走向21世纪的石油化工自动化技术

日期:09-20  点击:1872  属于:行业动态

       随着计算机控制系统应用的迅速发展,根据现代化控制理论开发的先进控制软件,现已取得较好的效益。在炼油化工企业计算机的先进控制方法主要有自适应控制(包括PID自适应控制)、多参数预估控制、组分推断控制、神经网络、 模糊控制、最佳控制及故障诊断系统等。采用先进控制可提高系统的控制适应能力,克服由于系统本身的时变性、非线性、不稳定性、外部扰动的随机性及不可检测等带来的问题。国外已有18家公司共有120多种先进的控制软件,逐步向标准化、工程化、商品化发展。这些软件已应用于炼油装置、乙烯、芳烃生产等,也有的用于工厂蒸汽系统、油品调合、油品储运以及全厂综合控制系统。另外,神经网络与学习控制系统已实用化。

  先进的控制方法特别是预估控制技术、组分推断控制、模糊控制、神经网络技术、自适应控制、故障诊断等已实用化并取得较好效果。下面简要介绍几种先进的控制方法。

  1.1 组分推断控制

  为了保证塔的产品质量,一般采用在线分析仪进行反馈控制,组分推断控制可不用在线分析仪,是根据塔的进料量、压力和温度等参数由计算机快速计算出每一种产品的馏程95%点、90%点和10%点,可精确地进行反馈控制。这种技术可用于催化裂化、加氢裂化、焦化主分馏塔、润滑油真空塔和石油华工分馏塔等,根据规模和能耗不同,典型收益为每年20到200万美元,美国已有70套装置采用。

  大连七厂、锦西炼厂已采用组分推断控制,这种控制与中段回流节能控制组成实用的优化软件,经济效益明显,值得推广。

  1.2 多参数预估控制

  多参数预估控制(IDCOM)是运用现代化控制理论的一种先进控制,主要用于塔及反应器温度控制,和处理难度较大的温度影响动态特性问题。多输入多输出的(IDCOM)控制方法是使塔稳定操作的有效方法, 这种方法可采用脉冲响应模型为过程内部动态模型。

  1.3 模糊控制和神经网络技术

  自90年代初模糊控制的热潮波及到欧洲后,德国工程师就致力于研究工业自动化方面应用模糊控制,他们认为模糊控制技术是一种关键技术。模糊控制技术主要用于滞后大、非线性的石油华工对象。现已有商用软件。神经网络技术可用于质量预测,与模糊控制技术相结合可用于控制石油华工非线性对象,常规仪表是不能完成这样的控制任务的。

  2 用好在线质量分析仪表,提高产品质量实现优化控制

  在线质量分析仪表的应用是实现工艺过程先进控制和优化控制的有效手段。在线质量分析仪表早装置调节控制、产品质量控制、节能控制和环保等方面得到广泛的应用。

 2.1 在线质量分析仪

  工业色谱仪在乙烯、聚乙烯、丁二烯等装置上已普遍使用。乙烯裂解装置各种干燥气体中的水份分析要用到微量水分析仪。工艺装置循环水及锅炉给排水的水质分析需要用工业酸度计和工业电导仪。工业锅炉使用氧化锆分析仪可节能5%左右,如果配上微机系统,可节能10%以上。另外, 还可采用在线分析仪和计算机组成环保监控西,对污水处理、有害气体排放等进行控制。可见在线质量分析仪表在工业上的应用是广泛的。

  近红外(NIR)分析仪发展很快, 它是利用全息干涉栅扫描光谱技术实现的。第一台在线NIR是Guided Wave 1980年推出的Model 100,它的扫描光谱范围是200 ~2000nm,精度为2nm。最近LT Industries推出的Quantum1200的扫描范围为400 ~2400nm,精度为1nm。新近出现的固态传感器有同样高的光源效率,而且体积小、结实、没有活动部件,它能够非常快地扫描整个所需求的区域。最近NIR试图通过 Michelson干涉仪得到中频IR光谱(2~25mm),并利用快速傅立叶变换, 以得到更高的分辨率,今后NIR将发展更精确的定位滤镜,研究所需检测物质的光谱带, 开发新的传感器。NIR分析仪已应用于炼油厂测量与控制汽油辛烷值。

