DCS在戊烷精分装置中的应用

2022-12-01刘庆丽

化工设计通讯 2022年10期

刘庆丽

（大庆油田化工有限公司轻烃分馏分公司，黑龙江大庆 163000）

随着我国国民经济的快速发展，市场化程度越来越高，国内石油化工企业竞争越来越激烈，通过开发和应用先进的自动化控制技术，提高企业生产效率、降低生产成本、提高生产过程的安全性，对于提升企业竞争力具有重要意义。集散控制系统（DCS）以其分散控制、集中监管的功能，在石油化工企业中得到广泛的应用，其区别于常规的PID控制技术，应用计算机控制技术、图形技术、通信技术，实现强大的控制功能，优化控制算法，较常规控制技术控制效果好，能够显著提升生产效率，提升企业经济效益。

我国石化企业在20世纪80年代开始引进、吸收国外DCS控制技术，实现快速发展，随钻计算机技术的飞速发展，推动DCS控制技术的不断革新，早期以过程监控为主，逐渐发展为生产监督和管理调度，后期逐步发展逻辑控制能力，形成了专家系统。我国早期以小型DCS为主，在引进吸收国外技术的基础上，逐渐提升DCS技术水平，实现生产管理的自动化、智能化水平。

DCS具有组态灵活、人机界面友好、管理功能强大的特点，在石油化工行业应用DCS不仅能够提升产品质量，还能通过自动化管理降低人工成本，减少生产过程中的材料消耗和浪费，从而降低了生产成本。正是由于这些优势，DCS在石油化工行业得到广泛应用。同时应该注意到，在DCS应用中，实际应用效果的好坏不完全取决于系统的价格及先进性，关键要针对特定生产过程，与生产过程匹配好，充分发挥系统的效能，才能提升系统应用效果。

1 DCS集散控制系统简介

在炼油化工系统中，应用DCS，能够实现系统的稳定性、安全性、可靠性、维护方便等，在炼油化工企业得到了广泛的应用。

DCS是20世纪70年代开始发展起来的控制系统，主要应用计算机控制技术、图形技术、通信技术等，以计算机系统为控制中枢，与普通控制技术相比，不仅具有集中控制功能，还增加了数据采集、数据处理及数据传输的功能，正是由于其强大的控制功能，实现对各项管理集中，同时能分散系统风险，提高控制系统运行的稳定性。DCS具有典型的分散采集各项数据，集中进行监管的功能，主要由以下几部分组成：①分散控制系统。DCS实现生产过程与控制系统的连接通过分散控制装置，该装置能够将生产过程中的各种数据转变为监控数据，同时采集生产过程中的各种信息，在数据的转换过程中涉及到多种算法，最后将这些数据及信息传输到管理系统；②信息通信系统。信息系统通过有线或无线信息传输通道，将分散控制系统采集的各种数据及信息传输到管理系统，实现对数据的高效管理；③管理系统。管理系统通过接受分散控制系统采集的各项数据及信息，以图形化及可视化界面显示，方便直观地查看显示结果，通过管理系统，可以发出操作指令，方便快捷地控制生产过程。同时还可以建立报警系统，通过设置各种参数门限，实现对生产异常情况监测，实现自动报警功能。不仅方便对生产过程的管理，还能提高系统运行安全性。

DCS具有结构优势，各分散系统能够独立工作，独立系统之间通过数据总线进行连通，实现数据传输。DCS具有明显的控制优势，能够实现过程控制和优化控制，过程控制能够实现对生产过程控制，使得生产过程平稳控制，优化控制对生产过程管理进行优化，提高生产管理效率。DCS结构如图1所示。

图1 DCS结构图

2 DCS功能

DCS控制功能较多，分为不同层级，低级的为现场控制，通过现场控制单元和各种控制站来实现的，通过不同的算法实现控制功能，常用的有逻辑运算法，四则运算法、PID控制法等，除了这些算法，还可以进行顺序控制，具有报警及预警效果，还具有联锁保护功能，如图2所示，可以根据不同的需求，设置不同的控制功能，实现对生产过程的高效控制，提高生产效率。

图2 DCS控制功能

DCS系统控制高效，操作起来较为方便。由于系统设置的灵活和功能强大的人机接口，控制起来很方便，系统设置CRT，能够对生产过程进行集中监测，控制起来方便快捷，也很方便打印各种工作报表。

