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    2. 走向21世紀的石油化工自動化技術

      時間:2021-04-22 16:54:27 作者: 蘇州市萊頓科學儀器 瀏覽量:154

      隨著計算機控制系統應用的迅速發展,根據現代化控制理論開發的先進控制軟件,現已取得較好的效益。在煉油化工企業計算機的先進控制方法主要有自適應控制(包括PID自適應控制)、多參數預估控制、組分推斷控制、神經網絡、 模糊控制、最佳控制及故障診斷系統等。采用先進控制可提高系統的控制適應能力,克服由于系統本身的時變性、非線性、不穩定性、外部擾動的隨機性及不可檢測等帶來的問題。國外已有18家公司共有120多種先進的控制軟件,逐步向標準化、工程化、商品化發展。這些軟件已應用于煉油裝置、乙烯、芳烴生產等,也有的用于工廠蒸汽系統、油品調合、油品儲運以及全廠綜合控制系統。另外,神經網絡與學習控制系統已實用化。

        先進的控制方法特別是預估控制技術、組分推斷控制、模糊控制、神經網絡技術、自適應控制、故障診斷等已實用化并取得較好效果。下面簡要介紹幾種先進的控制方法。

        1.1 組分推斷控制

        為了保證塔的產品質量,一般采用在線分析儀進行反饋控制,組分推斷控制可不用在線分析儀,是根據塔的進料量、壓力和溫度等參數由計算機快速計算出每一種產品的餾程95%點、90%點和10%點,可精確地進行反饋控制。這種技術可用于催化裂化、加氫裂化、焦化主分餾塔、潤滑油真空塔和石油華工分餾塔等,根據規模和能耗不同,典型收益為每年20到200萬美元,美國已有70套裝置采用。

        大連七廠、錦西煉廠已采用組分推斷控制,這種控制與中段回流節能控制組成實用的優化軟件,經濟效益明顯,值得推廣。

        1.2 多參數預估控制

        多參數預估控制(IDCOM)是運用現代化控制理論的一種先進控制,主要用于塔及反應器溫度控制,和處理難度較大的溫度影響動態特性問題。多輸入多輸出的(IDCOM)控制方法是使塔穩定操作的有效方法, 這種方法可采用脈沖響應模型為過程內部動態模型。

        1.3 模糊控制和神經網絡技術

        自90年代初模糊控制的熱潮波及到歐洲后,德國工程師就致力于研究工業自動化方面應用模糊控制,他們認為模糊控制技術是一種關鍵技術。模糊控制技術主要用于滯后大、非線性的石油華工對象?,F已有商用軟件。神經網絡技術可用于質量預測,與模糊控制技術相結合可用于控制石油華工非線性對象,常規儀表是不能完成這樣的控制任務的。

        2 用好在線質量分析儀表,提高產品質量實現優化控制

        在線質量分析儀表的應用是實現工藝過程先進控制和優化控制的有效手段。在線質量分析儀表早裝置調節控制、產品質量控制、節能控制和環保等方面得到廣泛的應用。

       2.1 在線質量分析儀

        工業色譜儀在乙烯、聚乙烯、丁二烯等裝置上已普遍使用。乙烯裂解裝置各種干燥氣體中的水份分析要用到微量水分析儀。工藝裝置循環水及鍋爐給排水的水質分析需要用工業酸度計和工業電導儀。工業鍋爐使用氧化鋯分析儀可節能5%左右,如果配上微機系統,可節能10%以上。另外, 還可采用在線分析儀和計算機組成環保監控西,對污水處理、有害氣體排放等進行控制??梢娫诰€質量分析儀表在工業上的應用是廣泛的。

        近紅外(NIR)分析儀發展很快, 它是利用全息干涉柵掃描光譜技術實現的。第一臺在線NIR是Guided Wave 1980年推出的Model 100,它的掃描光譜范圍是200 ~2000nm,精度為2nm。最近LT Industries推出的Quantum1200的掃描范圍為400 ~2400nm,精度為1nm。新近出現的固態傳感器有同樣高的光源效率,而且體積小、結實、沒有活動部件,它能夠非??斓貟呙枵麄€所需求的區域。最近NIR試圖通過 Michelson干涉儀得到中頻IR光譜(2~25mm),并利用快速傅立葉變換, 以得到更高的分辨率,今后NIR將發展更精確的定位濾鏡,研究所需檢測物質的光譜帶, 開發新的傳感器。NIR分析儀已應用于煉油廠測量與控制汽油辛烷值。