  在合成氨工艺中,用质谱仪监视和控制进料气体。质谱仪的优点具有高速、多路、多组分的分析能力。在线质谱仪的分析范围可以从很低的ppm级到百分含量,可以在几秒钟之内分析16种以上的成份,例如在丙烯腈(ACN)合成中,当丙烯同氢反应时,合成丙烯腈的同时出现许多付产物,质谱仪可以在几秒钟之内分析多种组份,并且质谱仪的数据处理系统可以计算丙烯转化率,以便控制系统对ACN生产实现优化调节。

  在工业发达国家中,使用在线质量分析仪表参与控制非常普遍。据日本1996年统计,仅常压蒸馏装置的在线分析仪表就有295台套。其中34台套实现了闭环回路控制。菲利浦石油公司8座分馏塔采用计算机和气相色谱仪参与过程控制,使8座塔平均节能24.7%。

  国内自己设计的装置在线分析技术也有所发展。长岭炼油厂使用沙市分析仪器厂生产的PPA?/FONT>69型倾点分析仪在催化裂化装置上已形成控制回路,使用ZXZ-1汽油蒸汽压仪在催化裂化装置上实现在线监视;兰州炼油厂也使用干点仪、初馏点仪和凝固点仪进行在线分析,基本上可代替人工分析,金陵石化公司炼油厂也实现了干点仪、分馏点仪、凝固点仪和气相色谱仪进行在线分析,作为人工分析的主要参考数据。许多企业都在工业锅炉烟气中使用氧化锆在线分析控制,以提高锅炉效率、降低能耗。

  国产表的性能,可靠性、稳定性、精度以及防爆、防振、防腐蚀、防尘等方面,与国外产品有相当大的差距。但进口的分析仪表也不是都好用,如用进口质量分析仪表价格很高,平均价格比国内产品高很多。

  2.2 环境检测分析仪

  随着石油华工工业的发展,其工艺装置对环境的污染越来越引起人们的注意。目前国家制定了法规来限制和监督工业三废的排放,同时也发展了一系列的环境监视和分析仪表。

  环境检测的指标主要有水中的PH、电导率、溶解氧、浊度、总有机碳含量,化学物质如硝酸盐、氨、某些金属等,以及废气中的SO2、NO、CO、CO2和粉尘等。

  当前,在工业发达国家中,都在积极发展在线分析仪和计算机监控的环保设施自动化技术。例如,ICI公司的Witton石油化工厂在排放管网区域选择几个有代表性的位置安放仪表,在线检测温度、PH值和总有机碳量。ICI公司还根据生物需要氧量(BOD)来确定氧消耗量,进而检测出有机物的污染,该公司经过几年的努力,已使BOD减少了75%,并计划再减少50%。ICI公司还用比色仪检测废水废气中的金属离子、氨、磷酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐以及用专用仪器监视烟气中的粉尘等。 ICI公司的排出物监视系统的一个特点就是将各检测数据集中到管理中心,这样就可以根据检测出的数据做出必要的处理。

  Hartmann和Braun公司安装的气体监视和分析软件包,可用于监视焚烧炉排放的气体,它可从烟气中采样,分析其中的SO2、NO、CO、HCI和固体颗粒。日本出光兴产石油公司千叶炼油厂的污水排放监视系统中设置了PH值、油分、DO、COD等仪器,可集中监视并记录。美国埃克森公司炼油厂在污水生化曝气池出水处设置DO和PH值在线分析仪连续监视,并按DO的检测值调节曝气机的转速。美国联碳公司得克萨斯城石油化工厂采用了总碳分析仪(TCA)和计算机控制的特定污染物(SOA)分析系统,对工厂的污水排放进口监控管理,整个系统自动操作。美国马拉松石油公司加利维尔炼油厂为了控制排气污染,采用了更先进的自动化UV过程分析仪和分散控制的连续监督调节系统,提高H2S和NH3过程废气转化过程的控制效率和可靠性。该系统将二台UV分析仪测得的数字量和模拟量提供给DCS,大大降低了烟气中SO2的排放量,同时使过程操作和维修费用节约了60%。

