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    一．前言

    30萬噸/年氣體分餾裝置是湛江東興石油企業有限公司煉油配套完善工程三聯合的一套新建裝置。該裝置公稱設計規模按30萬噸/年設計，采用常規三塔流程，包括脫丙烷部分、脫乙烷部分、精丙烯部分以及公用工程部分。裝置原料液化石油氣自催化裂化裝置經過脫硫后通過管道輸送至裝置，或者自罐區通過管道輸送至裝置。裝置主要產品是精丙烯（送至罐區）；副產品包括乙烷氣（輸送至催化裝置或燃料氣管網）、丙烷餾分和碳四碳五餾分（混合后送至罐區）。

    二．控制系統的設置

    作為現代化大型聯合煉油裝置，設置了三聯合裝置中心控制室，聯合控制室內設置集散控制系統（DCS），實現對三聯合裝置區內新建裝置（催化裂化，產品精制，氣體分餾，硫磺回收、溶劑再生及酸性水汽提）及新建公用工程進行集中操作、控制、監視和管理，并在過程控制層設置與工廠管理層的實時數據通訊接口設備，為全廠管控一體化（CIMS）的改造、擴容和整合，建立良好的過程控制層網絡結構平臺，打下堅實的基礎。

    可燃氣體及有毒氣體檢測報警（GS）采用DCS系統，但接入信號的卡件或控制站獨立設置，除了裝置的DCS操作站可監視裝置內的可燃氣體及有毒氣體外，三聯合中心控制室還設有獨立的操作站對全廠的可燃氣體及有毒氣體進行檢測和報警。
經過技術和經濟方面的評估， TPS系統被選為三聯合裝置的控制系統。

    三．TPS系統配置

    TPS(Total Plant Solution)系統是Honeywell公司開發的全廠一體化的過程控制系統，它集先進過程控制﹑優化﹑全廠歷史數據和信息管理功能于一體，使這些功能成為自動化系統的有機組成部分，從而形成了功能強大﹑配置靈活﹑結構開放的自動控制系統。

    TPS系統按照網絡結構可以分為三層，包括工廠信息網(PIN)，局域控制網（LCN），萬能控制網UCN。
工廠信息網(PIN)，是管理信息系統(Management Information System)的一個重要組成部分。通過節點GUS、PHD或APP，工廠信息網可以與LCN連接，從而實現管理信息系統與過程控制系統的集成。

    局域控制網(LCN)，是TPS系統控制管理網絡的主干線，總線拓撲結構，以令牌存取通信控制方式進行鏈路存取，傳輸速率5Mbps。每條LCN可以掛接40個LCN模件(稱為TPS節點或Node)，經過光纜和LCNE擴展后，掛接的LCN模件數目最多可以達到64個。主要的LCN模件包括GUS、HM等。

    萬能控制網(UCN)，是以MAP為基礎的雙重化實時控制網絡，采用令牌傳送的總線網絡，符合IEEE802.4和ISO標準通信協議，支持點對點通信，故障自動切換，傳輸速率為5Mbps。每條UCN可以掛接32臺冗余設備，如HPM、APM、LM、PM等。

    UCN通過NIM與LCN連接。
    氣體分餾裝置共有輸入/輸出信號205點，具體信號類型及數量見表1。

               

                               表1. 氣體分餾裝置儀表信號類型概況
　 　 　
    根據大型煉油裝置聯合操作的特點和業主的管理要求，結合TPS系統的功能，氣體分餾裝置配置了1個操作站(與產品精制裝置共用)，1個工程師站(與催化、產品精制裝置共用)，1個控制站，3個FTA及安全柵(端子)柜，1個繼電器柜。系統配置見圖1所示。裝置內的儀表都采用防爆型(本安或隔爆)，本安儀表進/出DCS都采用隔離安全柵進行信號隔離，熱電偶(mV)信號通過溫度變送器型隔離安全柵轉換成4-20mADC標準信號后進入DCS，考慮到防雷的因素，所有現場進/出DCS的信號都采用防雷柵與DCS的I/O通道加以隔離，與電氣專業的信號交接使用繼電器加以隔離。

