基于順序控制的切換冷卻器一鍵切換改造與優(yōu)化

徐星宇

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司BDO部，江蘇儀征 211900)

1 裝置工藝流程概述

某化工裝置是以正丁烷和壓縮空氣為主要原料，在一定條件和催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，主要產(chǎn)物為順丁烯二酸酐，副產(chǎn)物為過度氧化的COx、焦油、磷化合物、馬來酸(MAC)和富馬酸(FAC)等。氧化反應(yīng)器產(chǎn)生的高溫富產(chǎn)品氣經(jīng)過氣體冷卻器進(jìn)行初步冷卻，然后經(jīng)過切換冷卻器進(jìn)一步冷卻，終冷氣體再送至吸收和汽提單元進(jìn)行吸收和提純精致，直至生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。吸收剩余的廢氣送至余熱鍋爐燃燒產(chǎn)生過熱蒸汽，供給工廠自用或外輸給其他裝置。

副產(chǎn)物在第一氣體冷卻器不易析出，在第二冷卻器即切換冷卻器中，大部分的焦油、磷化合物、MAC、和FAC會(huì)附著在固定管板式切換冷卻器中。按照操作指導(dǎo)書和同類型工藝裝置經(jīng)驗(yàn)，切換冷卻器在線運(yùn)行480～520小時(shí)左右需要進(jìn)行切換清洗作業(yè)，使附著的焦油和磷化物等副產(chǎn)品從切換冷卻器中分離出來。如果不能及時(shí)將焦油等雜質(zhì)清理出，輕則會(huì)降低換熱效果增加裝置能耗，重則造成裝置非計(jì)劃停產(chǎn)或安全環(huán)保事故。

為了提高裝置生產(chǎn)效率和使效益最大化，某裝置三臺(tái)反應(yīng)器各配備一臺(tái)固定管板式切換冷卻器，三臺(tái)共同備用一臺(tái)切換冷卻器。切換冷卻器工藝流程概圖如圖1所示。每臺(tái)切換冷卻器經(jīng)過三周連續(xù)在線運(yùn)行后，換熱效率降低、能耗急劇增加，產(chǎn)品中各種雜質(zhì)含量明顯升高，對后續(xù)工藝操作和產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。

圖1 切換冷卻器工藝流程圖

2 改造前操作流程簡述

原設(shè)計(jì)的切換冷卻器切換方式為純手動(dòng)控制，切換前需要操作人員手動(dòng)降低正丁烷進(jìn)料濃度，降低氣體冷卻器和切換冷卻器的溫度，再確認(rèn)此切換冷卻器工藝路線上的聯(lián)鎖儀表運(yùn)行狀態(tài)后，在現(xiàn)場手動(dòng)按照工藝規(guī)程順序操作在線臺(tái)的進(jìn)出口閥門和備用臺(tái)的進(jìn)出口閥門，逐步確認(rèn)后，切入離線臺(tái)切換冷卻器進(jìn)行升溫操作，待狀態(tài)確認(rèn)后才可將備臺(tái)儀表切回在線狀態(tài)，隨后逐步升高正丁烷濃度，切換流程如圖2所示。

人工確認(rèn)正常后清洗切換冷卻器，恢復(fù)正常生產(chǎn)。操作人員工作量和工作強(qiáng)度較大，對操作人員的技術(shù)要求較高。

圖2 手動(dòng)切換操作流程圖

3 控制方案設(shè)計(jì)

通過控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯改造，重新設(shè)計(jì)切換模型來實(shí)現(xiàn)切換冷卻器一鍵全自動(dòng)切換[1-2]。針對每臺(tái)切換冷卻器分別設(shè)計(jì)一套程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換，在每一步切換過程中，執(zhí)行邏輯程序之前，都對現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行判斷和比較，確保安全無誤后再執(zhí)行后續(xù)操作，執(zhí)行完畢再次與預(yù)設(shè)目標(biāo)狀態(tài)比較，執(zhí)行過程中如有異常，隨時(shí)中斷并執(zhí)行安全步驟。改造后的操作流程如圖3所示。