  3 公用工程及贮运自动化

  3.1 公用工程

  公用工程装置不是石油化工厂中的直接生产装置,公用工程是向各工艺装置供应能源的,同时也消耗能源。如何使公用工程装置能源合理分配,达到燃料、蒸汽和电力优化分配,则是公用工程控制的目的。

  在经济发达国家中十分重视公用工程的能源优化控制管理。目前国外有许多公司都推出自己的能源优化控制管理软件包,对能源管理进行优化,以达到节约能源、提高效益的目的。

  美国SETPOINT公司的公用能源优化应用软件包已在世界十几个工厂中安装使用。它是结合模拟和先进控制来建立一个全厂范围内的能源管理系统,以最低的费用提供能源,它可以分析蒸汽量,优化控制锅炉蒸汽产量,可以直接同过程计算机相连接,在线进行优化控制,可节约能源费用的2%~8%。

  ABB Simcon公司的能源管理系统(EMS),也是一种优化控制系统。它可以管理和控制工厂能源的发生和分配。它使用优化、能源预测、蒸汽和电力平衡,产汽和发电协调、自适应和预先控制,以达到燃料、 产汽控制优化的目的, 可以节约 5%~10%的能源消耗。

  英国KBC公司的蒸汽和电力控制包UTOPLA,已在世界范围内安装了50套。 它包括先进控制和公用工程效率优化模型。据测定,一个年处理量500万吨的炼油厂使用该软件包的年平均效益为100~350万美元。

  美国应用自动化公司蒸汽系统编程(SSP)软件包,是通用的蒸汽平衡软件包,可根据实际情况最经济地平衡蒸汽。它已在16个工厂中使用,每小时的节能效益为 50~400美元。

  CFPicou公司的蒸汽系统控制软件包和Profimatics公司的UMP功用工程管理软件包,通过对能源的优化管理,可节约公用工程费用1%~2%。我国的炼油厂或石油化工厂中只是对锅炉的燃烧效率采取了某些节能措施,没有很好地进行能源综合管理,更没有优化管理,所以能源的浪费也是比较严重的。如果使用计算机优化控制管理,将会得到明显的经济效益。

  3.2 储运自动化系统

  随着生产管理水平的不断提高,油品储运自动化的发展也逐步地受到重视。目前使用的储罐液位计主要有称重式液位计和钢带式液位计。进入90年代,国内外又有许多种液位计问世。着主要有非接触式超声波液位计、伺服马达液位计、光导纤维液位计、静压式液位计、雷达式液位计等。

  石油化工产品的调合,是油品储运系统中的重要组成部分。目前在管理调合方面是我国油品储运自动化中的一个薄弱环节,应引起注意。

  下面介绍几种国外正在运行的油品优化调合软件及方案:

  英国KBC过程自动化有限公司的BLENDOP也是一种调合优化软件包,可以非线性地调整相关数据并连续做优化处理。到1990年已有两套在使用,两套正在安装,该软件包包括渐近和步近的组态模式,结合组分价格和调合目标质量的优化模式,接收分析仪或实验室数据来校正调合的模式,以及离线优化确定最初的组态配方。美国休斯敦SETPOINT公司的产品调合控制软件包已在几个炼油厂中得到应用。

  德国VEBA OEL公司的优化软件包已在沙特阿拉伯Ras-Tanura炼油厂等三个炼油厂中使用。该软件包用最少的昂贵组分,降低泄漏机会和再调合的工作,来改善炼油厂的卡边操作。用该软件包调合的汽油,仅由于多用丁烷一项,使每桶汽油至少降低10美分。

