戴飛

（中國石化工程建設(shè)有限公司， 北京 100101）

隨著海外原油煉制量的增加，原油品位不斷下降，國內(nèi)石油化工企業(yè)的加工和煉制成本越來越高，為了節(jié)能降耗，提高裝置的利用率，通常采用過程控制系統(tǒng)對大型生產(chǎn)裝置（常減壓、催化裂化、加氫、延遲焦化等裝置）進行優(yōu)化管理和控制，把控制節(jié)點落實在閥門、管件、法蘭等細節(jié)單元，避免裝置在實際運行中出現(xiàn)邊界條件操作，以提高產(chǎn)品成功率，降低能耗。

1 過程控制系統(tǒng)簡述

目前，大部分對裝置及部件的調(diào)節(jié)和控制基本按照偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制，簡稱PID控制器，但隨著工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，對產(chǎn)品的質(zhì)量條件和裝置的運行參數(shù)之間的波動范圍要求越來越嚴，簡單易行的PID控制已不能滿足要求，主要表現(xiàn)在一方面PID的調(diào)節(jié)范圍過大，精細程度不夠，很難實現(xiàn)對邊界條件的處理，另一方面PID只能進行單一變量的調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)多變量協(xié)同動作。

過程控制系統(tǒng)是指借助計算機、單片機和可編程邏輯器等計算單元將生產(chǎn)能力控制在一個最佳狀態(tài)，該技術(shù)綜合了軟件建模、多因素評估判別、軟測量技術(shù)等，可以對不同的裝置及單元進行優(yōu)化配置，實現(xiàn)多變量協(xié)同動作，減少非常規(guī)啟停等操作對過程變量的影響，保證產(chǎn)品質(zhì)量的連續(xù)性和均勻性，主要包括DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、可燃氣體報警系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等。從1960年開始，Richalet和Culter等人首次提出了過程控制概念，并在航空航天、精細化工等領(lǐng)域取得應(yīng)用，實現(xiàn)了在復(fù)雜工況條件下的應(yīng)用案例。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，美國、歐盟、日本等發(fā)達國家已普遍應(yīng)用了過程控制系統(tǒng)，美國已實現(xiàn)了90%的覆蓋率。

(1)ExxonMobil公司在所屬的化工廠安裝了20套過程控制系統(tǒng)，通過技術(shù)革新，建立了自己的運行及維護保養(yǎng)隊伍，產(chǎn)品成功率提高了1%-3%；

(2)Dow化學(xué)工程公司在全球范圍內(nèi)的乙烯產(chǎn)品裝置上安裝了15套過程控制系統(tǒng)，4年內(nèi)累計增加產(chǎn)值1.72億美元；

(3)BP石油公司在新建和已建的煉油廠、化工廠安裝了過程控制系統(tǒng)，主要包括芳烴裝置、PP裝置、PE裝置和PTA裝置等，并在系統(tǒng)維護方面開發(fā)了能耗自動測試軟件，用于控制系統(tǒng)的反饋和持續(xù)改進。

目前，過程控制系統(tǒng)在國內(nèi)石化企業(yè)有了部分應(yīng)用，中國石油在大慶、遼河、長慶、呼和浩特等地的煉油裝置上進行了試點，已建80余套，實施后，煉油裝置工藝參數(shù)波動的均方差降低15%-20%，實現(xiàn)了對設(shè)定目標值的多參數(shù)協(xié)同操作。中國石化的過程控制系統(tǒng)主要集中應(yīng)用在催化裂化、催化處理、石油精制、脫硫提純等工藝，目前應(yīng)用了350余套，應(yīng)用后，煉油裝置平均每套產(chǎn)生經(jīng)濟效益582萬元，化工裝置平均每套產(chǎn)生經(jīng)濟效益365萬元，主工藝的產(chǎn)品成功率提高0.8%-1%，如延遲焦化裝置實施后，輕質(zhì)油回收率提高了1.5%；中海油在惠州、湛江、海口等地的PE項目也應(yīng)用了該系統(tǒng)，可有效降低加熱爐的排煙溫度和過剩空氣系數(shù)，提高能源一次利用率，主裝置的運行能耗降低0.7%以上，附加產(chǎn)品的回收率提高了0.5%，年節(jié)約運行成本450萬元。

