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"免费"DCS在焦炉煤气干燥脱水控制系统中

2013-08-20 01:08

DCS在焦炉煤气干燥脱水控制系统中的应用

 

陈祖建，何小刚

 

 

摘 要:本文设计并实现了用于工业控制的DCS,以实现焦炉煤气干燥脱水的自动化控制，介绍了干燥脱水的工艺概况和系统配置；详细说明了使用时序的方法现实焦炉煤气干燥脱水过程控制的实现过程。该系统参数调整简单方便,完全实现了自动控制,并提高了系统的安全性和工作效率。

 

关键词：焦炉煤气   DCS   干燥脱水    时序

 

中图分类号：TP273     文献标识码：B

 

1．引言

 

我国 “ 少 油有气多煤”，也是世界上最大的焦炭生产、消费和出口国。炼焦过程伴有大量的焦炉气生成，占炼焦产品总质量的15%-18%[1]。然而，长期以来国内焦化产业重焦炭生产、轻综合利用，大量的焦炉气直接排放燃烧，不仅浪费了宝贵资源，造成了巨大经济损失，更造成了严重的环境污染。随着能源结构多元化的发展趋势，焦炉气也逐渐变废为宝，得到越来越多的应用。

 

焦炉气中含有大量的H2、CH4及少量的CO、CO2、H2S 、COS、苯、萘等物质。一般将其排放到空气中，既污染环境又造成了资源浪费。如果经过加工提纯处理，可以分离出H2作为合成氨、甲醇的合成原料气、CH4气体经过液化可以作为液化天然气使用。这样即实现了资源的充分利用，又减少了环境污染。在分离H2、CH4过程中，必须对焦炉煤气进行脱硫脱汞、脱酸，干燥、吸附除杂等处理[2]。

 

在化工生产的过程中，经常会接触到一些有毒有害气体，有些装置操作复杂，要求精度高，劳动强度大。DCS系统彻底改变了原始落后的生产状态，可以代替人的重复性劳动，摆脱繁重、脏乱、危险的环境，保障设备及人身安全，减轻劳动强度，改善劳动条件。DCS即集散控制系统，又称分布式控制系统(Distributed Control System) [3]。它的主要基础是4C技术，即: Computer（计算机）、Control（控制）、Communication（通信）、CRT（显示技术）。DCS系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理[4]。

 

2．系统架构

 

在工业控制领域中，DCS是目前很成熟的系统，它把总体危险分散到各个子控制系统中，当其中某个子系统出现了问题时不会影响到总体功能。焦炉气的干燥脱水采用DCS系统使控制系统更加可靠，控制方案变的简单。

 

2.1 DCS基本结构

 

DCS也称分布式控制系统，其实质是计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制技术，如图1 DCS基本结构。

 

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人机界面通过工业以太网与主控单元相连，用于显示，控制现场仪表或阀门，并向主控单元下装控制算法、数据转换等底层程序。控制单元通过现场总线与输出、输入模块连接控制现场仪表、变送器、阀门等执行机构。

 

本系统的DCS选用的是和利时公司的MACS系统，MACS系统具有以下优点：

 

① 系统具备开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口；

 

② 系统具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；

 

③ 系统支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要；

 

④ 系统可靠性高、维修方便、工艺先进、价格合理。

 

2.2 系统原理

 

焦炉气的干燥脱水控制系统采用等压干燥的原理，如图2干燥脱水工艺流程。

 

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焦炉气经过预处理、脱酸后，从脱硫脱汞塔的塔顶流出到干燥脱水系统。气体由调节阀控制分为两部分进入等压干燥脱水系统，一部分（～70%）直接进干燥塔T-501a/b吸附干燥脱水；另一部分（～30%）作为热再生和冷再生气源。作为热再生气源时焦炉气经过辅助干燥塔T-502、干燥加热器E-501、干燥塔T-501a(b)；作为冷再生气源时焦炉气经过干燥塔T-501A/B、干燥加热器E-501、辅助干燥塔T-502、再生气冷却器E-502、干燥气液分离器V-501、干燥塔T-501(a)b。冷却降温后的气体经过干燥气液分离器分出液体后汇合前一部分气体一并吸附脱水；吸附脱水后的合格干燥气体（常压露点小于-65℃）去变温变压吸附工序，不合格气体则切换至放空总管放空。

 