        在合成氨工藝中,用質譜儀監視和控制進料氣體。質譜儀的優點具有高速、多路、多組分的分析能力。在線質譜儀的分析范圍可以從很低的ppm級到百分含量,可以在幾秒鐘之內分析16種以上的成份,例如在丙烯腈(ACN)合成中,當丙烯同氫反應時,合成丙烯腈的同時出現許多付產物,質譜儀可以在幾秒鐘之內分析多種組份,并且質譜儀的數據處理系統可以計算丙烯轉化率,以便控制系統對ACN生產實現優化調節。

        在工業發達國家中,使用在線質量分析儀表參與控制非常普遍。據日本1996年統計,僅常壓蒸餾裝置的在線分析儀表就有295臺套。其中34臺套實現了閉環回路控制。菲利浦石油公司8座分餾塔采用計算機和氣相色譜儀參與過程控制,使8座塔平均節能24.7%。

        國內自己設計的裝置在線分析技術也有所發展。長嶺煉油廠使用沙市分析儀器廠生產的PPA?/FONT>69型傾點分析儀在催化裂化裝置上已形成控制回路,使用ZXZ-1汽油蒸汽壓儀在催化裂化裝置上實現在線監視;蘭州煉油廠也使用干點儀、初餾點儀和凝固點儀進行在線分析,基本上可代替人工分析,金陵石化公司煉油廠也實現了干點儀、分餾點儀、凝固點儀和氣相色譜儀進行在線分析,作為人工分析的主要參考數據。許多企業都在工業鍋爐煙氣中使用氧化鋯在線分析控制,以提高鍋爐效率、降低能耗。

        國產表的性能,可靠性、穩定性、精度以及防爆、防振、防腐蝕、防塵等方面,與國外產品有相當大的差距。但進口的分析儀表也不是都好用,如用進口質量分析儀表價格很高,平均價格比國內產品高很多。

        2.2 環境檢測分析儀

        隨著石油華工工業的發展,其工藝裝置對環境的污染越來越引起人們的注意。目前國家制定了法規來限制和監督工業三廢的排放,同時也發展了一系列的環境監視和分析儀表。

        環境檢測的指標主要有水中的PH、電導率、溶解氧、濁度、總有機碳含量,化學物質如硝酸鹽、氨、某些金屬等,以及廢氣中的SO2、NO、CO、CO2和粉塵等。

        當前,在工業發達國家中,都在積極發展在線分析儀和計算機監控的環保設施自動化技術。例如,ICI公司的Witton石油化工廠在排放管網區域選擇幾個有代表性的位置安放儀表,在線檢測溫度、PH值和總有機碳量。ICI公司還根據生物需要氧量(BOD)來確定氧消耗量,進而檢測出有機物的污染,該公司經過幾年的努力,已使BOD減少了75%,并計劃再減少50%。ICI公司還用比色儀檢測廢水廢氣中的金屬離子、氨、磷酸鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽以及用專用儀器監視煙氣中的粉塵等。 ICI公司的排出物監視系統的一個特點就是將各檢測數據集中到管理中心,這樣就可以根據檢測出的數據做出必要的處理。

        Hartmann和Braun公司安裝的氣體監視和分析軟件包,可用于監視焚燒爐排放的氣體,它可從煙氣中采樣,分析其中的SO2、NO、CO、HCI和固體顆粒。日本出光興產石油公司千葉煉油廠的污水排放監視系統中設置了PH值、油分、DO、COD等儀器,可集中監視并記錄。美國??松緹捰蛷S在污水生化曝氣池出水處設置DO和PH值在線分析儀連續監視,并按DO的檢測值調節曝氣機的轉速。美國聯碳公司得克薩斯城石油化工廠采用了總碳分析儀(TCA)和計算機控制的特定污染物(SOA)分析系統,對工廠的污水排放進口監控管理,整個系統自動操作。美國馬拉松石油公司加利維爾煉油廠為了控制排氣污染,采用了更先進的自動化UV過程分析儀和分散控制的連續監督調節系統,提高H2S和NH3過程廢氣轉化過程的控制效率和可靠性。該系統將二臺UV分析儀測得的數字量和模擬量提供給DCS,大大降低了煙氣中SO2的排放量,同時使過程操作和維修費用節約了60%。

