石化企业过程控制系统及全生命周期管理

2020-01-01戴飞

石油和化工设备 2020年9期

戴飞

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

随着海外原油炼制量的增加，原油品位不断下降，国内石油化工企业的加工和炼制成本越来越高，为了节能降耗，提高装置的利用率，通常采用过程控制系统对大型生产装置（常减压、催化裂化、加氢、延迟焦化等装置）进行优化管理和控制，把控制节点落实在阀门、管件、法兰等细节单元，避免装置在实际运行中出现边界条件操作，以提高产品成功率，降低能耗。

1 过程控制系统简述

目前，大部分对装置及部件的调节和控制基本按照偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制，简称PID控制器，但随着工业化进程的不断发展，对产品的质量条件和装置的运行参数之间的波动范围要求越来越严，简单易行的PID控制已不能满足要求，主要表现在一方面PID的调节范围过大，精细程度不够，很难实现对边界条件的处理，另一方面PID只能进行单一变量的调节，无法实现多变量协同动作。

过程控制系统是指借助计算机、单片机和可编程逻辑器等计算单元将生产能力控制在一个最佳状态，该技术综合了软件建模、多因素评估判别、软测量技术等，可以对不同的装置及单元进行优化配置，实现多变量协同动作，减少非常规启停等操作对过程变量的影响，保证产品质量的连续性和均匀性，主要包括DCS系统、PLC系统、紧急停车系统、可燃气体报警系统、火灾报警系统等。从1960年开始，Richalet和Culter等人首次提出了过程控制概念，并在航空航天、精细化工等领域取得应用，实现了在复杂工况条件下的应用案例。

2 国内外发展现状

目前，美国、欧盟、日本等发达国家已普遍应用了过程控制系统，美国已实现了90%的覆盖率。

(1)ExxonMobil公司在所属的化工厂安装了20套过程控制系统，通过技术革新，建立了自己的运行及维护保养队伍，产品成功率提高了1%-3%；

(2)Dow化学工程公司在全球范围内的乙烯产品装置上安装了15套过程控制系统，4年内累计增加产值1.72亿美元；

(3)BP石油公司在新建和已建的炼油厂、化工厂安装了过程控制系统，主要包括芳烃装置、PP装置、PE装置和PTA装置等，并在系统维护方面开发了能耗自动测试软件，用于控制系统的反馈和持续改进。

目前，过程控制系统在国内石化企业有了部分应用，中国石油在大庆、辽河、长庆、呼和浩特等地的炼油装置上进行了试点，已建80余套，实施后，炼油装置工艺参数波动的均方差降低15%-20%，实现了对设定目标值的多参数协同操作。中国石化的过程控制系统主要集中应用在催化裂化、催化处理、石油精制、脱硫提纯等工艺，目前应用了350余套，应用后，炼油装置平均每套产生经济效益582万元，化工装置平均每套产生经济效益365万元，主工艺的产品成功率提高0.8%-1%，如延迟焦化装置实施后，轻质油回收率提高了1.5%；中海油在惠州、湛江、海口等地的PE项目也应用了该系统，可有效降低加热炉的排烟温度和过剩空气系数，提高能源一次利用率，主装置的运行能耗降低0.7%以上，附加产品的回收率提高了0.5%，年节约运行成本450万元。

3 全生命周期管理

石油化工装置按照功能一般分为主产品生产装置、配套公用设施、原料设备区和废水、废气、废渣处理装置等，其中绝大部分装置及生产区域属于高温高压、毒性、易燃易爆场所，因此采用过程控制系统进行优化管理尤为重要。过程控制系统的全生命周期管理是指从初步设计、仪表选型、组态模拟、安装调试、运行维护、升级改造、废弃停用等方面进行全过程管理。

3.1 设计、选型阶段

该阶段主要依照国家及行业标准的相关要求，如GB/T 50770-2013《石油化工安全仪表系统设计规范》、GB/T 21109-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》、SH/T 3092-2013《石油化工分散控制系统设计规范》等。

