焦化自控解决方案

焦化自控解决方案一、焦化简介煤炭是我国最主要的能源。除燃烧提供热量外，还可经综合加工利用，提供多种化工产品。实现炼焦及化学产品回收的自动化，对我国煤炭资源的综合利用有着重要的作用。在生产冶金焦、硫酸铵和粗苯等产品的同时，其煤气也可充分得到利用。焦化厂生产条件恶劣，操作人员处在易燃、易爆、有毒的环境中，安全生产和提高大气环境质量是首要目标。焦化生产过程中的配煤、集气管压力、回炉煤气总管压力和回炉煤气主管压力、推焦等实现自动控制，对于保证安全生产，提高产品质量，降低生产成本，提高生产效率，减少大气环境污染，创造良好经济效益，配合生产管理人员及企业领导高效地对生产过程进行决策、指挥都具有非常重要的意义。随着环保意识的日益加强，以及环保标准的提高，原来许多规模小、工艺落后的土法炼焦已不能适应现代工业发展的需要，扩大规模、进行深度加工的机焦的自动化控制水平成为当务之急。就过程控制方面，经历了从气动仪表、电动仪表、多回路控制器到集散控制系统（DCS）的一步步发展，焦化行业过程控制系统采用DCS已成为当前的趋势。二、工艺流程简介炼焦工业的主要加工方法是煤炭在高温（950-1050℃）的环境中生成焦炭，同时回收在炼焦过程中产生的化学产品。产品焦炭可作为高炉冶炼的燃料，也可用于钢铁锻造、有色金属冶炼、制造水煤气（用于制造生产合成氨的发生炉煤气，也可用于制造电石。）在炼焦过程中产生的化学产品经过回收、加工可以提取焦油、氨、萘、粗苯、硫化氢、氢化氰等产品，并获得纯净焦炉煤气。焦化厂一般由备煤车间、炼焦车间、回收（化产）车间及公用工程部分组成。备煤车间主要是设备的启、停控制，DCS实现其逻辑联锁。炼焦车间、煤气回收车间及及公用工程部分采用DCS来实现其控制。备煤车间、炼焦车间工艺流程如下：三、典型控制方案焦化厂DCS系统控制最难点在焦炉加热控制系统和集气管压力控制，下面分别阐明和利时公司针对焦化厂主要控制回路的控制方案。1、焦炉加热模糊控制系统炼焦炉是热工窑炉中最为复杂的热工设备，不仅结构复杂，而且是一个大时滞、非线性极强、多因素耦合的控制对象，若控制不好，产生大量黑烟，给环境造成严重污染，同时对焦炭质量和炉体寿命也有重要影响。基于此，传统PID和串级控制技术很难有效地对此进行控制，针对这种工况，和利时公司特采用多变量模糊控制和动态神经网络建模技术，充分考虑历史信息的作用，通过对煤气流量和焦测、机测烟道吸力的调节，来很好地控制焦测、机测的直行温度，实现了全炉直行温度的稳定性和均匀性，实现了焦炉温度的自动控制，控制效果优于人工操作和进口的DCS控制；在实施这一先进控制后，直行平均温度波动范围±５度；节约焦炉加热煤气３％（使用焦炉煤气作为加热煤气时），保证了焦炭质量，节约了大量能源，从而延长了炉体寿命，降低了对环境污染。2、焦炉集气管压力控制在焦化生产中，焦炉集气管压力的控制是一个至关重要的参数，它的稳定与否直接关系到煤气的产量和质量，集气管压力大，引起炭化室内的压力增大，压力大时焦炉冒烟严重，近距离不能看清设备，大量焦炉媒气进入空气中，污染环境；压力小时空气吸入严重，炭化室内产生负压，则空气被吸入炭化室，部分化学成分在炭化室内燃烧，导致煤气中的CO2和N2含量增加，煤气热值降低，同时会减少焦炉寿命。集气管压力又是一个很难控制的量，影响它的因素比较多：a.跟煤气产量和煤质有关。煤气产量越大，压力越大，反之压力越小；另外跟煤质有关，当媒质较好、鼓风机后媒气负荷稳定时，自动控制效果较好；当媒质较差、鼓风机后压力变化大时，常常出现振荡现象，迫使系统无法投入自动控制。b.几个焦炉共用一套煤气输送系统，一个焦炉集气管压力的波动均会影响总管压力的波动，自动调节回路之间也会相互影响。实际上，焦炉集气管压力系统就是一个耦合严重、具有严重非线性、时变特性、扰动变化激烈的多变量系统，一般的经典PID调节和串级控制很难满足要求。c.装煤操作对集气管压力影响很大。d.鼓风机转速调整影响集气管压力。e.用户煤气使用量的变化也会造成影响。f.