聚丙烯闪蒸釜置换操作DCS 自控系统的实现

张丽萍 王维铎

（1.新疆克拉玛依职业技术学院电子与电气工程系；2.新疆天利高新石化股份有限公司聚丙烯厂）

某聚丙烯厂生产聚丙烯粉料的装置采用的是液相本体法工艺，间歇式生产，具有工艺流程短、生产设备相对简单、投资少、收益高的优点，在一些中小型聚丙烯生产企业应用较多。 但是间歇式生产是单釜操作，工作量和劳动强度都非常大，人为因素多，给生产过程的产品质量、能耗、功耗和安全都带来一定的影响。 因此，基于DCS系统，实现了闪蒸釜置换操作的自动控制。

1 闪蒸工艺简介

在聚丙烯生产过程中，聚合釜反应结束后聚丙烯形成固体颗粒，未聚合的液体丙烯单体吸附在固体颗粒中。 聚合产物进入闪蒸操作，由于压力和温度的降低致使液体丙烯单体很快汽化，使单体与聚合物分离，单体回收后可继续使用。 闪蒸过程就是其中的一个重要分离过程。 闪蒸置换操作的目的就是通过抽真空和氮气置换将闪蒸釜内的丙烯气含量置换为小于0.8%，防止在包装时由于闪蒸釜内过高含量的丙烯气与空气形成爆炸性混合气体，该气体遇到静电可能引起火灾爆炸。

闪蒸釜工艺流程如图1 所示。 在上一工段聚合釜出现“干锅”后，聚丙烯粉料喷入闪蒸釜，准备置换。 闪蒸置换大致分为抽真空置换和充氮气置换两个阶段，其具体置换操作过程为：聚丙烯粉料喷入闪蒸釜后，首先打开闪蒸釜上的去气柜阀，待闪蒸釜压力为零时关闭去气柜阀；现场手动开启真空泵，打开真空泵入口阀，打开闪蒸釜上的抽真空阀， 当真空泵压力为-0.06MPa 时，延迟120s，关闭抽真空阀，打开闪蒸釜上的氮气阀，充压至0.2MPa，关闭充氮气阀，打开就地放空阀泄压，泄压至0MPa 后，再打开抽真空阀，进行抽真空操作。 此操作重复3 次，第3 次抽真空后，关闭真空泵， 并且在第3 次氮气泄压为0MPa 后进入氮气置换阶段。 人工充氮气压力为0.2MPa，延迟120s，关氮气阀，开就地放空阀，泄压为零；再关放空阀，开氮气阀充氮气。 此操作重复5 遍，置换操作完成。

2 闪蒸釜实现自动控制的必要性分析

闪蒸釜工艺整个工作过程中真空泵的启停、所有阀门的操作， 都是操作工在现场手动完成的，每一釜操作循环都需2～3h，每个操作工一天内进行泵的启停、 阀的关闭操作就有四百次之多，工作量大且劳动强度高。 同时，人对氮气的操作无法精确计算，会造成氮气的浪费；而且操作过程中可能由于人为因素导致操作失误进而引发生产事故。 所以，对闪蒸釜的置换工作过程实现高效、精准的自动控制是很有必要的。

3 闪蒸釜自动控制方案讨论

图1 闪蒸釜工艺流程示意图

常用的自动控制主要有典型的控制器控制方案、PLC 控制方案和DCS 控制方案， 当然还有大型工业控制中应用的现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。

典型的控制器控制方案是一种差值控制系统，在工业中适用于对现场测控点的精准控制。

FCS 是一种集通信、管控为一体的系统，实施成本太高，经济上不划算。

PLC 的实质是专用于工业控制的计算机，主要用于工业过程中的顺序控制、 逻辑控制和开关量的控制，也可以实现模拟量控制，新型PLC 也兼有闭环控制功能。 从闪蒸釜工艺过程的分析可知，闪蒸釜置换操作是一种典型的顺序控制过程。

