DCS在丙烯酰胺装置的应用

2011-12-08郑洁美广东寰球广业工程有限公司广州510655

化工设计 2011年6期

关键词：控制站丙烯腈丙烯酰胺

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DCS在丙烯酰胺装置的应用

郑洁美*广东寰球广业工程有限公司广州 510655

介绍DCS控制系统的结构及特性，网络的配置，部分控制方案及重要联锁的实现。

丙烯酰胺系统结构分程控制联锁组态

丙烯酰胺装置是聚丙烯酰胺装置扩能工程的主体装置之一，生产过程比较复杂，涉及的参数和控制回路较多，联锁控制多，采用DCS自动控制系统实现对生产过程的集中监测、记录、报警和联锁保护。本文以丙烯酰胺装置为例，介绍CENTUM－CS3000－R3 DCS控制系统，比较有代表性的控制回路以及安全联锁在DCS中的实现。

1 工艺流程简介

丙烯酰胺采用悬浮床连续催化法工艺，以丙烯腈和水为原料，在铜催化剂作用下，在三个串联反应器中水合生产丙烯酰胺。装置分为催化剂制备、催化剂回收、水合反应、浓缩、精制、产品6个工序和废水废气处理系统及氨压缩系统。

2 装置对DCS的要求

根据某厂50 kt/a丙烯酰胺装置工艺流程及管理操作要求，控制系统采用分散型控制系统(DCS)，设中心控制室集中管理和监控，现场测控仪表为电子智能型仪表，与机泵电气控制柜硬线连接，实现生产过程自动化。根据丙烯酰胺装置生产特点，设计安全联锁系统，以确保安全生产。确定该装置安全联锁系统为二级。装置的安全联锁系统采用DCS控制系统。

3 DCS系统

装置采用横河CENTUM－CS3000－R3 DCS的控制系统是近几年发展和改进的过程控制和工厂管理系统，便于扩展，能满足石油化工装置大规模生产的过程控制、检测、优化与管理的需要。

3.1 结构及特性

控制系统分监控层和现场层两部分:监控层包括工程师站1台、操作站3台;现场层为现场控制站1台。

(1)工程师站用于系统工程组态和管理，配备Ethernet(TCP/IP协议)接口及相应驱动软件。能提供高级语言(VB或VC语言)开发环境和多任务执行环境，高级语言可以对各个控制站进行数据读写。

(2)操作站之间具有相互备用功能。

(3)控制站由现场控制单元(FCU)、节点(NODE)及各级总线构成。控制站中的处理器、电源和通讯总线的I/O模块都为冗余配置，可以保障可靠性。互为冗余的卡件运行状态同步。

3.2 网络概况

为了实现系统的可靠性、实时性和开放性，横河CS3000系统均采用双重冗余网络结构和ESB通讯总线。

用于控制站内，中央主控制器FCU同本地I/O节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线，网络拓扑构成:总线型，通讯速率:128 Mb/s，每台控制站可连接14个I/O节点，最大通讯距离10 m。

用于控制站内本地I/O节点与远程I/O节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线，网络拓扑构成:总线型，通讯速率:10 Mb/s，每台控制站可从本地节点连接8个远程I/O节点，最大通讯距离20 km。

横河集散控制系统采用冗余的V net/IP网过程控制网络。它是连接操作站、现场控制站等设备的实时控制网络。采用符合IEEE802.4和UDP/ IP标准的复用控制网络V net/IP，控制网的传输速度高达1 Gb/s，满足了对实时性和大规模数据通讯的要求。

在保证可靠性的同时，又可以与开放的网络设备直接相连，使系统结构更加简单。V net/IP网络的设计是星型结构，为可靠性极高的控制网络，没有任何一段网的单一故障能影响到整个网络，没有任何网络元件上的单一故障能影响到工作站。

4 主要控制方案及实现

4.1 反应器的压力及温度控制

(1)反应系统中的水合反应顺序经过三个串联反应器，在反应器间的压差作用下，通过烛式过滤器使反应液进浓缩系统。压力不影响反应，压力设在0.15～0.20 MPa，已足够用来防止未反应的丙烯腈在约100℃发生闪蒸。通过分程调节(PC－316A/B)压力，加上T－311喷淋管、S－311和反应器过滤器的压力损失，决定反应器的压力。

由于长时间操作造成细小的催化剂颗粒会堵塞过滤器，导致反应器压力升高，过滤器允许的压力损失为0.05～0.1 MPa。当压力损失超过允许值，应对过滤器滤芯进行反洗。按与正常操作相反方向，从烛式过滤器滤芯内部向外部通脱盐水，过滤器堵塞就可消除。逐渐降低PC－316压力到0.05 MPa，开阀排除管线中的氮气冲洗管线。反洗结束后，调节PC－316压力到0.20 MPa。PC－316升压结束后，逐渐提高产量。压力的分程控制回路见图1。

图1 反应器压力分程控制回路

(2)反应温度是影响反应的控制指标。反应温度控制在89～98℃。可通过控制反应器夹套的热水流量来控制反应温度。反应过程中，反应温度高，转化率高，导致丙烯酰胺的副产物和聚合物增多。反应温度低，转化率低，在低反应温度下，有些副产物也会增多。

4.2 丙烯腈－水罐的压力控制

浓缩系统冷凝的丙烯腈和水通过泵送到AN－水罐。

丙烯腈－水在送去储罐前，已经过除氧，确保铜催化剂不被氧化，进而防止丙烯酰胺被氧聚合。为防止T－323中回收的丙烯腈水与空气接触，通过两根管线往T－323罐里注入氮气。

为了稳定罐T－323的压力，需在引入氮气管线上分支出一根管线用于放空，这两根管线分别用PC－324A、PC－324B来分程控制，使压力维持在0.00147 MPa。另外，为防止T－323超压，在储罐上安装有呼吸阀。

操作需在25%液位进行，所用的差压液位变送器的低压侧导压管处也需通入氮气，确保罐内气体不含氧，其控制回路见图2。

图2 丙烯腈—水罐压力控制回路

5 逻辑联锁组态

为确保安全生产，各工段设置联锁控制。浓缩工段停泵联锁控制示意见图3。

从反应器出来的高温丙烯酰胺溶液由泵P－321输送循环线，进加热器E－321时，会因为温度过高发生聚合反应，影响到产品的质量，因此需联锁停止泵，并关闭反应物进料阀FV－321以及E－321加热器的热水进水阀FV－322。为了阻止循环线上的物料因为打开泵在E－321聚合，需设置泵的联锁初始值定为0，正常泵是打开的，即正常值为1。DCS接收马达控制中心对泵P－321运行状态的信号，通过逻辑组态的脉冲输出，可以让输入端信号发生从“0”到“1”的状态变化时，输出立即为“1”保持t时间后变为“0”，以后一直为“0”，直到输入端再次发生从“0”到“1”的状态变化。通过脉冲输出，将辅操台(AXC)泵停信号的指示灯亮。在需要开泵时，可通过辅操台的联锁复位按钮的脉冲输出，使用优先触发器元件，保证泵需要停止时，即使复位但这复位作用不了，待泵需开时，才使联锁复位成立。因为阀FV－321和FV－322的故障状态为阀关，正常为阀开，即初始值为1，则关闭时其值应为“0”。当泵停灯亮为1时，在逻辑元件触发器为“1”值时，应触发后的值通过“非”后，值变为“0”，才能使阀FV－321和FV－322关闭。为保证泵能在特定情况下停，辅操台设旁路联锁旋转开关。这样，通过辅操台的旁路开关或者DCS的停止指示命令都可以实现泵停、关阀的逻辑输出。