煤气交换机交换时的影响g.作为控制机构之一的鼓风闸阀存在严重的非线性、滞后大，常规伺服放大器加执行结构很难适应。3、荒煤气集中管压力控制：其目的是保证焦炉压力稳定。根据集气管压力变化自动调节荒煤气管道上的翻板开度，从而稳定集气管压力。焦炉压力高，炭化室内压力大，增加煤气泄漏的可能；焦炉压力低，炭化室内产生负压，则空气便被吸入炭化室内，造成部分化学产品在炭化室内燃烧，导致煤气中的CO2和N2含量增加，从而使煤气热值降低，同时会减少焦炉寿命。4、主煤气流量控制：其目的是将焦炉温度控制在1250-1350℃上。根据主煤气流量变化自动调节主煤气管道上的翻板开度，稳定主煤气流量，保证焦炉温度。在炼焦煤性质稳定的情况下，加热温度的变化会对炼焦化产品的质量和产率产生影响。在煤气性质稳定的前提下，通过控制燃烧室煤气流量来保证焦炉加热。5、分烟道压力控制其目的是保证烟道的吸力稳定，达到合理的空气过剩系数，从而减少热损失，提高热效率。根据分烟道压力变化自动调节烟道翻板开度，稳定分烟道压力。6、鼓风机吸入压力自动控制：其目的是保证煤气吸力稳定，从而保证集气管压力稳定，进一步保证鼓风机后续工段的压力稳定。针对不同形式的鼓风机，该控制可通过调节鼓风机转速，或调节风机入口蝶阀，以及控制风机旁路等方法来实现。压力信号可取自初冷器入口，引入DCS，由DCS输出4-20mA信号完成自动控制，同时可设手操器，作为DCS的后备手段。7、初冷器后煤气温度控制：其目的是调节初冷器煤气出口温度稳定。出口温度高，煤气中的萘含量会过高，影响洗涤塔的稳定运行。出口温度过底，会造成煤气过冷凝，导致初冷器阻力增大，同时增大制冷水量，能耗增加。通过调节初冷器下段制冷水流量，煤气经初冷器后温度可降至21-22℃，从而达到温度控制的目的。8、上段冷凝液槽液位控制：其目的是防止冷凝液溢槽。冷凝液含有轻质焦油和氨水，一旦溢出会造成环境污染，很难用常规办法清除。该控制通过调节至初冷器前荒煤气管道上的调节阀门来实现。9、电捕焦器绝缘箱压力控制通过控制饱和蒸汽的压力，从而保证绝缘箱温度不低于90℃，防止绝缘瓷瓶表面结露，造成瓷瓶损坏。10、高压氨水压力控制：只有高压氨水的压力稳定，才能在上升管产生稳定的吸力，将装煤过程中产生的煤气吸入到集气管中，从而改善炉顶操作环境，实现无烟装煤。该控制可通过控制高压氨水泵调频电机转速实现。11、鼓风机机组自身的监控：包括润滑油压力、温度、机组转速、轴振动、轴位移以及机组轴承温度、电机定子温度等。统方案与控制结构概述：AC800F系统是ABB集团推出的具有世界领先水平的全能综合型开放控制系统，融传统的DCS和PLC优点于一体，并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件，又同时具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。系统既可连接常规I/O，又可连接Profibus、FF、CAN、Modbus、等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，都能应付自如。该系统升级到V6.2（及以上版本）后，系统容量可以达到无穷多点（超过100万个I/O），今后如果系统需要扩展，可直接在这个基础上增加I/O或现场总线仪表，利于今后的发展。系统包括操作级与过程级，操作级包括传统控制功能，如操作与监视，归档与信息记录，趋势与报警，回路与逻辑控制功能等，为便于管理，所有功能均可在相应过程站中执行。做为过程级是由一个或几个过程站组成，每个过程站由AC800F和扩展I/OS800单元组成。过程站CPU可以配置为冗余或不冗余系统，系统具有各种I/O模块与现场各种类型过程信号相连接。系统提供了两种工业标准总线。过程站总线用于PROFIBUS-DP通信；I/O总线用于现场I/O数据通信，具有较高的安全性与较强数据可靠性。DigiNetS系统总线:（Ethernet）用于过程级与操作级，通信传输介质可以选择同轴电缆或光缆。