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

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。

图3 联锁控制示意图

6 结语

(1)DCS控制系统强大的功能模块和其优越性能保证了装置按照设计方案在预定时间内顺利开车。

(2)该控制系统在投运后，能稳定运行，没有因DCS系统本身的问题影响生产，而且由于该系统的开放性、灵活性、易操作性等性能，能够根据生产需要自主地进行一些过程点的组态操作，如一些控制方案的增改、联锁关系的变动都能够在不影响正常生产的前提下在线修改。

(3)相对装置中随机设备的控制系统除去稳定性外，对最终用户来说更加透明、更有自主权和修改权，能够更好地为生产服务。

1 蒋慰孙，俞金寿．过程控制工程［M］．北京:中国石化出版社，1999．

2 陆德民，张振基，黄步余．石油化工自动控制设计手册(第3版)［M］．北京:化学工业出版社，2000．

3 SH/T 3092－1999，石油化工企业分散控制系统设计规范［S］．

4 编辑委员会编．工业自动化仪表与系统手册［M］．北京:中国电力出版社，2008．

Introduce the structure，characteristics，network configuration，partial control schemes and important interlocks for DCS control system．

Application of DCS in Acrylamide Plant

Zheng Jiemei
(Guangdong Huanqiu-Guangye Contracting＆Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510655)

acrylamidesystem structuredividing control interlocking configuration

*郑洁美:助理工程师。2009年毕业于广东工业大学电气工程及其自动化专业。从事化工仪表及控制设计。联系电话:13580479404，E－mail:g1250zjm@cnpc.com.cn。

2011－08－05)