大，故障增多。例如，煤氣化裝置介質(zhì)高溫高壓含塵，不合理的預(yù)處理會(huì)導(dǎo)致管線經(jīng)常堵塞；變換裝置汽包蒸汽降溫效果不好，會(huì)直接導(dǎo)致儀表的損壞。

在線分析儀表種類繁多，儀表選型非常重要。在線色譜分析儀重復(fù)性好，但是周期長(zhǎng)；紅外分析儀速度快，但是成本高。選擇一款適合的儀表非常關(guān)鍵。在DMO合成工段，CO，NO，CH3NO2的分析要求速度快，響應(yīng)及時(shí)和準(zhǔn)確度高，色譜分析儀周期長(zhǎng)，滿足不了分析要求。因此該工段一般選擇用防爆紅外分析儀，儀表響應(yīng)快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高。

目前，在線分析儀已應(yīng)用于工藝裝置的各環(huán)節(jié)，但沒有形成完整的系統(tǒng)，而且在線分析儀在使用過程中需要定期的維護(hù)，工作量大，效率低。如： 一些報(bào)警和故障需要技術(shù)人員手動(dòng)處理，對(duì)儀表操作和管理人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高；在線分析儀都需要定期維護(hù)，定期做儀表標(biāo)定，例如紅外分析儀需要定期清理氣室，色譜分析儀還需要定期更換載氣等。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)在線分析儀表的管理

在線分析儀表多數(shù)遠(yuǎn)離巡檢人員值班室或處于現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域，若儀表巡檢不及時(shí)，對(duì)可能發(fā)生的故障判斷不足，都有可能使儀表處于“亞健康”工作狀態(tài)，若沒有及時(shí)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，造成分析數(shù)據(jù)失真，引起工藝波動(dòng)，甚至容易造成生產(chǎn)停車等情況。由于每套分析儀表對(duì)工藝介質(zhì)的分析都需要進(jìn)行預(yù)處理，使試樣達(dá)到分析儀表的溫度、壓力、流量等要求。針對(duì)該類情況，工廠設(shè)置智能監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，在取樣分析預(yù)處理部分增加自動(dòng)閥門，溫度、壓力和流量變送器，監(jiān)測(cè)被測(cè)試樣進(jìn)預(yù)處理的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)在線分析儀表的各項(xiàng)工作參數(shù)和報(bào)警數(shù)據(jù)。在人員未到現(xiàn)場(chǎng)的條件下對(duì)全廠在線分析儀表進(jìn)行“網(wǎng)絡(luò)巡檢”，一旦發(fā)現(xiàn)儀表參數(shù)不正常，或載氣壓力處于預(yù)設(shè)報(bào)警值，該系統(tǒng)提前預(yù)警，解決問題。

3.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)監(jiān)控維護(hù)，智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1)第一級(jí)： 采集在線分析儀表和預(yù)處理系統(tǒng)所有需要巡檢維護(hù)的數(shù)據(jù)并集中顯示。采集信號(hào)包括： 每套試樣預(yù)處理進(jìn)、出口的溫度，壓力，流量和每臺(tái)分析儀表的測(cè)量值與報(bào)警狀態(tài)。

2)第二級(jí)： 在維護(hù)人員辦公室或DCS控制室內(nèi)安裝監(jiān)控服務(wù)器，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)傳至該服務(wù)器，該服務(wù)器中設(shè)置專用智能監(jiān)控軟件，智能判斷所監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。若診斷出某數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，將及時(shí)啟動(dòng)本地及控制室的聲光報(bào)警，并用手機(jī)短信方式通知指定的維護(hù)人員，及時(shí)處理預(yù)發(fā)生的故障。該應(yīng)用可有效預(yù)防分析系統(tǒng)的故障出現(xiàn)，提前消滅安全隱患。

3)第三級(jí)： 在分析儀表系統(tǒng)制造工廠安裝服務(wù)器，用戶通過專有通信網(wǎng)絡(luò)，將診斷維護(hù)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送至制造工廠的服務(wù)器，制造廠的技術(shù)專家對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷后，可將診斷結(jié)果及處理辦法發(fā)回該用戶的監(jiān)控服務(wù)器，以便協(xié)助用戶現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員及時(shí)排除隱患情況。

圖2 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)核心功能

該系統(tǒng)核心功能包括以下幾個(gè)方面：

1)遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程查看、監(jiān)控儀器儀表的運(yùn)行狀態(tài)。

2)預(yù)警、報(bào)警。儀器儀表設(shè)備遠(yuǎn)程故障預(yù)警、報(bào)警。

3)遠(yuǎn)程故障診斷?？赏ㄟ^遠(yuǎn)程診斷方式解決設(shè)備出現(xiàn)的問題，快速維修且降低維護(hù)成本。

4)配件與產(chǎn)品管理。確保原廠配件銷售，并有效保障設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

5)生命周期管理。儀器儀表設(shè)備生命周期管理，制定有效的維保計(jì)劃，為設(shè)備的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行提供技術(shù)支持。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用及存在問題

由于裝置區(qū)域劃分，煤氣化、變換單元、低溫甲醇洗同屬于區(qū)域A，乙二醇裝置屬于區(qū)域B，在A區(qū)設(shè)置工控機(jī)A，與現(xiàn)場(chǎng)分析小屋中的在線色譜分析儀通過Comm Port口遠(yuǎn)程通信，采集色譜儀分析的數(shù)據(jù)，同時(shí)一并采集樣氣的壓力、溫度等參數(shù)，工控機(jī)A與DCS進(jìn)行通信，采集塔釜設(shè)備內(nèi)的溫度和壓力。

在設(shè)備投用初期，對(duì)相關(guān)壓力、溫度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比列表，列舉不同工況下，預(yù)處理裝置前后的壓力、溫度差，并對(duì)之間的差值設(shè)置偏差報(bào)警，一旦監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)偏差報(bào)警，維護(hù)人員就能迅速判斷取樣系統(tǒng)或者預(yù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，同時(shí)提示此次分析結(jié)果為無效分析數(shù)據(jù)。

在線色譜儀對(duì)檢維修人員的能力要求很高，一般企業(yè)很少具有專業(yè)性人才，儀表出現(xiàn)故障后，很難快速解決問題，通過遠(yuǎn)程診斷功能，可以與廠方或?qū)＜覉F(tuán)隊(duì)及時(shí)聯(lián)系，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員。

由于在線分析儀表廠家不同，儀表本身開發(fā)或能夠提供的參數(shù)有限，各廠家對(duì)數(shù)據(jù)的開放程度不一，通信對(duì)話方式不同，造成接入系統(tǒng)的技術(shù)難度增大。

4 結(jié)束語

總結(jié)說明了煤制乙二醇工業(yè)中在線分析儀表的應(yīng)用，分析了在線分析系統(tǒng)應(yīng)用過程所產(chǎn)生的問題，提出了智能監(jiān)控系統(tǒng)管理在線分析儀表的系統(tǒng)方法。智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用證明，智能監(jiān)控系統(tǒng)可有效提高儀表運(yùn)行效率，降低在線分析儀表維護(hù)量和維護(hù)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。