3 全生命周期管理

石油化工裝置按照功能一般分為主產(chǎn)品生產(chǎn)裝置、配套公用設(shè)施、原料設(shè)備區(qū)和廢水、廢氣、廢渣處理裝置等，其中絕大部分裝置及生產(chǎn)區(qū)域?qū)儆诟邷馗邏?、毒性、易燃易爆場所，因此采用過程控制系統(tǒng)進行優(yōu)化管理尤為重要。過程控制系統(tǒng)的全生命周期管理是指從初步設(shè)計、儀表選型、組態(tài)模擬、安裝調(diào)試、運行維護、升級改造、廢棄停用等方面進行全過程管理。

3.1 設(shè)計、選型階段

該階段主要依照國家及行業(yè)標準的相關(guān)要求，如GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》、GB/T 21109-2007《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》、SH/T 3092-2013《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》等。

對于已建工程，設(shè)計和選型首先要滿足當前設(shè)備裝置的需求并充分考慮預(yù)留，一般按照10%-20%進行預(yù)留端口；其次，要充分考慮不同系統(tǒng)之間接口的兼容性，保證服務(wù)器向下具有絕對兼容性；最后，要求同一控制回路的I/O點位盡量放置在同一控制器卡槽中，減少不同工控系統(tǒng)之間的傳輸量和交互作用，保證單一系統(tǒng)的絕對封閉性，不同系統(tǒng)和接地系統(tǒng)之間進行有效的電氣隔離。

具體措施如下：(1)將設(shè)備按照重要程度進行分級管理，分別采用雙電源雙母線、雙電源單母線或單電源單母線進行供電，并不斷進行供電可靠性校核；(2)注意控制系統(tǒng)的防雷、接地與電氣等線路的搭接，在壓力變送器和引壓管之間安裝絕緣卡套，在接地線與接地體之間安裝固態(tài)去耦合器或火花間隙等裝置；(3)控制系統(tǒng)的接地電阻滿足規(guī)范要求，不大于4Ω，在機柜房間設(shè)置防靜電裝置，釋放人體所帶靜電；(4)進行GPS時鐘同步，為非正常停車時間提供技術(shù)保障。

3.2 組態(tài)模擬、安裝調(diào)試、運行維護階段

該階段在室內(nèi)裝修、機柜安裝等工序結(jié)束后進行，應(yīng)保證室內(nèi)溫度、濕度及清潔度滿足規(guī)范的要求，組態(tài)模擬應(yīng)滿足功能邏輯圖和因果圖，可選用Wonderware、Simulink等組態(tài)軟件。組態(tài)應(yīng)包括組態(tài)檢查、提供標準模塊、組態(tài)管理、仿真和測試等相關(guān)功能。此外，組態(tài)模擬的過程盡量不要進行大范圍的在線安裝和修改，如確實需要進行在線調(diào)試，應(yīng)進行本地和云端的雙備份處理。

在系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中，安全、可靠的接地設(shè)置是保證整個系統(tǒng)運行的關(guān)鍵因素之一，現(xiàn)在大型石化廠區(qū)一般推薦采用聯(lián)合接地方式，即保護接地、工作接地、控制接地、防雷接地聯(lián)用。應(yīng)注意：室內(nèi)需要接地的各金屬構(gòu)筑物需要先接到各自的接地銅排，然后再連接到接地支線，最后匯集到接地總線；所有金屬構(gòu)筑物需要進行等電位連接，連接導(dǎo)線橫截面積不應(yīng)小于4mm2，宜選用多股絕緣銅芯電纜進行安裝；不同系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)選用最小值，且不大于4Ω。

