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UW500集散控制系統在油頁巖煉油過程中的應用

行業方案

近年來隨著石油資源的有限性、供給和需求的失衡,以及國際油價的持續高漲,各國都在積極尋求替代的能源資源,作為介于煤炭和石油之間儲量巨大的固體化石燃料——油母頁巖,可在650℃左右干餾后制取人造石油——頁巖油。頁巖油性能優越、用途廣泛,可作為石油加工及化工生產的原料,也可根據需要調和生產船用燃料油。

 

1  工藝簡介

頁巖煉油工藝主要由原料凈化及出渣單元、干餾單元、油回收單元、脫硫單元、成品油儲運系統等組成(如圖1、圖2所示)。

油頁巖來自露天礦6~50mm的成品礦,經皮帶運輸機送至成品礦儲倉,再經倉底皮帶通過轉運站凈化后運送至干餾爐上部料倉,通過上料裝置送入干餾爐進行干餾。干餾處理后油品收集至成品油庫儲存、裝車及外銷,油頁巖干餾渣經爐底皮帶運送至排渣場。

 

1  頁巖煉油(全循環)工藝

2  油回收工藝

2  系統配置

DCS負責完成煉油過程的數據采集、過程控制、安全報警、安全聯鎖停車等任務。通過合理的工段劃分,配置相應的控制站來完成上述功能。另外,全廠設置中央調度室,通過計算機網絡將各裝置控制室的控制系統連接起來,將各裝置控制室的重要信息送至中央調度室。在中央調度室可以對全廠生產裝置進行監視和調度。各裝置控制室可以通過通訊網絡調用其它裝置控制室的信息,實現信息資源共享和全場一體化管理。同時,通過中央調度室的上位計算機,可以實現全廠優化控制。

UW500集散控制系統采用三層網絡結構,分別是管理網絡MNet、系統網絡SNet、控制網絡CNet。CNet連接各個功能模件;SNet采用工業以太網,可連接多套控制站,或多臺操作站/工程師站,并通過MNet可連接MES/ERP(如圖3所示)。

 

3  UW500集散控制系統網絡結構圖

 

3  控制策略

3.1  干餾爐的控制

本工藝干餾爐內無內燃裝置,無空氣進入,干餾所需熱量全部由循環瓦斯供給。經預熱干餾的油頁巖從上部進入干餾爐。干餾爐內設有與油頁巖顆粒大小相適應的布料花墻和布氣結構。700℃熱循環瓦斯均衡連續送入干餾爐中部。干餾完的半焦排入水封的半焦池,冷卻至80℃用刮板排出爐外。干餾爐內最高溫度控制在550℃以下,既保證了油頁巖的完全干餾,又避免了過熱、結焦等問題的發生[4]。干餾爐上面緩沖倉,采用雙閘板放料,作為油頁巖的干燥室。一來減少入爐頁巖水分,減輕回收系統負荷;二來提高了干餾爐效率。

UW500是基于多領域工程對象模型的控制工程設計開發平臺(如圖4所示),通過建立典型控制工程模型庫(靜動態模型與工藝數據)、控制方法庫(設備控制及過程優化算法與運行參數)、顯示界面庫(顯示與操作面板),逐級構建基礎元件、單元設備、行業裝備的多領域描述模型庫,以重用的方式“搭建”裝備模型,以重構的模式“構建”運行程序,通過對抽象、孤立、松散的數據(常數、參數、變量等)、函數(計算、語義等)、圖形(線條、多邊形、色塊等)進行多領域統一建模,構建起緊密關聯并具有物理意義的工程對象模型、工程控制策略、顯示操作面板,實現控制工程設計編程的形象直觀與高效穩定。

 

4  工程對象模型

在本項目中,干餾爐被抽象為一種工程對象模型,干餾爐的畫面、操作面板、算法、相關工藝的歷史數據記錄自然的相互關聯。對于每個干餾爐某段時間的生產效果可以被系統根據組態好的判斷算法或者人為來評判。干餾爐的控制學習算法會依據干餾爐模型的工藝歷史數據自動逐步調節當前的工藝參數,去獲得最佳的工況。

通過一周的調試,算法投到自動后,20臺干餾爐運行狀態平穩,油收率為90%以上[5]。智能的干餾爐模型在集群狀態下(20臺干餾爐之間相互學習)會有更快的反應速度和更好控制效果。經過實際驗證的干餾爐模型可以在以后的項目里重復使用。

 