        3 公用工程及貯運自動化

        3.1 公用工程

        公用工程裝置不是石油化工廠中的直接生產裝置,公用工程是向各工藝裝置供應能源的,同時也消耗能源。如何使公用工程裝置能源合理分配,達到燃料、蒸汽和電力優化分配,則是公用工程控制的目的。

        在經濟發達國家中十分重視公用工程的能源優化控制管理。目前國外有許多公司都推出自己的能源優化控制管理軟件包,對能源管理進行優化,以達到節約能源、提高效益的目的。

        美國SETPOINT公司的公用能源優化應用軟件包已在世界十幾個工廠中安裝使用。它是結合模擬和先進控制來建立一個全廠范圍內的能源管理系統,以最低的費用提供能源,它可以分析蒸汽量,優化控制鍋爐蒸汽產量,可以直接同過程計算機相連接,在線進行優化控制,可節約能源費用的2%~8%。

        ABB Simcon公司的能源管理系統(EMS),也是一種優化控制系統。它可以管理和控制工廠能源的發生和分配。它使用優化、能源預測、蒸汽和電力平衡,產汽和發電協調、自適應和預先控制,以達到燃料、 產汽控制優化的目的, 可以節約 5%~10%的能源消耗。

        英國KBC公司的蒸汽和電力控制包UTOPLA,已在世界范圍內安裝了50套。 它包括先進控制和公用工程效率優化模型。據測定,一個年處理量500萬噸的煉油廠使用該軟件包的年平均效益為100~350萬美元。

        美國應用自動化公司蒸汽系統編程(SSP)軟件包,是通用的蒸汽平衡軟件包,可根據實際情況最經濟地平衡蒸汽。它已在16個工廠中使用,每小時的節能效益為 50~400美元。

        CFPicou公司的蒸汽系統控制軟件包和Profimatics公司的UMP功用工程管理軟件包,通過對能源的優化管理,可節約公用工程費用1%~2%。我國的煉油廠或石油化工廠中只是對鍋爐的燃燒效率采取了某些節能措施,沒有很好地進行能源綜合管理,更沒有優化管理,所以能源的浪費也是比較嚴重的。如果使用計算機優化控制管理,將會得到明顯的經濟效益。

        3.2 儲運自動化系統

        隨著生產管理水平的不斷提高,油品儲運自動化的發展也逐步地受到重視。目前使用的儲罐液位計主要有稱重式液位計和鋼帶式液位計。進入90年代,國內外又有許多種液位計問世。著主要有非接觸式超聲波液位計、伺服馬達液位計、光導纖維液位計、靜壓式液位計、雷達式液位計等。

        石油化工產品的調合,是油品儲運系統中的重要組成部分。目前在管理調合方面是我國油品儲運自動化中的一個薄弱環節,應引起注意。

        下面介紹幾種國外正在運行的油品優化調合軟件及方案:

        英國KBC過程自動化有限公司的BLENDOP也是一種調合優化軟件包,可以非線性地調整相關數據并連續做優化處理。到1990年已有兩套在使用,兩套正在安裝,該軟件包包括漸近和步近的組態模式,結合組分價格和調合目標質量的優化模式,接收分析儀或實驗室數據來校正調合的模式,以及離線優化確定最初的組態配方。美國休斯敦SETPOINT公司的產品調合控制軟件包已在幾個煉油廠中得到應用。

        德國VEBA OEL公司的優化軟件包已在沙特阿拉伯Ras-Tanura煉油廠等三個煉油廠中使用。該軟件包用最少的昂貴組分,降低泄漏機會和再調合的工作,來改善煉油廠的卡邊操作。用該軟件包調合的汽油,僅由于多用丁烷一項,使每桶汽油至少降低10美分。

