王 蕾，張碧帥

（1.山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司，山西 太原 030032；2.山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

在科技、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，對(duì)能源的需求量越來(lái)越大、種類也越來(lái)越多。煤炭作為能源結(jié)構(gòu)的主體地位，充分發(fā)揮其作用是一直以來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)煤炭焦化所得焦炭的產(chǎn)量占據(jù)全世界的50%，如何充分利用煤焦化處理過(guò)程中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣也是減少能源浪費(fèi)的主要途徑。目前，基于焦?fàn)t煤氣制備甲醇過(guò)程中精餾工序的可靠性直接決定著最終甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量和整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。焦?fàn)t煤氣制備甲醇的精餾工序?qū)儆诘湫偷臏筮^(guò)程，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)該復(fù)雜工序的高效、精準(zhǔn)控制一直是業(yè)界的研究重點(diǎn)。本文將研究DCS 控制系統(tǒng)在甲醇精餾工序的應(yīng)用。

1 甲醇精餾工序概述

焦?fàn)t煤氣中的主要成分為甲烷和氫氣，焦?fàn)t煤氣制備甲醇的一般工藝流程：焦?fàn)t煤氣在常壓狀態(tài)下過(guò)濾→經(jīng)過(guò)濾處理后焦?fàn)t煤氣壓縮到一定壓力（2.5MPa）→脫硫→精脫硫→轉(zhuǎn)化率純氧轉(zhuǎn)化→熱回收冷卻分離→常溫氧化鋅精脫硫→合成壓縮機(jī)的作用下合成甲醇→粗甲醇的精餾工序→得到精甲醇并存儲(chǔ)于成品罐區(qū)中[1]。

一般情況下，焦?fàn)t煤氣中甲烷所占比例為25%，其在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化所得的一氧化碳和二氧化碳和其本身所含的氫氣足夠?yàn)橹苽浼状嫉脑?。本文所研究的焦?fàn)t煤氣制備甲醇時(shí)所采用的甲醇精餾工藝為采用三塔雙效進(jìn)行。甲醇精餾的目的是將合成甲醇過(guò)程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物和多余的二氧化碳、氫氣以及水蒸氣等進(jìn)行處理，旨在經(jīng)精餾工序后得到高質(zhì)量、高純度的甲醇產(chǎn)品。合成甲醇過(guò)程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物可根據(jù)其沸點(diǎn)不同進(jìn)行分類，包括有：沸點(diǎn)小于甲醇的甲酸甲酯和二甲醚；沸點(diǎn)大于甲醇的丙醇、乙醇以及水等。甲醇精制的原理為根據(jù)不同產(chǎn)物與甲醇產(chǎn)品沸點(diǎn)的不同，通過(guò)三塔雙效精餾工藝將副產(chǎn)物通過(guò)多次部分氣化和冷卻工序?qū)⑵渑c甲醇分離，最終得到精甲醇產(chǎn)品[2]。

所謂三塔指的是精餾操作過(guò)程中涉及到的預(yù)精餾塔、加壓塔及常壓塔。經(jīng)上述三塔精餾處理后的甲醇再次經(jīng)過(guò)中間罐區(qū)工藝流程得到精甲醇。中間罐區(qū)工藝流程如第177 頁(yè)圖1 所示。

如圖1 所示，粗甲醇在精餾處理后經(jīng)過(guò)型號(hào)為C40505 的五合一冷卻器降溫后運(yùn)送至中間罐區(qū)的精甲醇貯槽；貯槽內(nèi)的精甲醇采樣分析合格后可直接銷售。

圖1 中間罐區(qū)工藝流程圖

2 甲醇精餾工序?qū)刂葡到y(tǒng)的要求及功能

2.1 甲醇精餾工序控制系統(tǒng)要求

甲醇精餾工序除了控制設(shè)備完成常規(guī)的精餾操作外，還需對(duì)各個(gè)精餾塔中的物料、熱量以及氣液進(jìn)行平衡控制。具體平衡控制流程為：根據(jù)精餾塔進(jìn)料的量在系統(tǒng)中塔釜和塔頂建立熱平衡，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)氣液平衡。鑒于甲醇精餾工序控制的復(fù)雜性和多樣性，要求控制系統(tǒng)需滿足如下要求：

1）甲醇精餾控制系統(tǒng)應(yīng)與其他工序控制系統(tǒng)相互兼容，并能夠?qū)崿F(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和傳輸；

2）鑒于焦?fàn)t煤氣制備甲醇屬于易燃易爆操作，要求甲醇精餾控制系統(tǒng)具備安全防爆功能；

3）基于甲醇精餾控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)該工序各操作的自動(dòng)化控制，并具備一定的抗干擾能力，向無(wú)人值守的方向發(fā)展；

4）基于甲醇精餾控制系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)中的故障進(jìn)行報(bào)警，對(duì)操作記錄和相關(guān)曲線進(jìn)行記錄形成數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后生產(chǎn)的優(yōu)化和事故的分析提供支撐[3]。