3.2 加熱爐的控制

格子磚式加熱爐形狀為直立圓筒型,爐內以耐火磚墻分割為蓄熱室和燃燒室兩部分,蓄熱室占全爐截面積的70%。燃燒室下部有干餾氣燃燒器,燃燒干餾氣和空氣在此處混合后噴入燃燒室燃燒以加熱格子磚。

首先將燃燒干餾氣和空氣在爐內燃燒,熱煙氣通過蓄熱室,將格子磚加熱到一定溫度,然后切斷燃燒干餾氣和空氣,通入冷循環干餾氣,使之與格子磚換熱形成熱循環干餾氣,作為補充熱源進入干餾爐。當循環干餾氣溫度下降一定程度后,切斷循環干餾氣,再通入燃燒干餾氣和空氣,重新燃燒以加熱格子磚。如此循環加熱、換熱,一小時進行一次切換,達到為干餾爐提供熱循環干餾氣的目的。一組干餾爐配備三臺加熱爐,采用兩燒一送臺供熱機制,實現連續操作。

格子磚式加熱爐采用UW500順控圖邏輯(如圖5所示),全程自動化控制,供給干餾爐的熱干餾氣溫度控制在650℃±5℃區間,熱效率可達70%以上。

5  加熱爐順控邏輯

 

3.3  油回收單元溫度控制

干餾氣自集合管進氣液分離器,進行氣液分離。氣液分離后干餾氣進入旋噴塔用冷循環池來的冷循環洗滌水噴淋降溫、除塵;冷卻后的干餾氣進間冷器繼續冷卻,而后被電捕油器進一步脫出頁巖油霧。氣液分離器中的冷凝液進入熱循環池,在水池內油水分層。冷循環池、熱循環池中頁巖油到頁巖油池后經中間油泵抽送至立式油水分離槽進一步分離油水,分離后頁巖油自流到頁巖油中間罐,用油泵送到成品油罐儲存。在油回收流程里,關鍵是控制住各個關鍵工藝位置的溫度[6],如表所示。

 

 

 

1 溫度控制點

 

UW500提供PID參數自整定功能,在顯示畫面上,對每一個過程參數都提供一個調整窗口,該窗口顯示每一塊儀表的所有信息,對于控制回路,可顯示過程變量(PV)、輸出值(MV)、設定值(SV)、運行方式、高低限值、報警狀態、工程單位、調節參數和相關數據以及與PID有關的參數值,每一參數調整畫面均有實時趨勢畫面,用戶可以在該畫面上仿真PID參數,方便用戶對PID參數的調整。

UW500提供的PID參數自整定功能,減少了操作量,很好的保證了常規控制的控制效果。

 

3.4  油品儲運自動化

油品儲運系統分管理系統和監控系統兩部分。

管理系統包括提貨單管理、任務單管理、操作數據處理、權限管理、報表管理等功能。它由服務器端和客戶端組成,提貨單數據由它下載給監控系統,并從監控系統讀取最終數據并存入數據庫中。它可提供SAP/ERP接口,相關提貨單信息可以直接通過SAP/ERP傳給管理系統服務器[7]。

監控系統主要提供各種裝車過程中的監視、控制功能。在操作站上可對整個汽車的定量裝車的工藝參數和現場泵、流量計、閥、液位開關、裝車鶴位等設備狀態進行數據采集、處理、存儲實行實時監視和控制,監控系統同時也可以通過標準的通訊協議與其它子系統集成,如稱重系統、讀卡器、批控儀(數據交換單元)和ESD等子系統。監控系統提供友好,靈活的人機交互界面。

油品儲運自動化解決方案實現了各作業子系統之間的信息交換和數據共享,實現了業務管理的自動化,為生產管理提供了有效的技術保障。

 

4.  運行效果

 優穩公司設計的DCS系統在頁巖油煉制過程中成功實施應用,已實現全流程、

連續安全穩定運行,控制效果如下:

1) 制定的控制方案符合工藝的控制要求,結合過程優化、先進控制等控制策略,提高了原料的利用率,并使油品的回收率達到了90%以上,接近世界先進水平;

2) 循環硫化床鍋爐中的溫度控制在650±5℃之間,熱效率達70%,負荷變化適應能力強,控制精度高;

3) 基于多領域工程對象模型的控制工程設計開發平臺為用戶節省90%的工作量;

4) 人機交互界面友好,易學、易懂、易上手;

5) 自動保護聯鎖系統安全可靠;

 

5. 工程截圖

 

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