基于順序控制的切換冷卻器一鍵切換改造與優化

徐星宇

(中國石化儀征化纖有限責任公司BDO部，江蘇儀征 211900)

1 裝置工藝流程概述

某化工裝置是以正丁烷和壓縮空氣為主要原料，在一定條件和催化劑的作用下發生氧化反應，主要產物為順丁烯二酸酐，副產物為過度氧化的COx、焦油、磷化合物、馬來酸(MAC)和富馬酸(FAC)等。氧化反應器產生的高溫富產品氣經過氣體冷卻器進行初步冷卻，然后經過切換冷卻器進一步冷卻，終冷氣體再送至吸收和汽提單元進行吸收和提純精致，直至生產出合格產品。吸收剩余的廢氣送至余熱鍋爐燃燒產生過熱蒸汽，供給工廠自用或外輸給其他裝置。

副產物在第一氣體冷卻器不易析出，在第二冷卻器即切換冷卻器中，大部分的焦油、磷化合物、MAC、和FAC會附著在固定管板式切換冷卻器中。按照操作指導書和同類型工藝裝置經驗，切換冷卻器在線運行480～520小時左右需要進行切換清洗作業，使附著的焦油和磷化物等副產品從切換冷卻器中分離出來。如果不能及時將焦油等雜質清理出，輕則會降低換熱效果增加裝置能耗，重則造成裝置非計劃停產或安全環保事故。

為了提高裝置生產效率和使效益最大化，某裝置三臺反應器各配備一臺固定管板式切換冷卻器，三臺共同備用一臺切換冷卻器。切換冷卻器工藝流程概圖如圖1所示。每臺切換冷卻器經過三周連續在線運行后，換熱效率降低、能耗急劇增加，產品中各種雜質含量明顯升高，對后續工藝操作和產品質量影響很大。

圖1 切換冷卻器工藝流程圖

2 改造前操作流程簡述

原設計的切換冷卻器切換方式為純手動控制，切換前需要操作人員手動降低正丁烷進料濃度，降低氣體冷卻器和切換冷卻器的溫度，再確認此切換冷卻器工藝路線上的聯鎖儀表運行狀態后，在現場手動按照工藝規程順序操作在線臺的進出口閥門和備用臺的進出口閥門，逐步確認后，切入離線臺切換冷卻器進行升溫操作，待狀態確認后才可將備臺儀表切回在線狀態，隨后逐步升高正丁烷濃度，切換流程如圖2所示。

人工確認正常后清洗切換冷卻器，恢復正常生產。操作人員工作量和工作強度較大，對操作人員的技術要求較高。

圖2 手動切換操作流程圖

3 控制方案設計

通過控制系統內部邏輯改造，重新設計切換模型來實現切換冷卻器一鍵全自動切換[1-2]。針對每臺切換冷卻器分別設計一套程序實現自動切換，在每一步切換過程中，執行邏輯程序之前，都對現場狀態進行判斷和比較，確保安全無誤后再執行后續操作，執行完畢再次與預設目標狀態比較，執行過程中如有異常，隨時中斷并執行安全步驟。改造后的操作流程如圖3所示。

圖3 一鍵切換操作流程圖

首先，系統自動確認吸收塔塔釜液位(LT)滿足條件，備用切換冷卻器已用鍋爐水預熱且溫度(TT)滿足條件和反應器出入口壓力控制設定為手動控制后，通過調節正丁烷進料控制閥FV的開度來控制反應進料的濃度，當流量計(FT)檢測到流量小于預設值時，控制程序自動依次先打開備用切換冷卻器的出口閥門，出口閥門已開信號反饋給控制程序后，延時打開備用切換冷卻器的入口閥門，系統再次確認出入口閥門開關狀態是否正常。至此，備用切換冷卻器和在用切換冷卻器切入并列運行，兩臺切換冷卻器的出入口閥門均為打開狀態。然后程序依次自動關閉在用切換冷卻器的入口閥門和出口閥門，每一步都需要反饋狀態信號給控制程序。至此，在用臺切換冷卻器完成切出。然后控制程序自動調節進料流量控制閥的開度，待流量計(FT)檢測到流量正常后，對分析儀入口的電磁閥進行切換。至此，所有切換工作均自動完成，程序再進行初始化設置，計時器及緩存清空，為下一次切換操作做準備工作。自動切換過程中的每一步均有容錯設計，如切換不正常或者現場動作不到位，都會進入到異常中斷程序步驟，防止安全環保事故發生和后續切換步驟的執行錯誤。

4 改造方案實施

此改造無需增加硬件成本，只需要對原過程控制系統的各種信號及參數重新進行組合優化即可[3]。在檢修窗口期，按照圖4所示邏輯圖進行控制程序設計，設計完成后，首先手動模擬各種觸發條件進行系統軟件測試，然后進行現場無負荷測試，最后在開車低負荷情況下進行聯動有負荷的測試，測試通過后投入正常使用[4]。

圖4 一鍵切換操作控制程序圖

5 改造前后效果對比

5.1 改造前后故障率對比

改造實施前后，切換冷卻器切換異常故障次數統計對比如表1所示。

表1 改造前后異常故障次數分析表

5.2 改造前后安全性對比

改造前，工藝操作人員按照工藝操作指導書和工藝操作卡操作，無安全措施和防誤操作措施，全部依靠操作人員的技術水平和責任心，必須嚴格按照操作指導書和操作步驟操作，否則會造成管道和設備超壓，輕則停產，重則釀成安全環保事故。改造后，每一步操作前，系統自動對允許切換準備條件進行驗證和判斷，每一步操作后都有狀態的反饋和程序二次自動確認，確保在安全條件下進行自動操作。如果條件不滿足或者執行異常，則會自動執行安全運行模式。改造后的操作和執行回路通過IEC61508和IEC61511認證的SIL認證和HOZAP分析驗證，異常故障(包括切換不成功和切換異常中斷)概率達到10-2數量級[5]。

5.3 改造前后操作效率對比

改造前，較難把握固定式管板換熱器冷卻器切換時間點，只能靠空氣進料控制閥門的開度趨勢及經驗值人工判斷。改造后，設計出一套程序，綜合整個切換冷卻器系統的溫度差、壓力降及鍋爐水系統的液位變化等工藝過程參數趨勢，系統預測出切換冷卻器切換剩余時間倒計時，給工藝切換操作提供強有力的數據支撐和量化依據。

改造前，整個切換過程需要2～3名有經驗的操作人員配合，在切換冷卻器三層樓高強度工作約15～16 h，且整個車間可以勝任此工作的人員較少，不利于裝置向自動化智能化發展。改造后，無需人員現場操作，僅需要一名中控操作人員在中控點擊開始切換按鈕，監控操作過程即可，減輕了勞動強度，縮減了切換時間。改造前后切換用時對比如下表2所示，改造前平均切換耗時 14.67 h，改造完成后平均耗時4.74 h，較改造前效率提高3倍。

表2 改造前后切換用時統計表

6 結束語

通過順序控制技術，實現了預期目的，達到預期效果。隨著集散控制系統的不斷發展,順控系統也有了進一步的發展,順序控制已不再局限于對設備啟停的簡單步序操作,而發展成為包含步序控制、聯鎖保護、動態試驗等多功能的綜合控制系統。順序控制減少了運行人員的工作強度,減少了誤操作的可能。該方法適用于復雜回路等多條件判斷與多步驟分步執行控制方案，能極大的提高勞動生產率，但是對過程控制系統設計與維護人員的能力和素質要求較高。