DCS 系统是在工业生产规模不断扩大，控制管理要求不断提高，过程参数日益增多，控制回路越加复杂的情况下应运而生的。 DCS 系统集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理。 其中系统网络是DCS 的基础和核心，它决定着整个DCS 系统的实时性、可靠性和扩充性。 DCS 主要应用于大中型工业控制中，特别像石油化工这种流程性控制领域，需要处理的对象是整个企业的全部生产活动，是一个复杂的综合自动化系统， 利用DCS 可以实现生产过程自动化、实时生产数据采集、动态监控、在线质量控制、过程优化，有些生产调度和生产管理工作也可在DCS 上实现。该聚丙烯厂闪蒸釜置换操作的顺序控制即可在DCS 工程师站组态实现。

从上面的分析可以看出，PLC 控制方案和DCS 控制方案都可以有效实现该装置的控制要求， 从一次投入成本来看，PLC 控制方案更胜一筹。 但是该厂有4 套闪蒸釜，控制点比较多，采用一套PLC 控制，负载太大，不能保证安全、平稳、高效运行。 同时由于该厂原有的监控操作、聚合反应控制系统均已采用DCS 系统，所以闪蒸釜控制系统采用DCS 控制会非常方便接入原监控系统，与厂级进行联网、监控实施也更方便。 更重要的是，采用DCS 系统，在硬件、软件、现场仪表以及人工投入方面都是较低的，只需在原DCS 上对闪蒸釜控制系统进行组态和设置，把现场闪蒸釜上的放空阀、抽真空阀、去气柜阀、氮气阀、喷料阀及放料阀等手动截止阀换成气动阀，就可以实现整个控制要求了。 改造过程更简单、可靠、高效而且投资较少。

4 DCS 实施情况分析

该厂采用的DCS 是JX-300XP 控制系统，实现了粗丙烯的精制处理、 聚合釜的聚合反应控制、闪蒸操作、成品包装、膜回收系统及辅助系统等现场信息的采集、 过程监控及联锁控制等，保障了整个生产过程安全、可靠、平稳运行。

4.1 现场设备的DCS 组态

在整个闪蒸釜装置的自动化改造中，现场手动截止阀的更换是一个关键的任务，根据各处调节阀的操作介质、环境以及工艺、自动控制的需求，均选用国产气动调节阀Ⅲ型（流量特性均为等百分比），详见表1。

表1 调节阀仪表选型

调节阀和真空泵的DCS 组态主要有硬件和软件两方面。 硬件组态主要完成现场控制站I/O模块的配置，将所有调节阀和真空泵的仪表信号线引到现场控制站I/O 模块上， 并确保I/O 模块每个通道不重复使用。 软件组态的原则是尽量不要对原组态系统做太大的改变， 主要完成I/O 测控点组态和控制逻辑组态。 I/O 测控点组态中现场I/O 模块新增的每一通道对应一个I/O 测控点，图形化组态界面中采用了表格形式，避免了对原监控画面的破坏；控制逻辑组态中需重新编写用户控制方案，并对控制算法重新编译、下装、调试，这是实现闪蒸釜自动控制最核心的内容。

4.2 改造后的效益分析

闪蒸釜采用DCS 系统控制后，操作过程更加规范合理，与手动操作相比，安全性和平稳性都得到提高；操作工的工作量明显减少；在降低能耗方面也很明显，特别是氮气的用量与以前相比节约了200m3/t 左右，市场一般氮气每立方米0.6元，即每吨可以节约120 元，按装置年需求约6kt计算，一年的氮气用量就可以节约72 万元左右；再者，采用DCS 控制后，岗位的现场操作人员大量缩减，人工费一年可以节约30 万元左右。

5 结束语

某聚丙烯厂闪蒸釜的置换操作过程采用DCS 系统控制后，泵的启停、阀门的操作以及整个置换过程都由DCS 自动控制实现，大幅降低了操作工的劳动强度和工作量。 整个生产过程按照DCS 设置好的程序和算法运行，提高了操作的平稳性和可靠性，避免了人为因素造成的生产波动和安全事故，减少了氮气的浪费，节约了成本，提高了聚丙烯产品的产量和质量， 经济效益显著。目前国内使用液相本体法工艺、间歇式生产的中小聚丙烯生产厂还有一定份额，本次改造的顺利实施可为其他同类型工艺改造升级提供借鉴。