延遲焦化過程間歇操作順序控制系統開發

唐玉玲

(中南民族大學計算機科學學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來，全球重質(超重質)原油的產量逐漸增加而輕質原油的產量逐年下降。重油加工已經成為提高煉油企業經濟效益、規避石油資源風險的重要戰略措施［1］。延遲焦化能夠處理重質原油以及煉油企業的各種殘渣物料，被稱為煉油企業的“垃圾桶”或“回收站”［2－3］，在煉油企業得到了廣泛應用，成為國內外煉油廠進行重質油加工的主要手段。截至2009年，我國延遲焦化處理能力已經達到75 Mt/a左右;其處理能力占原油加工能力比例的10%以上，居全球第2位［4］。延遲焦化流程是一個典型的連續/間歇過程［5］，控制功能復雜［6］，其控制問題得到了研究者的廣泛關注。文獻［7］～［8］針對其間歇特性進行控制策略研究，但并未涉及間歇操作的控制問題。延遲焦化連續過程采用分布式控制系統(distributed control system，DCS)，間歇操作主要采用手動操作方式。手動操作導致效率低下、勞動強度大，運行人員的誤操作極易引發重大安全事故。

近年來，順序控制思想逐漸引入到焦炭塔的間歇操作過程。該思想提高了流程的自動化水平并確保了操作的正確性［9－11］。目前，順序控制裝置一般采用安全儀表系統(safety instrumentation system，SIS)［10－11］或可編程控制器(programmable logic controller，PLC)。

目前，延遲焦化間歇操作過程順序控制系統投運臺套數少，其設計理念以及系統平臺都需要進一步完善。本文設計了基于PLC的順序控制系統，詳細介紹了系統的設計思想、實現方法、軟硬件平臺設計等問題。

1 延遲焦化流程

1.1 延遲焦化的間歇操作特性

煉油廠配置的典型延遲焦化采用“兩塔一爐”的結構，其流程簡圖如圖1所示。

圖1 延遲焦化工藝流程簡圖Fig.1 Process flow of delayed coking

延遲焦化實質上是一個深度熱裂化熱加工過程，它利用熱作用使渣油等原料發生化學反應，從而達到加工目的。渣油經過熱加工處理，可以使低價值的重質油轉化成高價值的輕質油。

延遲焦化的生產流程如下:①原料油和循環油從主分餾塔底抽出，用熱油泵送到加熱爐，最后被快速升溫至約490℃。②經過四通閥進入焦炭塔底部。在焦炭塔內，原料油和循環油中蠟油以上餾分由于高溫和長時間停留而發生裂解、縮合等反應，最終轉化為輕烴和焦炭。③焦炭聚結在焦炭塔內，而反應產生的油氣自焦炭塔塔頂部溢出并進入主分餾塔，與原料油換熱后，依次分割出焦化富氣、粗汽油、粗柴油、蠟油和循環油。

按照延遲焦化的工藝特點，將“兩塔一爐”的生產流程細分成20個步序，其界面如圖2所示。2-A/2-B焦炭塔的操作相互輪流切換。當2-B焦炭塔處于生焦階段時，2-A焦炭塔進行除焦和生焦準備，即執行小吹汽、大吹汽、給水、放水、除焦、趕空氣、試壓、泄壓、引油氣預熱等操作。

圖2 間歇操作步序圖Fig.2 Intermittent operation process chart

1.2 順序控制思想

焦炭塔的步序切換為間歇操作，而每個步序內的執行屬于連續生產過程。焦炭塔需要進行頻繁間歇操作，且每個步序又包含多個子步序。若采用傳統的人工操作，勞動強度大，操作人員誤操作極易引發重大事故。引入順序控制思想可以較好地解決焦炭塔的間歇(步進)操作問題，且通過嚴格的聯鎖保護能進一步確保步序切換的安全性。延遲焦化流程的連續過程由DCS控制，采用常規PID或先進控制策略;而間歇過程采用順序控制系統，其結構如圖3所示。

本文主要介紹了基于PLC的順序控制系統。采用順序控制系統，可以充分發揮DCS和PLC這兩類控制系統的優勢，且能將順序控制系統對原系統的干擾降到最小，保證了工藝過程的安全性。DCS與PLC之間通過數字通信實現系統間的協調及信息共享。

2 順序控制系統的設計

2.1 本系統的關鍵理念

本文針對中石化某煉油廠“兩塔一爐”焦化工藝，設計相應的順序控制系統。順序控制系統的操作過程如圖4所示。

圖4 系統操作過程示意圖Fig.4 Operation procedures of system

從任意步序n開始，先進入子步序1。每個子步序根據預設控制邏輯以及系統的當前狀態進行邏輯運算，產生相應的控制動作。動作主要包括:閥門的“允開”/“允關”、閥門“氣源開”、通過指示燈提示閥門狀態。外操人員根據閥門的操作提示進行現場操作。現場操作主要包括:現場閥門旋鈕的“開”、“關”、“停”操作以及外操確認盤確認按鈕的操作。當滿足子步序1的切換條件時，程序切換到子步序2。按照此方式程序持續進行，直到切換到步序n的最后一個子步序m。若滿足子步序m的切換條件，則順序控制系統步進到步序(n+1)。

需要說明的是:若n=20，發生步進時進入步序1，實現“兩塔一爐”焦化工藝20個步序的循環。本系統采用內外操結合的方式，一方面延續了傳統的手動操作習慣，便于系統實施;另一方面，系統通過順控聯鎖確保了每一步(包括子步序)操作的正確性。