在等压干燥系统中用于吸附作用的干燥塔T-501A/B分别经历吸附、热再生、冷再生三个步骤完成一个循环过程，辅助干燥塔T-502起到辅助脱水及提供再生气源的作用，这三个塔与冷却器、加热器、分离器组成干燥系统，三塔交替循环达到干燥脱水的目的。

 

表1 等压干燥时序表

 

符号说明：A 吸附干燥、H 热再生、C 冷再生、ON 阀门开

 

a塔吸附和b塔热再生

 

开启进出气阀门KV5100a、KV5101a，压力为2.28MPa的经过脱酸处理的焦炉气从塔顶进入处于吸附状态的A塔，流经吸附床层在吸附剂的选择性吸附作用下，气体中的水分被吸附下来，未被吸附的气体从塔顶流出去变温变压吸附系统。

 

分出的一部分气体（～30%）经过开启的阀门KV5105从塔底进入处于冷再生状态的辅助干燥塔T-502，气体中的水分被吸附下来，从塔顶流出经过再生加热器E-501加热到150℃左右，经过开启的阀门KV5103b从塔底进入处于热再生状态的干燥塔T-501b。将b塔吸附下来的水分从塔顶吹出，经过开启的阀门KV5102b和KV5106去冷却器降温后经过气液分离器分出液体，汇合上部分气体进干燥塔T-501a进行吸附干燥脱水。b塔出口温度高于100℃后热再生完成，关闭阀门KV5105和 KV5106系统转入下一步序。

 

a塔吸附和b塔冷再生

 

a塔继续吸附，当被吸附物质的传质区前沿(称为吸附前沿)到达床层出口预留段时(根据净化器管线上的在线检测仪反馈信号判断)，关掉该塔的进出气阀门KV5100a、KV5101a，停止吸附，吸附塔开始转入下一步序热吹过程。

 

分出的一部分气体（30%）经开启阀门KV5104和KV5100b从塔顶进入热再生完的b塔，对b塔内的吸附剂进行冷再生，气体从塔底流出经过阀门KV5102b进入再生加热器加热后从塔顶进入处于热再生状态的辅助干燥塔，对辅助干燥塔进行热再生。再生气从辅助干燥塔底部流经阀门KV5107经过冷却器降温后经过分离器分出液体后汇合上部分气体进入干燥塔T-501a进行吸附干燥。b塔出口温度低于40℃后冷再生完成，关闭阀门KV5102b、KV5103b、KV5104和KV5107等待A塔吸附完成后进入一下步序吸附干燥。

 

a塔热再生和b塔吸附

 

a塔的热再生和上述b塔的热再生原理相同，b塔的吸附和上述a塔的吸附原理相同。开启阀门KV5102a、KV5103a、KV5100b、KV5101b、KV5105和KV5106，T-501a进行热再生，干燥塔T-501b进行吸附。

 

a塔冷再生和b塔吸附

 

a塔的冷再生和上述b塔的冷再生原理相同，b塔的吸附和上述a塔的吸附原理相同。开启阀门KV5102a、KV5103a、KV5100b、KV5101b、KV5104和KV5107，干燥塔T-501a进行冷再生，干燥塔T-501b进行吸附。

 

a、b两塔如此交替循环完成对焦炉煤气的干燥脱水。干燥脱水后的合格干燥气体去变温变压吸附工序，不合格气体则切换至放空总管放空。

 

3．控制器算法组态

 

控制器算法组态是MACS系统组态软件的重要组成部分。控制算法组态的过程就是按照设计好的控制方案，创建解决问题所需的一系列POU（Program Organization Unit），在POU中编写相应的控制运算回路。

 

控制算法组态的核心是创建程序型POU，采用合适的POU语言编写它的运算内容，在编程时，对变量进行数据读\写操作，用变量传递运算结果，将某些变量值送到输出模块去作为控制现场设备动作的指令，或者不输出变量而仅将变量值传递到上层操作员站作监控使用。POU的编程语言主要有面向图形的编程语言FBD、CFC、LD、SFC，结构化文本语言ST，指令表IL。MACS系统的控制器算法组态软件组合了以上这些语言，在这些语言之间可以相互传递变量。

 

本次设计的时序采用SFC语言设计，在每一步序中使用ST语言编写。和LD语言编写方法相比，这种方法编写简单，结构清晰。

 

在图形组态中的对应工艺流程图中，设置一个推出窗口，在里面可以手动设置定时时间T1、T2的值。根据生产负荷可以在线调整T1、T2的值。

 