        近年來,國內的石化企業在油品儲運系統方面也有很大的進步。長嶺煉油廠的成品油罐就實現了計算機控制管理。該罐區中使用一臺PC機對60個儲罐進行數據集中采集,并實現了閥門的遙控;使用計算機和辛烷值在線分析實現了汽油管道調合,節省了高辛烷值汽油,在不到二年的時間里,效益達195萬元。金陵石化公司約有 60個儲罐實現了自動數據采集,并利用凝固點在線分析實現了柴油管道調合。揚子石化公司、上海煉油廠、大慶石化總廠等也都實現了計算機罐區管理,自動數據采集。上海煉油廠還采用YS-80系統實現了外輪油管道調合。 目前國內有的石化企業儲運自動化可以從灌區管理到成品油裝車計算機化。

        國外油品儲運系統應用計算機控制與管理,多采用DCS層次比較高。美國Oil System公司為煉油廠安裝了原油儲運控制系統。這套系統由VAX計算機與DCS、PLC和儲罐儀表組成,實現自動控制管理。法國ELF煉油廠的儲運系統采用計算機控制,并配有儲運自動化檢測模型。它可完成比例調合,通過多參數控制實現優化調合、物料運輸、調合運輸、油罐運輸監測、管道運輸監測等功能。

        今后儲運系統自動化將隨著計算機的應用,逐步向綜合化、網絡化發展,儲運系統計算機控制與管理將納入全廠計算機綜合控制、管理與經營系統之中,組成計算機綜合信息系統。這種先進的控制系統不僅有生產過程控制,而且還包括質量保證、工程、采購、市場預測、銷售和通訊,以達到現代化綜合管理的目的。

        4 建議

        隨著石化工業的發展,對儀表控制系統提出了更高的要求,電動儀表逐步向數字化、智能化方向發展,DCS向現場總線方向發展,計算機系統向網絡化、開放化發展。為了進一步發展我國儀表與控制系統?,F提出以下幾點建議。

        4.1重點搞好大型石化工程儀表成套工作

        大型乙烯廠、煉油廠和化纖廠所用的儀表、控制系統數量大、品種多,而國內配套儀表的品種不全,缺口儀表較多,如高壓液位計、高精度流量計、特殊調節閥 DCS等都需要進口,有些國產儀表質量還不過關, 引進技術儀表國產化率一高則質量就下降。另外,儀表所用輔助材料也不能成套供應。建議針對大型石化裝置儀表的需求進行組織攻關,提高質量,提高成套率,促進儀表的發展。

        4.2提高國產DCS可靠性并形成一定的生產規模

        我國石化生產裝置規模大,生產過程復雜,對計算機控制系統要求高,現在國產DCS還不能滿足要求,特別是可靠性方面差距較大。因此,石化裝置采用的400套 DCS大都是引進的,只有8套是國產的,其他分別從國外18家公司引進的,有20種型號。一個石化企業有時用3~5種不同型號的機型。 各種機型的通訊網絡標準不同,聯網困難,也給維護帶來不便。

        我國工業部門使用DCS數量較大,占儀表工程投資比例也高, 經濟效益明顯,因此,建議我國儀表和計算機行業投入強有力的技術人員,提高國產DCS可靠性。

        DCS軟件應解決死機問題,也可以配置國外成熟的組態軟件,提高DCS系統的可靠性。近期內,國產中小規模DCS系統可達到取代國外DCS的水平,占領國內一定的市場,如國內HS-2000、JX-300、友力-2000等,這是DCS國產化的曙光。

        4.3加強先進控制應用的研究工作

        隨著計算機控制系統應用的迅速發展,DCS配有先進控制軟件, 可取得明顯的效益。國外石化企業計算機控制系統中配有先進控制方法,主要有多參數預估控制、自適應控制、組分推斷空制模糊控制、最佳化控制和故障診斷等取得了較好的效果。

        國內石化企業所用DCS較多,但有些系統因采用一般控制方法, 效益不明顯,因此,現已組織開發應用軟件。先進過程控制技術效益明顯,但技術難度大、投資較高,針對石化企業具體工藝過程,可采用分層次的方法開展工作。

       ?。?)局部控制。有些不需要建立復雜模型的先進控制方法:前饋/反饋控制、支路平衡控制、約束控制、解耦控制等,可應用于工藝單元控制,如塔、爐子等進行局部優化控制,以節約能源,提高產品質量,投資少,見效快。