该系统配备了多个工程师站和多台操作员站：工程师站使用工控PC机作为工程师站（也可使用便携机作为调试设备）；系统操作员站运行在工业PC机上，全中文DigiVis软件包基于MSWindowsNT平台,其图形操作接口增强了系统的使用与操作，此外，还可以提高PC机的外部设备指标如显示器、打印机、鼠标及键盘等使系统操作更方便，该控制系统在一台PC机上完成操作与监控，系统可扩展至100个操作员站和100个过程控制站。具体系统构成图见附页3.新技术的应用与发展：1)开放的现场总线技术：虽然该项目暂时没有用现场总线型现场仪表，为了利于用户今后的发展，我们预留了总线硬件接口。在软件方面ABBAC800F控制器ProfiBus模板支持DPV1标准，与纯DP标准模件相比增加了对仪表的组态能力，这样我们无须安装各种仪表的专用组态软件，仅导入每个仪表的设备参数文件（GSD文件），就可以实现在统一的系统编程软件下对所有PA标准的仪表的参数编程组态的功能，该功能有效节省软件成本，提高工程组态的效率。2)开放的控制功能：该系统控制器采用RISC处理器芯片，程序采用任务运行方式，每个任务都可以设定运行的周期和运行优先级。所以既可以满足复杂调节回路控制要求（一般要求控制周期较长），又可以满足快速电气开关量控制，从而一个控制器就可以覆盖工厂所有环节控制要求。编程时我们预留了大量的用户自定义的控制功能块，根据今后生产的需要，用户可以自己添减功能，而IEC61131-3编程标准的应用，使用户只要有一些基础知识，很快熟悉该系统编程。所以虽然该工程既有复杂的回路调节，又有较高的逻辑控制要求，我们对于每个关键的工艺通过配置冗余过程控制器满足了生产的要求，达到了用户满意的效果，完全满足了工艺过程的全部需要。3)系统全局数据库技术：系统全局数据库核心技术即“分散存储，全局管理”。系统编程软件仅为项目生成一个项目文件，虽然每个控制器均开辟一定空间作为数据变量存储区，但在系统编程软件上仅为一个全局系统变量表操作员站与过程站之间的数据交换无须数据库的转换编程为直接存取，变量的修改与检查也是系统全局，系统的过程站与操作员站的组态为一套软件。整个工程自控部分的安装调试开车只用了两三周的时间，这是一个很重要的因素。4)开放的TCP/IP协议以太网技术：在操作员站、工程师站、和过程站之间我们采用以太网的方式：AC800F控制器系统通讯模板为标准TCP/IP协议以太网模件，这样使系统无须增加设备就可以与工厂局域网连接，由于系统支持标准OPC数据交换标准，使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换将更加容易。5)系统易于扩展，系统软件无资源限制，用户今后如果需技术改造，新增加控制点、过程站，工程师站软件无须重新购买，编程时仅在原项目文件项目树下添加几个资源即可，方便了用户今后的系统扩展和长远发展。6)中文界面：系统菜单，操作面板，系统字符表及系统提示信息为中文；4.工艺过程的实现与运行效果：根据其工艺过程将流程图画面分为:“6、7＃焦炉系统”，“鼓风、冷凝系统”“粗苯系统”“蒸氨系统”“溶脱系统”“制冷系统”等多幅工艺流程图画面；在画面中我们制作了“低水熄焦”、“导热油自动控制”等动态显示画面，为了避免操作工的视觉疲劳，在画面里制作了动态软开关，水（介质）的动态流动等在画面中用软件逻辑控制，可由操作工根据需要开关。焦炉加热在焦化行业是一个关键过程，加热工艺和熄焦时间是控制的关键，我们为用户制作了焦炉串级加热程序和低水熄焦自动控制程序，其串级加热和低水熄焦自动控制的逻辑程序在AC800F控制器中实现，用软件实现了串级/手动加热的逻辑切换，同时显示熄焦下水阀位和大小工作的时间，为用户进一步探索最佳的焦炉加热与熄焦方式打下了基础。我们为“再生器”、“蒸氨塔”、“地下放空槽”、“油放空槽”等液位和“导热油出口温度”、“出管式炉温度”等温度进行了自动调节控制,由于许多调节回路的SP值（设定值）是一个