对于已建工程，设计和选型首先要满足当前设备装置的需求并充分考虑预留，一般按照10%-20%进行预留端口；其次，要充分考虑不同系统之间接口的兼容性，保证服务器向下具有绝对兼容性；最后，要求同一控制回路的I/O点位尽量放置在同一控制器卡槽中，减少不同工控系统之间的传输量和交互作用，保证单一系统的绝对封闭性，不同系统和接地系统之间进行有效的电气隔离。

具体措施如下：(1)将设备按照重要程度进行分级管理，分别采用双电源双母线、双电源单母线或单电源单母线进行供电，并不断进行供电可靠性校核；(2)注意控制系统的防雷、接地与电气等线路的搭接，在压力变送器和引压管之间安装绝缘卡套，在接地线与接地体之间安装固态去耦合器或火花间隙等装置；(3)控制系统的接地电阻满足规范要求，不大于4Ω，在机柜房间设置防静电装置，释放人体所带静电；(4)进行GPS时钟同步，为非正常停车时间提供技术保障。

3.2 组态模拟、安装调试、运行维护阶段

该阶段在室内装修、机柜安装等工序结束后进行，应保证室内温度、湿度及清洁度满足规范的要求，组态模拟应满足功能逻辑图和因果图，可选用Wonderware、Simulink等组态软件。组态应包括组态检查、提供标准模块、组态管理、仿真和测试等相关功能。此外，组态模拟的过程尽量不要进行大范围的在线安装和修改，如确实需要进行在线调试，应进行本地和云端的双备份处理。

在系统的安装调试过程中，安全、可靠的接地设置是保证整个系统运行的关键因素之一，现在大型石化厂区一般推荐采用联合接地方式，即保护接地、工作接地、控制接地、防雷接地联用。应注意：室内需要接地的各金属构筑物需要先接到各自的接地铜排，然后再连接到接地支线，最后汇集到接地总线；所有金属构筑物需要进行等电位连接，连接导线横截面积不应小于4mm2，宜选用多股绝缘铜芯电缆进行安装；不同系统的接地电阻应选用最小值，且不大于4Ω。

安装调试分为两部分，试运行和现场验收，试运行是为了检验电气仪表设备和软件的匹配合规程度，现场验收是为了正式开车前的最后准备，包括软硬件上电检查、单一系统上电检查、联合系统上电检查、联锁控制与调试等，要保证整个上电过程的安全，对于其中出现的短路、断路等问题，应检查各控制回路与直流供电电源之间的绝缘性，检查保护绝缘接头的电火花间隙或用钳形电流表测试一次仪表有无电流流过，按照以下顺序进行逐一上电：配电间、不间断电源、控制系统总电源、卡槽等，且应保证先将一路母线上电后，确保其余设备无故障出现再上另一路母线。

3.3 运行维护阶段

加强石油化工装置的安全运行同样重要，统计数据表明，60%以上的现场事故是由于运行过程中维护维修不到位、不及时造成的。

首先，建立健全质量管理体系，按照GB/T 19001-2016《质量管理体系标准》、GB/T 24001-2016《环境管理体系标准》和GB/T 28001-2011《职业健康安全管理体标准》要求编制质量手册、程序文件、作业文件，对有毒性、可燃气体场所实施单独管理，按照要求配备安全管理人员，定期定时对设备进行巡检；其次，改善系统运行环境，保证机柜和操作空间的环境适宜，无油污、振动及电磁干扰等现象，如发现问题及时记录在案，在维护维修的过程中，可充分结合现场工况条件，应用层次分析法、模糊判别法、支持向量机等综合评价方法对备选方案进行客观性评价，加大预防性维修的比例，把事后处理变为事前处理。

对于年度检修项目，应重点关注以下几点：对系统软件进行全面排查，对硬件的冗余设备先进行安全措施隔离，再针对正在运行的设备进行自动或人工切换，保证单一设备和切换功能完好，对不间断电源、接地等系统进行可靠性试验，确保极端条件下系统的可用性；对抽样的系统卡槽和卡件进行100%检查，如合格率低于95%，则进行双倍复检。