        ?。?)裝置級控制。應用現代控制理論和其他控制理論如預估控制、 模糊控制等進行裝置級優化控制,難度大、效益好。重點研究開發乙烯裂解爐轉化率及收率的優化控制、乙烯分離塔的預測控制、聚乙烯熔融指數與氫/乙烯比值的控制、 聚丙烯的聚合釜出料程序控制、丁二烯萃取塔優化控制、常減壓質量預測、催化裂化多參數預測控制等。

       ?。?)加強能源管理及優化軟件的開發及應用工作。 建議儀表計算機控制行業與石化工藝專業人員相結合,組織力量研究開發先進的能源管理及優化控制軟件,并逐步形成專業軟件公司推廣應用。

        7.4用好在線質量分析儀,提高產品質量,實現優化控制為了提高在線質量分析儀應用水平,首先抓好現有的在線質量分析儀的應用,對長期沒使用的在線質量分析儀,摸清情況,組織力量,解決儀表的薄弱環節如儀表的預處理系統,使儀表投運。制造商應采用新技術、提高儀表質量。煉油、石油化工裝置包括常減壓、催化裂化、乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙二醇、苯乙烯、丁二烯等十幾套裝置設置的在線質量分析儀主要有工業色譜儀(54臺)、密度儀(7臺)、PH計(75臺)、紅外線及氧分析儀(49臺)、水份分析儀(5臺)、電導儀(40臺)、聚脂粘度計(12臺)、可燃氣報警器(360臺)及餾程、 閃點、蒸汽壓、傾點、冰點等分析儀。近期重點搞好在線近紅外線分析儀和原油含水分析儀。

        4.5 工業PC機廣泛使用,占領相當大的市場。

        PC機應用于工業自動化是實現低成本自動化的重點途徑。我國工業PC機的開發和應用取得了較大的進展。石化企業應用工業PC機對油品儲運監控、調合優化控制、計量數據采集、水處理監控以及加熱爐節能控制等,已取得較明顯的效益。我認為采用工業PC機是生產過程技術改造、技術進步行之有效的措施之一,有些中小規模裝置或項目,不一定都采用價格比較高的DCS。

        7.6重視現場智能儀表和現場總線控制系統試點工作根據上述介紹,現場總線有很多優點,但是,現場總線和產品現只是在簡單工廠試運行,還未用于比較復雜、規模較大的生產裝置,現場總線技術達到安全成熟階段,也有一個過程。用戶真正采用現場總線是有一個逐步過渡的過程。

       ?。?)研究從現有模擬儀表系統向FF現場總線全數字系統過渡的方式。國內外都在研究過渡的方式,機械部專家經調研,提出采用HART通訊協議作為先導,逐步向現場總線過渡,是比較穩妥和易被人接受的方式。這種方式是可行的。在石化工程項目進行儀表與控制系統改造時,若考慮企業儀表更新的過渡方式,建議可優先考慮HART協議產品。國外HART協議已使用多年,技術成熟可靠。我們也有使用的經驗。

       ?。?)密切關注現場總線發展動向及時抓好試點工作。我們有必要及時了解國內外現場總線的發展動向和試用情況,尤其要關心現場總線將會對石化企業自控系統發展的影響。石化企業在制定儀表控制應用、發展規劃以及科研開發規劃時,建議要考慮現場總線技術的影響,并制定相應的對策,新建項目用DCS時,不應再選老式DCS,應選開放式DCS或選基于PC機的操作站以適應今后的發展。 抓好現場總線智能儀表和控制系統的試點工作,以取得經驗,指導新技術的應用工作。

        5 結束語

        隨著20世紀的結束21世紀的到來,人類迎來了知識經濟的時代。在知識經濟的條件下,社會生產方式、經濟活動空間、經濟組織形式都將發生深刻的變化。每個企業都只能在知識密集、信息密集的產業鏈上實現其價值。企業內部的組織形式從金字塔式的管理方式轉化為網絡化的平面管理。這時,企業的綜合信息管理系統的建立和應用就顯得更加重要。因此,石化企業的領導應該更加重視發展儀表自動化技術,更好地預見和占有市場,以取得更大的經濟效益。



      文章轉自:http://www.tonglitech.com/index.php/industrytrends/179.html

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