               

    氣體分餾裝置TPS主要設備見表2。

    表2. 氣體分餾裝置TPS系統主要設備列表

               

    四．主要控制方案設計

    氣體分餾裝置采用常規三塔流程，工藝過程分為脫丙烷部分、脫乙烷部分、精丙烯部分及公用工程部分。主要工藝設備包括脫丙烷塔，脫乙烷塔，精丙烯塔，空冷器，換熱器，機泵等。裝置的大部分控制回路采用單回路定值控制和串級控制，由DCS系統完成。

    1． 脫丙烷部分

    從裝置外來的液化石油氣進入脫丙烷塔進料罐，經脫丙烷塔進料泵送至脫丙烷進料－碳四換熱器換熱，再經脫丙烷塔進料加熱器由100℃熱水加熱至泡點后，進入脫丙烷塔第31層塔板。碳二、碳三餾分從頂部蒸出，經脫丙烷塔頂空冷器和脫丙烷塔頂后冷器冷凝冷卻后，進入脫丙烷塔回流罐。冷凝液一部分用脫丙烷塔回流泵抽出作為脫丙烷塔回流，另一部分用脫乙烷塔進料泵加壓后作為

               

                        圖2. 脫丙烷部分控制流程圖

    脫乙烷塔進料。塔底物料碳四碳五餾分與脫丙烷進料換熱后用碳四碳五冷卻器冷
    卻至40℃后自壓出裝置。脫丙烷部分的主要控制回路見圖2，包括：
    1)脫丙烷塔進料罐液位與脫丙烷塔進料--碳四換熱器殼層入口流量構成串級控制。
    2)脫丙烷塔進料加熱器殼層出口溫度與其管層入口熱水流量構成串級控制。
    3)脫丙烷塔各床層溫度（多支熱電偶的輸入切換）與脫丙烷塔重沸器管層入口1.0MPa蒸汽流量構成串級控制。
    4)脫丙烷塔塔底液位與塔底出口流量構成串級控制。
    5)為了塔的平穩操作，保證分餾塔的產品質量。脫丙烷塔設有塔頂壓力控制，采用三通熱旁路控制，增大或降低塔頂氣相冷凝量，達到穩定塔頂壓力的目的。當脫丙烷塔壓力過高時，還可進一步通過不凝氣的排放來降低壓力。本次設計方案中，三通閥實際由二個直通調節閥代替，在操作和安裝上都更加靈活。

    2．脫乙烷部分

    脫乙烷塔進料從脫丙烷塔回流罐抽出經脫乙烷塔進料泵加壓后進入脫乙烷塔第21層塔板。塔頂碳二、碳三氣體經脫乙烷塔頂冷凝器部分冷凝后，進入脫乙烷塔回流罐。不凝氣自脫乙烷塔回流罐頂經壓控閥送至燃料氣管網，或至催化裂化裝置吸收塔重新回收丙烯。冷凝液用脫乙烷塔回流泵送回脫乙烷塔頂全部作為回流。脫乙烷塔底物料自壓至精丙烯塔A第135層塔板，作為精丙烯塔進料。脫乙烷部分的主要控制回路見圖3，包括：

               

                        圖3. 脫乙烷部分控制流程圖

    1)脫丙烷塔回流罐液位與脫乙烷塔進料流量構成串級控制；脫乙烷塔進料與脫乙烷塔重沸器管層入口熱水流量構成比值控制。
    2)脫乙烷塔底液位與塔底出口流量構成串級控制；塔底出口流量與精丙烯塔重沸器A與B管層入口熱水流量構成比值控制。
    3)脫乙烷塔回流罐液位與脫乙烷塔回流流量構成串級控制。
    4)對于脫乙烷塔頂塔頂的壓力控制，由于脫乙烷塔頂的不凝氣較多，直接通過排放不凝氣控制塔頂壓力。