  近年来,国内的石化企业在油品储运系统方面也有很大的进步。长岭炼油厂的成品油罐就实现了计算机控制管理。该罐区中使用一台PC机对60个储罐进行数据集中采集,并实现了阀门的遥控;使用计算机和辛烷值在线分析实现了汽油管道调合,节省了高辛烷值汽油,在不到二年的时间里,效益达195万元。金陵石化公司约有 60个储罐实现了自动数据采集,并利用凝固点在线分析实现了柴油管道调合。扬子石化公司、上海炼油厂、大庆石化总厂等也都实现了计算机罐区管理,自动数据采集。上海炼油厂还采用YS-80系统实现了外轮油管道调合。 目前国内有的石化企业储运自动化可以从灌区管理到成品油装车计算机化。

  国外油品储运系统应用计算机控制与管理,多采用DCS层次比较高。美国Oil System公司为炼油厂安装了原油储运控制系统。这套系统由VAX计算机与DCS、PLC和储罐仪表组成,实现自动控制管理。法国ELF炼油厂的储运系统采用计算机控制,并配有储运自动化检测模型。它可完成比例调合,通过多参数控制实现优化调合、物料运输、调合运输、油罐运输监测、管道运输监测等功能。

  今后储运系统自动化将随着计算机的应用,逐步向综合化、网络化发展,储运系统计算机控制与管理将纳入全厂计算机综合控制、管理与经营系统之中,组成计算机综合信息系统。这种先进的控制系统不仅有生产过程控制,而且还包括质量保证、工程、采购、市场预测、销售和通讯,以达到现代化综合管理的目的。

  4 建议

  随着石化工业的发展,对仪表控制系统提出了更高的要求,电动仪表逐步向数字化、智能化方向发展,DCS向现场总线方向发展,计算机系统向网络化、开放化发展。为了进一步发展我国仪表与控制系统。现提出以下几点建议。

  4.1重点搞好大型石化工程仪表成套工作

  大型乙烯厂、炼油厂和化纤厂所用的仪表、控制系统数量大、品种多,而国内配套仪表的品种不全,缺口仪表较多,如高压液位计、高精度流量计、特殊调节阀 DCS等都需要进口,有些国产仪表质量还不过关, 引进技术仪表国产化率一高则质量就下降。另外,仪表所用辅助材料也不能成套供应。建议针对大型石化装置仪表的需求进行组织攻关,提高质量,提高成套率,促进仪表的发展。

  4.2提高国产DCS可靠性并形成一定的生产规模

  我国石化生产装置规模大,生产过程复杂,对计算机控制系统要求高,现在国产DCS还不能满足要求,特别是可靠性方面差距较大。因此,石化装置采用的400套 DCS大都是引进的,只有8套是国产的,其他分别从国外18家公司引进的,有20种型号。一个石化企业有时用3~5种不同型号的机型。 各种机型的通讯网络标准不同,联网困难,也给维护带来不便。

  我国工业部门使用DCS数量较大,占仪表工程投资比例也高, 经济效益明显,因此,建议我国仪表和计算机行业投入强有力的技术人员,提高国产DCS可靠性。

  DCS软件应解决死机问题,也可以配置国外成熟的组态软件,提高DCS系统的可靠性。近期内,国产中小规模DCS系统可达到取代国外DCS的水平,占领国内一定的市场,如国内HS-2000、JX-300、友力-2000等,这是DCS国产化的曙光。

  4.3加强先进控制应用的研究工作

  随着计算机控制系统应用的迅速发展,DCS配有先进控制软件, 可取得明显的效益。国外石化企业计算机控制系统中配有先进控制方法,主要有多参数预估控制、自适应控制、组分推断空制模糊控制、最佳化控制和故障诊断等取得了较好的效果。

  国内石化企业所用DCS较多,但有些系统因采用一般控制方法, 效益不明显,因此,现已组织开发应用软件。先进过程控制技术效益明显,但技术难度大、投资较高,针对石化企业具体工艺过程,可采用分层次的方法开展工作。

  (1)局部控制。有些不需要建立复杂模型的先进控制方法:前馈/反馈控制、支路平衡控制、约束控制、解耦控制等,可应用于工艺单元控制,如塔、炉子等进行局部优化控制,以节约能源,提高产品质量,投资少,见效快。