2.2 甲醇精餾工序控制功能的實(shí)現(xiàn)

為保證控制系統(tǒng)能夠?qū)状季s工序精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)控制并滿足上述控制要求，本工程將采用DCS 控制系統(tǒng)為核心對(duì)甲醇精餾工序進(jìn)行控制，并重點(diǎn)對(duì)甲醇精餾工序中的溫度、質(zhì)量、壓力、流量進(jìn)行基礎(chǔ)控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)液位的聯(lián)鎖控制。常壓塔為整個(gè)甲醇精餾工序的核心，尤其是對(duì)其溫度和壓力的控制，本文重點(diǎn)對(duì)常壓塔的溫度和壓力進(jìn)行控制。常壓塔頂?shù)目刂葡到y(tǒng)如圖2 所示。

圖2 常壓塔塔頂控制系統(tǒng)圖

針對(duì)常壓塔壓力和溫度的控制，基于DCS 控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)包括有常壓塔塔頂冷卻器甲醇的出口溫度、常壓塔甲醇的回流流量和采出量以及實(shí)現(xiàn)對(duì)常壓塔回流槽的液位聯(lián)鎖保護(hù)控制。本工程將采用PID 控制算法和串級(jí)控制方案實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)甲醇精餾工序的調(diào)節(jié)控制。

3 甲醇精餾工序DCS 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

DCS 控制系統(tǒng)匯集了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，其是分散控制和集中控制的新型控制系統(tǒng)。

3.1 DCS 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為保證所選控制系統(tǒng)能夠滿足甲醇精餾工藝的應(yīng)用，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)成本，本工程最終確定選擇型號(hào)為CENTUM VP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醇精餾工藝的集散控制。為保證該系統(tǒng)在實(shí)際操作控制中的安全性，控制系統(tǒng)采用雙重冗余設(shè)計(jì)的理念，進(jìn)而確保該系統(tǒng)出現(xiàn)故障后不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)癱瘓[4]。

以CENTUM VP 系統(tǒng)為基礎(chǔ)并結(jié)合甲醇精餾工序的實(shí)際操作流程完成現(xiàn)場(chǎng)控制站、接線模塊、接口電路以及通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，考慮到本工程DCS控制系統(tǒng)核心是對(duì)常壓塔塔頂溫度和壓力的控制，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵儀表的選型如表1 所示。

3.2 DCS 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在甲醇精餾工序中，除了對(duì)常規(guī)的調(diào)節(jié)閥完成正?？刂仆猓钪饕獙?duì)是對(duì)常壓回流槽進(jìn)口甲醇溫度、常壓塔甲醇回流流量、常壓塔回流槽液位的調(diào)節(jié)與聯(lián)鎖控制以及甲醇貯槽的聯(lián)鎖保護(hù)等。

其中，常壓回流槽進(jìn)口甲醇的溫度是通過(guò)對(duì)常壓塔頂冷區(qū)器風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的，該項(xiàng)控制基于變頻調(diào)速完成。

常壓塔甲醇回流流量的控制是基于串接控制實(shí)現(xiàn)的，具體串接對(duì)象包括有回流流量和常壓塔氣相甲醇溫度兩項(xiàng)參數(shù)。對(duì)應(yīng)的串接控制組態(tài)程序如圖3 所示。

圖3 常壓塔甲醇回流流量與氣相甲醇溫度的串接控制

甲醇貯罐是對(duì)精餾所得甲醇產(chǎn)品存儲(chǔ)的裝置，鑒于甲醇屬于易燃物質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醇貯罐的聯(lián)鎖保護(hù)尤為重要。甲醇貯罐的聯(lián)鎖保護(hù)控制程序流程如圖4所示。

如圖4 所示，基于DCS 控制系統(tǒng)的甲醇貯罐聯(lián)鎖保護(hù)功能可對(duì)貯罐內(nèi)的甲醇液位進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)超限狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警；在DCS 控制系統(tǒng)的作用下可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各類閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到火警信號(hào)時(shí)及時(shí)關(guān)閉入料閥和出料閥[5]。

圖4 甲醇貯罐聯(lián)鎖保護(hù)程序控制流程

4 結(jié)語(yǔ)

焦?fàn)t煤氣為對(duì)煤炭焦化再加工時(shí)不可避免的副產(chǎn)物，焦?fàn)t煤氣制備甲醇為充分利用煤炭資源，減少資源浪費(fèi)的途徑。為解決當(dāng)前焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝中甲醇精餾工序復(fù)雜對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)際需求的問(wèn)題，本文基于DCS 控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)重點(diǎn)基于PID 和串接控制相結(jié)合的控制方式對(duì)精餾工序進(jìn)行控制，尤其是對(duì)精餾工序中溫度和壓力的控制。同時(shí)，鑒于甲醇為易燃物品，基于DCS 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醇貯罐的聯(lián)鎖保護(hù)。