由于系统采用DCS设计，根据不同的控制对象管理生产，采用组合式结构，各管理模块可以任意组合，各控制单元以控制柜、控制箱为单位，通过链路将各控制单位连接，将单个控制模块组合到一起，形成小的控制系统，小系统再链接到一起，形成中等规模系统或大规模控制系统。控制人员通过工作站，很方便控制生产现场。DCS控制系统构建采用标准化结构，如积木组合，拆卸装配很方便，维护成本低。由于DCS系统采用集中分散控制，将功能分散，具有自动诊断、联锁保护功能、纠错功能及人工控制功能等。当系统出现故障时，有多重措施解决，降低系统故障造成的风险。

DCS控制系统通信接口为通用接口，能够进行不同速率不同模式的通信，可以很方便地与计算机连接，形成自动化控制系统。经过多年的发展，DCS控制系统能够与各种产品互联互通，很方便地交换数据，在第三方软件上也能够应用，由此也推动了DCS控制系统不断发展及普及应用。

3 DCS控制系统选型

经过多年的发展，DCS控制系统发展迅速，衍生出了不同类型的产品，各产品在功能上差别较大，在价格上也存在较大差异，在选择DCS控制系统时，要根据生产需求合理选择，一般需要考虑以下几个方面。

1）根据生产需求合理选择DCS控制系统。在选择DCS控制系统时，要首先对生产流程、生产规模进行分析，对需要监测的流量、温度、压力、液位等进行分析，对需要收集的监控数据进行统计，综合考虑各项需求，选择DCS控制系统规模，既要保证DCS控制系统能够满足生产需求，也要保有一定的余量。

2）合理选择DCS系统控制功能。根据具体生产流程及产品类型不同，选择生产过程中顺序控制、批量控制、反馈控制以及报警等功能，以实现最优的控制，在出现异常情况时，能够以最快的速度控制。

3）要充分考虑DCS控制系统的扩展性。在选择DCS控制系统时，要从长远出发，考虑系统的升级及可扩展性，以满足不断升级的计算机系统及软件硬件设施，控制系统应具有较好的通用性，要求向上具有较好的连接性，能够传输数据，向下能够较好地连接各种智能仪器仪表，方便数据采集传输。

4）在通信方面，要求具有较好的开放性，既能方便实现数据传输，还能为新增通信提供便利。

5）在选择DCS控制系统时，要注重所选系统的应用效果，使用维护便利性，产品质量，以及制造厂商的支援能力，确保系统安全平稳运行。

4 DCS控制系统在戊烷精分中的应用

戊烷是重要的石油化工产品，其用途广泛。在戊烷精分装置中，通常以工业戊烷为原料，生产附加值更高的环戊烷、正戊烷、异戊烷，由于生产流程长、滞后性大，受影响因素多，产生较多的干扰，对控制系统要求较高。

戊烷精分装置采用低压精馏工艺，工艺流程中有四个分馏塔，即脱丁烷塔、脱异戊烷塔、脱正戊烷塔、脱环戊烷塔，生产的原料为工业混合戊烷，生产的产品主要为环戊烷、正戊烷、异戊烷。戊烷精分装置工艺比较复杂，各分馏塔之间、各流程间衔接紧密，在生产过程中需要对多项参数进行监测及控制，例如压力、温度、流量、液位等，每一项参数监测及控制形成一个独立的控制回路，对控制系统要求较高。戊烷精分装置生产控制存在以下难题：①生产装置生产流程长、受到的影响因素多、滞后较大等，对分馏塔的控制影响大。影响因素主要表现在进料量大、进料组分控制、分馏塔内温度、压力等，由于生产流程复杂，生产负荷需要调节，这些都会影响分馏塔的稳定工作，进料组分波动大也影响正常生产；②由于四个精馏塔存在较大的变量，对控制系统要求高，普通控制系统难以保证产品质量；③四个精馏塔呈串联关系，上游精馏塔塔釜采出就是下一个精馏塔的进料，上游精馏中液位的变化，会影响塔釜采出，导致下游的精馏塔进料波动，从而对生产造成影响。

戊烷精分装置先进控制系统示意图如图3所示，脱丁烷塔、脱异戊烷塔、脱正戊烷塔、脱环戊烷塔生产流程，控制温度、压力、流量、液位等参数，通过理论分析各精馏塔的控制回路关联性，开展流程模拟，分别建立四个精馏塔的控制器，然后通过预测控制、专家控制，建立先进控制系统。通过高度自动化的先进控制系统实施控制，戊烷精分装置的关键工艺指标表现平稳，克服了生产负荷、进料波动大等不利因素影响，提高了生产效率，降低了生产成本，提升了企业经济效益。