順序控制系統輸出“氣源開”信號控制氣動閥的總氣源，“允開”/“允關”信號與現場操作旋鈕“串聯”(“與”運算)。當“允開”信號為“1”且現場操作旋鈕旋至“開”位時，氣動頭帶動閥門開。與此類似，當“允關”信號為“1”且現場操作旋鈕旋至“關”位時，氣動頭帶動閥門關。當閥門“開到位”/“關到位”信號返回時，控制系統將“允開”/“允關”信號置位“0”且關閉總氣源。綜合上述分析可知，只有在閥門允許動作(由預設邏輯決定)狀態下外操人員的操作才有效;否則，外操作動作無效。

順控系統的安全聯鎖策略如圖5所示。

圖5 安全聯鎖策略Fig.5 Strategy of safety interlock

安全聯鎖策略能實現延遲焦化間歇操作的安全聯鎖，防止事故的發生。為了提示外操人員，該策略還設置了指示燈。需要說明的是:“允開”和“開到位”采用同一指示燈，“允開”時指示燈閃爍，“開到位”時指示燈常亮。

采用圖4、圖5所示策略實現了順序控制系統的順序控制及安全聯鎖兩大核心功能。為了適應延遲焦化流程的各種工況，本系統設置了以下3種控制模式。

①自動順序控制。這是焦化流程正常工況下控制系統的工作模式。在此模式下，順序控制系統按照預設的控制邏輯，自動完成焦化流程的順序控制及安全聯鎖。

②順控暫停。在實際過程中，檢測部件或執行機構的故障(例如，閥門開/關不到位或無閥門開/關到位反饋信號)將導致順序控制系統無法步進。此時可進入順控暫停模式，等待操作人員手動進行必要的處理，處理完成后即可進入順序控制模式。

③順控解除。該模式適用于某些非正常工況，順控解除后系統進入遠程手操狀態。

以上3種模式可以適應延遲焦化流程的所有工況。在任一模式下系統的安全聯鎖功能一直有效，即只有滿足某一閥門的操作條件時，控制系統才發出“允開”/“允關”、“氣源開”信號，使外操人員的操作有效。

2.2 基于S7-400的硬件平臺設計

本文研究的順序控制系統采用西門子S7-400H冗余PLC系統。系統采用ET-200M分布式I/O系統。ET-200M是具有IP20防護等級的模塊化DP從站。本系統設計了5個機架:1#機架用于冗余CPU、冗余以太網接口模塊，2#～5#機架分別安裝 DI、DO、AI、AO 信號模塊。此外，在2#機架安裝了Modbus通信模塊，用于與DCS之間進行數據通信。系統配置了兩臺上位機分別用作工程師站和操作員站。S7-400H冗余PLC系統框圖如圖6所示。

圖6 S7-400H冗余PLC系統Fig.6 S7-400H redundant PLC system

2.3 順序控制程序流程

在設計控制程序時，操作順控繼續采用順序控制流程，其流程如圖7所示。

圖7 順序控制流程圖Fig.7 Flowchart of the sequence control

PLC采用循環掃描的執行方式。PLC進入用戶程序執行階段后，程序先判斷延遲焦化順控系統的當前模式。如前所述，本文共設計了3種模式:暫停流程、解除聯鎖、自動順序控制。若系統處于暫停流程模式，則進行暫停流程處理(在滿足安全聯鎖條件下，發出閥門的“允開”/“允關”及“氣源開”信號，便于操作人員手動處理)。解除聯鎖的操作方式與此類似。若系統處于順序控制模式，程序根據焦化工藝的步序標志，即根據Step的數值選擇進入不同的處理分支(步序)。每個步序又包含多個子步序，步序處理完成，滿足步進條件后程序將Step賦值為下一步序的值，下次掃描程序即可轉入下一步序。需要說明的是:若當前步序是20，步進時轉入步序1，實現流程的循環運行。控制程序采用西門子Step7軟件設計完成，編程語言采用梯形圖。

3 現場調試

在中石化某煉油廠，對本文設計的順序控制系統進行了現場試用。操作員站和工程師站軟件采用西門子WinCC軟件設計完成。操作員站軟件設計了主畫面、流程圖以及實時趨勢、報警、參數設置、順序控制狀態設置等界面。

現場試用結果表明:①本順序控制系統能較好地實現延遲焦化流程的順序控制及安全聯鎖;②設計的3種控制模式，能應對現場所有的工況;③由于沿用了傳統的內外操結合方式，經過簡單的培訓，運行人員即可熟練地使用本系統;④操作員站采用定制界面，充分考慮了現場操作習慣，界面友好，功能豐富;⑤系統實現了與DCS的通信，能較好地實現系統間的協調。

4 結束語

延遲焦化是應對原油重質化、劣質化趨勢的有效手段，也能對渣油進行深度加工，近年來得到了長足發展。然而，目前延遲焦化流程的控制水平相對低下，尤其是間歇操作過程大多數采用手動操作方式，無法進一步滿足焦炭塔縮短生產周期、擴容增產的需求。

順序控制是解決延遲焦化過程間歇操作的有效手段，本文采用PLC設計了延遲焦化的順序控制系統。順控流程采用步序、子步序結構，能有效簡化系統設計，內外操相結合的方式可以進一步確保操作安全性。在硬件設計方面，以冗余PLC系統為硬件平臺保證了控制系統的可靠性。設計完成的順序控制系統已成功應用于中石化某煉油廠，取得了較好的效果，獲得了業界的好評。

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