流量调节FIC5100为PID控制。控制方式为自动时，FY5100开度由DCS进行PID运算输出决定；FIC5100给定值SV 越大，FY5100开启度越小。控制方式为手动时，FY5100开度可在0~100%范围内自由开启。算法组态如图3 PID算法组态。

 

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LIC5101和KV5109控制V-501的液位高度，KV5109 开关状态由DCS进行逻辑比较运算后决定；当LIC5101测量值≤ LIC5101低限设定值时（30%），KV5109自动关闭，直到LIC5101测量值≥LIC5101高限设定值时（60%），KV-14109 自动开启；在LIC5101低限设定值≤LIC5101测量值≤ LIC5101高限设定值区间时，KV5109输出保持不变。算法组态如图4 液位控制组态。

 

4．硬件设计

 

4.1 网络结构

 

该系统采用三层网络通信结构。第一层监控网络  采用冗余高速以太网络，使用通信电缆将各个通讯节点连接到中心交换机上，节点有工程师站、操作员站、服务站。监控网络上各个节点用固定分配的IP地址进行标识。为实现监控网络的冗余，网中每个节点的主机都配有两块以太网卡，一般在工程上将两块以太网卡分别连接到130网段和131网段的交换机上。监控网络的前两位IP地址分别为130.0和131.0，后两位则可以自行定义。对于工程师站和操作员站的计算机，我们把它看作同一类计算机，进行统一编号。工程上编号的惯例为表2 IP地址分配表。

 

表2 IP地址分配表

 

第二层为过程控制网络 采用冗余高速工业以太网，使用的是HSIE 通讯协议。节点有服务站、现场控制站。

 

第三层为控制网络 控制网络位于现场控制站内部，采用Profibus-DP现场总线技术。节点主要有DP主站(主控单元)和DP从站(智能I/O单元)，完成实时输入/输出数据和从站设备诊断信息的传送。

 

4.2 控制模块及策略。

 

本系统采用HOLLIAS的FM系列的硬件模块。主控模块选用FM801，I/O控制柜选用FP101-B，电源模块选用FM910，AI模块选用FM148C和FM148R，AO模块选用ＦＭ152，DO模块选用FM171，DI模块选用FM161_DI。

 

4.3 系统接地

 

当进入DCS的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时，有效的接地可以迅速将过载电流导入大地，避免对人员的伤害和设备的损坏。接地系统还能够为IO信号提供屏蔽、消除电子噪声干扰，防止设备外壳带电或静电积累。

 

本设计的DCS通过公用连接板将各接地分干线汇总，并由公共连接板引出接地总干线，连接至接地体。本安地必须独立设置接地体。

 

保护地和屏蔽地连线应该使用铜芯绝缘电线连接到厂区电气专用接地网（接地体）上。接地线选用绝缘铜芯线，截面不小于2.5mm2，接地总线选用多股绝缘铜芯线，截面不小于16mm2。

 

5. 结束语

 

焦炉煤气干燥脱水工艺的选择要根据产品的需要、综合利用资源、生产可操作性以及产品的市场前景等多方面因素来加以考虑。使用DCS的时序法设计的焦炉煤气干燥脱水控制，已经在太工天成科技股份有限公司的焦炉气综合利用项目中得到了应用，其工艺合理、稳定性好、工程投资费用低。

 

通过集控室的DCS画面，操作人员能方便地控制各种参数，操作简单，降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率。该系统可靠性高，易于实现的组态策略提高了系统的安全性。

 

参考文献

 

[1] 侯梦溪，张海涛．焦炉气的循环利用[J]．上海化工，2008年2月，第33卷（第2期），27-30．

 

[2] 徐培鸿．焦炉煤气脱硫的几点改进[J]．科技情报开发与经济，2006年，第16卷（第20期），269-270．

 

 [3] 张德泉主编．《集散控制系统原理及其应用》[M]，北京：电子工业出版社，2005.7．

 

[4] 于寿龙．.DCS控制系统的安装与调试[J]．中国新技术新产品，2009年，第1卷，86．

 

Application of DCS in the coke-oven gas dehydration

 

 

Abstract

 

The DCS system used for industry control is designed , in order to achieve the automatic control of the coke-oven gas dehydration . In this paper , the technonomy  survey  and  system  configuration  are introduced . The realization of the coke-oven gas dehydration which used the method of sequence time are described in detail. The system is simple and convenient to adjust the parameters,and is fully automatic control. Its security and efficiency are improved greatly.

 

KEY WORDS: coke- oven gas     DCS     dehydration     Sequence time