   (2)装置级控制。应用现代控制理论和其他控制理论如预估控制、 模糊控制等进行装置级优化控制,难度大、效益好。重点研究开发乙烯裂解炉转化率及收率的优化控制、乙烯分离塔的预测控制、聚乙烯熔融指数与氢/乙烯比值的控制、 聚丙烯的聚合釜出料程序控制、丁二烯萃取塔优化控制、常减压质量预测、催化裂化多参数预测控制等。

  (3)加强能源管理及优化软件的开发及应用工作。 建议仪表计算机控制行业与石化工艺专业人员相结合,组织力量研究开发先进的能源管理及优化控制软件,并逐步形成专业软件公司推广应用。

  7.4用好在线质量分析仪,提高产品质量,实现优化控制为了提高在线质量分析仪应用水平,首先抓好现有的在线质量分析仪的应用,对长期没使用的在线质量分析仪,摸清情况,组织力量,解决仪表的薄弱环节如仪表的预处理系统,使仪表投运。制造商应采用新技术、提高仪表质量。炼油、石油化工装置包括常减压、催化裂化、乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙二醇、苯乙烯、丁二烯等十几套装置设置的在线质量分析仪主要有工业色谱仪(54台)、密度仪(7台)、PH计(75台)、红外线及氧分析仪(49台)、水份分析仪(5台)、电导仪(40台)、聚脂粘度计(12台)、可燃气报警器(360台)及馏程、 闪点、蒸汽压、倾点、冰点等分析仪。近期重点搞好在线近红外线分析仪和原油含水分析仪。

  4.5 工业PC机广泛使用,占领相当大的市场。

  PC机应用于工业自动化是实现低成本自动化的重点途径。我国工业PC机的开发和应用取得了较大的进展。石化企业应用工业PC机对油品储运监控、调合优化控制、计量数据采集、水处理监控以及加热炉节能控制等,已取得较明显的效益。我认为采用工业PC机是生产过程技术改造、技术进步行之有效的措施之一,有些中小规模装置或项目,不一定都采用价格比较高的DCS。

  7.6重视现场智能仪表和现场总线控制系统试点工作根据上述介绍,现场总线有很多优点,但是,现场总线和产品现只是在简单工厂试运行,还未用于比较复杂、规模较大的生产装置,现场总线技术达到安全成熟阶段,也有一个过程。用户真正采用现场总线是有一个逐步过渡的过程。

  (1)研究从现有模拟仪表系统向FF现场总线全数字系统过渡的方式。国内外都在研究过渡的方式,机械部专家经调研,提出采用HART通讯协议作为先导,逐步向现场总线过渡,是比较稳妥和易被人接受的方式。这种方式是可行的。在石化工程项目进行仪表与控制系统改造时,若考虑企业仪表更新的过渡方式,建议可优先考虑HART协议产品。国外HART协议已使用多年,技术成熟可靠。我们也有使用的经验。

  (2)密切关注现场总线发展动向及时抓好试点工作。我们有必要及时了解国内外现场总线的发展动向和试用情况,尤其要关心现场总线将会对石化企业自控系统发展的影响。石化企业在制定仪表控制应用、发展规划以及科研开发规划时,建议要考虑现场总线技术的影响,并制定相应的对策,新建项目用DCS时,不应再选老式DCS,应选开放式DCS或选基于PC机的操作站以适应今后的发展。 抓好现场总线智能仪表和控制系统的试点工作,以取得经验,指导新技术的应用工作。

  5 结束语

  随着20世纪的结束21世纪的到来,人类迎来了知识经济的时代。在知识经济的条件下,社会生产方式、经济活动空间、经济组织形式都将发生深刻的变化。每个企业都只能在知识密集、信息密集的产业链上实现其价值。企业内部的组织形式从金字塔式的管理方式转化为网络化的平面管理。这时,企业的综合信息管理系统的建立和应用就显得更加重要。因此,石化企业的领导应该更加重视发展仪表自动化技术,更好地预见和占有市场,以取得更大的经济效益。


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