    3．精丙烯部分

    精丙烯塔分為兩塔串聯操作。精丙烯塔A塔底丙烷餾分經丙烷冷卻器冷卻至40℃與碳四碳五餾分混合后自壓送出裝置。塔頂氣體進入精丙烯塔B底部，精丙烯塔B底部液體由精丙烯塔中間泵送回精丙烯塔A頂部作為回流。精丙烯塔B頂部氣體經精丙烯塔頂空冷器和精丙烯塔頂后冷器冷凝冷卻后，進入精丙烯塔回流罐，冷凝液一部分用精丙烯塔回流泵從精丙烯塔回流罐抽出后送回精丙烯塔B頂部作為回流；另一部分經精丙烯送出泵加壓送至丙烯冷卻器冷卻至40℃后送出裝置。精丙烯部分的主要控制回路見圖4，包括：

    1)脫乙烷塔底出口流量與精丙烯塔重沸器A、B管層入口熱水流量構成比值控制。
    2)精丙烯塔回流罐氣相入口丙烯含量分析與精丙烯塔B返塔流量構成串級控制，控制產品質量。
    3)精丙烯塔回流罐液位與塔底出口精丙烯流量構成串級控制。
    4)精丙烯塔A塔底液位與塔底出口丙烷流量構成串級控制。
    5)分餾塔的壓力恒定與否，對塔的平穩操作有很大影響，只有在壓力穩定的條件下，才能保證分餾塔的產品質量。精丙烯塔采用三通熱旁路控制，增大或降低塔頂氣相冷凝量，達到穩定塔頂壓力的目的。本次設計方案中，三通閥實際由
二個直通調節閥代替。

                 

                                圖4. 精丙烯部分控制流程圖

    4．火災與安全

    針對石油化工生產高溫高壓，易燃易爆的特點，為了保證火災發生時能夠迅速切斷原料和產品的供給，把事故限定在最小范圍，本設計在脫丙烷塔進料泵、脫丙烷塔回流泵、脫乙烷塔回流泵、精丙烯塔中間泵、精丙烯塔回流泵及精丙烯塔送出泵的入口均設置火災聯鎖切斷閥。操作人員在現場或DCS上關閉切斷閥，DCS系統將按照組態好的邏輯關系將停泵信號送至電氣專業停泵。以脫乙烷塔回流泵火災聯鎖系統為例，控制流程圖見圖5，聯鎖邏輯框圖見圖6。

                 

                            圖5. 脫乙烷塔回流泵控制流程圖

               

                        圖6. 脫乙烷塔回流泵火災聯鎖系統聯鎖邏輯框圖

    五．幾種控制方案的實現

    1.比值控制
    FRC2001是脫乙烷塔進料流量控制回路，FRC2003是脫乙烷塔重沸器管程入口熱水流量控制回路，控制方案要求熱水流量應與進料流量組成比值控制。控制流程圖見圖7。

               

                           圖7. 脫乙烷塔進料流量比值控制流程圖

    這是一個典型的雙閉環比值控制系統，其特點是由于有兩個流量閉環回路，可以克服各自的外界干擾，使主、副流量都比較平穩，而流量間的比值可以通過比值計算器實現，保證了兩流量的比值恒定，使進入系統的總負荷平穩。
根據控制流程圖，可以建立比值控制回路的組態框圖，見圖8。

               

                                     圖8. 比值控制回路組態框圖

    第一步，建立I/O“硬”點，即數據點。組態內容見表3：

    表3 輸入/輸出數據點組態表

          

    第二步，組態“軟”點，即控制方案。建立兩個常規控制點(PID算法)，分別用于實現流量控制；建立一個常規控制點(RATIO CTL算法)和一個常規PV點(CALCULATOR算法)，用于實現比值計算。組態內容見表4。