安裝調(diào)試分為兩部分，試運行和現(xiàn)場驗收，試運行是為了檢驗電氣儀表設(shè)備和軟件的匹配合規(guī)程度，現(xiàn)場驗收是為了正式開車前的最后準備，包括軟硬件上電檢查、單一系統(tǒng)上電檢查、聯(lián)合系統(tǒng)上電檢查、聯(lián)鎖控制與調(diào)試等，要保證整個上電過程的安全，對于其中出現(xiàn)的短路、斷路等問題，應(yīng)檢查各控制回路與直流供電電源之間的絕緣性，檢查保護絕緣接頭的電火花間隙或用鉗形電流表測試一次儀表有無電流流過，按照以下順序進行逐一上電：配電間、不間斷電源、控制系統(tǒng)總電源、卡槽等，且應(yīng)保證先將一路母線上電后，確保其余設(shè)備無故障出現(xiàn)再上另一路母線。

3.3 運行維護階段

加強石油化工裝置的安全運行同樣重要，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，60%以上的現(xiàn)場事故是由于運行過程中維護維修不到位、不及時造成的。

首先，建立健全質(zhì)量管理體系，按照GB/T 19001-2016《質(zhì)量管理體系標準》、GB/T 24001-2016《環(huán)境管理體系標準》和GB/T 28001-2011《職業(yè)健康安全管理體標準》要求編制質(zhì)量手冊、程序文件、作業(yè)文件，對有毒性、可燃氣體場所實施單獨管理，按照要求配備安全管理人員，定期定時對設(shè)備進行巡檢；其次，改善系統(tǒng)運行環(huán)境，保證機柜和操作空間的環(huán)境適宜，無油污、振動及電磁干擾等現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)問題及時記錄在案，在維護維修的過程中，可充分結(jié)合現(xiàn)場工況條件，應(yīng)用層次分析法、模糊判別法、支持向量機等綜合評價方法對備選方案進行客觀性評價，加大預(yù)防性維修的比例，把事后處理變?yōu)槭虑疤幚怼?/p>

對于年度檢修項目，應(yīng)重點關(guān)注以下幾點：對系統(tǒng)軟件進行全面排查，對硬件的冗余設(shè)備先進行安全措施隔離，再針對正在運行的設(shè)備進行自動或人工切換，保證單一設(shè)備和切換功能完好，對不間斷電源、接地等系統(tǒng)進行可靠性試驗，確保極端條件下系統(tǒng)的可用性；對抽樣的系統(tǒng)卡槽和卡件進行100%檢查，如合格率低于95%，則進行雙倍復(fù)檢。

3.4 廢棄停用階段

石化裝置由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、聯(lián)鎖控制較多，一般的壽命為8年左右，此時系統(tǒng)的硬件開始老化，軟件系統(tǒng)無法適應(yīng)新工況的要求，同時很多備件的供應(yīng)受到影響，因此需要技術(shù)人員對控制系統(tǒng)進行適時的升級改造，如無法升級，則進行后評價后廢棄處置。

4 結(jié)束語

通過國內(nèi)外對過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，得到實施過程控制管理是實現(xiàn)石油石化企業(yè)工廠化、自動化、智能化的重要方法，應(yīng)貫穿在項目的整個生命周期內(nèi)實施，針對系統(tǒng)提出以下幾點建議：

(1)將新建系統(tǒng)和已建系統(tǒng)納入總部監(jiān)控，提供獨立的運行維護技術(shù)支持，保證系統(tǒng)高效運行；

(2)從管理層面對影響過程控制系統(tǒng)的因素進行總結(jié)，從工況條件、控制水平、實施方法、維護機制等五個方面進行持續(xù)改進，實現(xiàn)PDCA閉環(huán)控制；

(3)關(guān)注日常巡檢過程，對巡檢中的內(nèi)容、標準進行不斷完善，從大量的巡檢數(shù)據(jù)中尋找故障工況參數(shù)，并進行分析處理。

◆參考文獻

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