圖3 一鍵切換操作流程圖

首先，系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)吸收塔塔釜液位(LT)滿足條件，備用切換冷卻器已用鍋爐水預(yù)熱且溫度(TT)滿足條件和反應(yīng)器出入口壓力控制設(shè)定為手動(dòng)控制后，通過調(diào)節(jié)正丁烷進(jìn)料控制閥FV的開度來控制反應(yīng)進(jìn)料的濃度，當(dāng)流量計(jì)(FT)檢測到流量小于預(yù)設(shè)值時(shí)，控制程序自動(dòng)依次先打開備用切換冷卻器的出口閥門，出口閥門已開信號反饋給控制程序后，延時(shí)打開備用切換冷卻器的入口閥門，系統(tǒng)再次確認(rèn)出入口閥門開關(guān)狀態(tài)是否正常。至此，備用切換冷卻器和在用切換冷卻器切入并列運(yùn)行，兩臺(tái)切換冷卻器的出入口閥門均為打開狀態(tài)。然后程序依次自動(dòng)關(guān)閉在用切換冷卻器的入口閥門和出口閥門，每一步都需要反饋狀態(tài)信號給控制程序。至此，在用臺(tái)切換冷卻器完成切出。然后控制程序自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料流量控制閥的開度，待流量計(jì)(FT)檢測到流量正常后，對分析儀入口的電磁閥進(jìn)行切換。至此，所有切換工作均自動(dòng)完成，程序再進(jìn)行初始化設(shè)置，計(jì)時(shí)器及緩存清空，為下一次切換操作做準(zhǔn)備工作。自動(dòng)切換過程中的每一步均有容錯(cuò)設(shè)計(jì)，如切換不正常或者現(xiàn)場動(dòng)作不到位，都會(huì)進(jìn)入到異常中斷程序步驟，防止安全環(huán)保事故發(fā)生和后續(xù)切換步驟的執(zhí)行錯(cuò)誤。

4 改造方案實(shí)施

此改造無需增加硬件成本，只需要對原過程控制系統(tǒng)的各種信號及參數(shù)重新進(jìn)行組合優(yōu)化即可[3]。在檢修窗口期，按照圖4所示邏輯圖進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，首先手動(dòng)模擬各種觸發(fā)條件進(jìn)行系統(tǒng)軟件測試，然后進(jìn)行現(xiàn)場無負(fù)荷測試，最后在開車低負(fù)荷情況下進(jìn)行聯(lián)動(dòng)有負(fù)荷的測試，測試通過后投入正常使用[4]。

圖4 一鍵切換操作控制程序圖

5 改造前后效果對比

5.1 改造前后故障率對比

改造實(shí)施前后，切換冷卻器切換異常故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)對比如表1所示。

表1 改造前后異常故障次數(shù)分析表

5.2 改造前后安全性對比

改造前，工藝操作人員按照工藝操作指導(dǎo)書和工藝操作卡操作，無安全措施和防誤操作措施，全部依靠操作人員的技術(shù)水平和責(zé)任心，必須嚴(yán)格按照操作指導(dǎo)書和操作步驟操作，否則會(huì)造成管道和設(shè)備超壓，輕則停產(chǎn)，重則釀成安全環(huán)保事故。改造后，每一步操作前，系統(tǒng)自動(dòng)對允許切換準(zhǔn)備條件進(jìn)行驗(yàn)證和判斷，每一步操作后都有狀態(tài)的反饋和程序二次自動(dòng)確認(rèn)，確保在安全條件下進(jìn)行自動(dòng)操作。如果條件不滿足或者執(zhí)行異常，則會(huì)自動(dòng)執(zhí)行安全運(yùn)行模式。改造后的操作和執(zhí)行回路通過IEC61508和IEC61511認(rèn)證的SIL認(rèn)證和HOZAP分析驗(yàn)證，異常故障(包括切換不成功和切換異常中斷)概率達(dá)到10-2數(shù)量級[5]。

5.3 改造前后操作效率對比

改造前，較難把握固定式管板換熱器冷卻器切換時(shí)間點(diǎn)，只能靠空氣進(jìn)料控制閥門的開度趨勢及經(jīng)驗(yàn)值人工判斷。改造后，設(shè)計(jì)出一套程序，綜合整個(gè)切換冷卻器系統(tǒng)的溫度差、壓力降及鍋爐水系統(tǒng)的液位變化等工藝過程參數(shù)趨勢，系統(tǒng)預(yù)測出切換冷卻器切換剩余時(shí)間倒計(jì)時(shí)，給工藝切換操作提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐和量化依據(jù)。

改造前，整個(gè)切換過程需要2～3名有經(jīng)驗(yàn)的操作人員配合，在切換冷卻器三層樓高強(qiáng)度工作約15～16 h，且整個(gè)車間可以勝任此工作的人員較少，不利于裝置向自動(dòng)化智能化發(fā)展。改造后，無需人員現(xiàn)場操作，僅需要一名中控操作人員在中控點(diǎn)擊開始切換按鈕，監(jiān)控操作過程即可，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮減了切換時(shí)間。改造前后切換用時(shí)對比如下表2所示，改造前平均切換耗時(shí) 14.67 h，改造完成后平均耗時(shí)4.74 h，較改造前效率提高3倍。

表2 改造前后切換用時(shí)統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)束語

通過順序控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的，達(dá)到預(yù)期效果。隨著集散控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展,順控系統(tǒng)也有了進(jìn)一步的發(fā)展,順序控制已不再局限于對設(shè)備啟停的簡單步序操作,而發(fā)展成為包含步序控制、聯(lián)鎖保護(hù)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等多功能的綜合控制系統(tǒng)。順序控制減少了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度,減少了誤操作的可能。該方法適用于復(fù)雜回路等多條件判斷與多步驟分步執(zhí)行控制方案，能極大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，但是對過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與維護(hù)人員的能力和素質(zhì)要求較高。