    表4 常規控制點、常規PV點組態表

              

    2.分程控制

    為了塔的平穩操作，保證分餾塔的產品質量，脫丙烷塔設有塔頂壓力控制PRC1001，采用三通熱旁路控制，增大或降低塔頂氣相冷凝量，達到穩定塔頂壓力的目的, 三通閥實際由二個直通調節閥(PV1001A，PB1001B)代替。當脫丙烷塔壓力過高時，則進一步通過不凝氣的排放(PV1001C)來降低壓力。控制流程圖見圖9。

               

                             圖9. 脫丙烷塔塔頂壓力分程控制系統流程圖

    這是一個分程控制系統，特點是PV1001A、PV1001B在同一分程區間內利用不同的作用型式實現相反的操作過程，而PV1001C則在另一分程區間內操作。

               

                               圖10. 分程控制回路組態框圖

    根據控制流程圖，可以建立分程控制回路的組態框圖，見圖10。

    第一步，建立數據點。組態內容見表5：

    表5 輸入/輸出數據點組態表

            

    第二步，建立一個常規控制點 (PID算法)PRC1001，用于實現壓力控制；建立兩個常規PV點(GENLINE算法)GEN1001A和GEN1001C，用于實現分程功能；建立三個常規控制點 (AUTOMAN算法) P1001A、P1001B、P1001C，用于實現三個調節閥的手操功能；而邏輯點LOGIC1001的作用是用于連接輸入和輸出。

    該回路組態的重點在于常規PV點內線性化算法的組態和邏輯點的組態。線性化算法的組態根據圖中調節閥分程動作的情況填寫輸入和輸出；邏輯點內填好輸入和輸出后，把輸出的允許控制位直接寫為“1”(TRUE)即可。

    3.“選擇＋串級”控制
    TRC1002是脫丙烷塔T33001塔底氣相溫度調節，FRCQ1005是脫丙烷塔重沸器E33002B管程入口1.0MPa蒸汽流量調節。控制方案要求脫丙烷塔各床層溫度（TRC1002、TR1007~1009切換）與脫丙烷塔重沸器管程入口1.0MPa蒸汽流量（FRC1005）構成串級控制。控制流程圖見圖11。

               

                                圖11. 脫丙烷塔塔底溫度選擇控制流程圖

    這是一個“選擇控制＋串級控制”的控制系統，主回路TRC-1002的測量值在4個溫度測量值間由操作員手動選擇，主回路的輸出作為流量副回路FRC-1005的設定值。

    根據控制流程圖，可以建立比值控制回路的組態框圖，見圖12。

               

                              圖12. “選擇＋串級”控制回路組態框圖

    第一步，建立數據點。組態內容見表6：

    表6 輸入/輸出數據點組態表

            

    第二步，建立兩個常規控制點(PID算法)，分別用于實現溫度控制和流量控制；建立一個常規控制點(SWITCH CTL算法)，用于實現選擇功能。組態內容見表7。

    表7 常規控制點、常規PV點組態表

                

    六. 總結

    作為在一套技術成熟的分散控制系統產品，TPS系統投運以來，取得了令人滿意的效果：
    (1)控制效果良好，滿足了工藝的生產控制要求，為企業創造了經濟效益；
    (2)提供了報表功能，可以生成班報表、日報表和特殊定制報表等，方便了生產管理；
    (3)提供了歷史數據采集功能，為事故分析和優化操作提供了幫助；
    (4)降低了勞動強度，減少了該裝置操作人員的數量，節約了人工成本；
    (5)“填表”式的組態方法易于掌握，系統維護方便；
    (6)提供了與管理信息網的接口，為管控一體化的實現打下堅實的基礎，有利于管理者了解裝置的運行情況，并及時根據經營狀況對生產作出調整，實現企業經濟效益的最大化。