大型煤制乙二醇项目自控设计与应用
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第22卷第5期 仪器仪表用户 NSTRUMENTATION EIC Vo1.22 2015 No.5 2015年10月 大型煤制乙二醇项目自控设计与应用 张振基,马勇 (黔希煤化工投资有限责任公司,贵州黔西551500) 摘要:在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中,生产过程的主要参数有温度、压力、流量、液 位、分析等,通过对这些过程参数的自动控制,可使生产过程中产品的产量增加、质量提高、能耗减少和生产效率 的提高,同时能保证装置的安全生产和运行。因此,生产过程自动化是保持生产稳定、降f氐?肖耗、降低成本、改善 劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段,仪表合理设计与应用是保证生产过程自动 化的前提,是装置稳定运行的保障。 关键词:煤化工;装置;乙二醇;设计选型 中图分类号:TH 文献标识码:A 文章编号:1671—1041(2015)05—0081—03 Design and Application of Instrument Design for Large—Scale Coal to Ethylene Glycol ZhangZhenji,Ma (Qianxi Coal Chemical Investment Co.Ltd.Qianxi,551500,China) Abstract:In those industril productaion such as the petroleum,chemical,metallurgy,electric powe ̄light industry and building materials,the main parameters of the production process are temperature,pressure,flow,liquid level,analysis,ete.,Through the automatic control of these process parameters to increase production,improve quality,reduce energy consumption and improve production eficiency and guarantfee the safety of production and operation.Therefore,production process automation is an important means to maintain production stability,reduce consumption,reduce costs,improve labor conditions,promote civiHzed production,ensure production safety and improve labor productivity.The reasonable design and application of instrument is not only the premise to guarantee the production process automation,but also the safeguard for the stble operataion of the plant. Key words:coal chemical industry;plant;ethylene glycol;desin and gselection 贵州某3O万吨/年乙二醇项目是一个大型煤化工项目, 1项目概述 项目所处地位于贵州西北部,属中亚热带温暖湿润气 以煤制合成气为原料生产乙二醇。原煤气化后产生粗合成 气,经二段耐硫宽温变换、低温甲醇洗后,脱除的酸性气 体采用WSA工艺生产硫酸,净化后的合成气经H2/CO分离 单元分离出纯H2和CO,CO气去草酸二甲酯装置合成草酸 二甲酯,然后草酸二甲酯再去乙二醇合成单元与H2反应生 成粗乙二醇,粗乙二醇经精馏后得到精乙二醇产品。在工 艺装置中,自控仪表是装置的重要组成部分,性能良好的 候区,最低温度一10.4℃,最高温度35.4℃,年平均相对湿 度82%,海拔较高,大气压88.73kPa。 本项目以煤制合成气为原料生产乙二醇。项目主要包 括气化装置、净化装置、HE/CO分离装置、草酸二甲酯装置、 乙二醇装置、产品罐区、空分装置、火炬、热电装置、公 用系统以及配套的公用工程。 自控仪表对于装置的稳定运行具有非常重要的作用。自控 仪表主要分为两部分,现场仪表和控制系统。现场仪表包 括温度仪表、压力仪表、流量仪表、液位仪表、分析仪表、 控制阀等,控制系统主要包括DCS系统、SIS系统、CCS系 统。下面就整个项目的自控设计及应用做一个阐述。 本项目生产装置工艺流程较长,采用的主要技术有: 气化采用航天炉的HT—L加压粉煤气化技术,对煤种要求低, 转化率高;采用部分耐硫变换工艺,调整合成气的氢碳比; 采用低温甲醇洗工艺脱硫脱碳及脱微量杂质,净化合成气 中硫化氢和有机硫;采用WSA工艺制硫酸,流程成熟、简 收稿日期:2015"0822 作者简介:张振基一(f968 ),男,大学,高级工程师,从事设备管理工作。 82 仪器仪表用户INSTRUMENTATION 第22卷 单,硫回收率较高,运行成本低,尾气可达标排放;合成 气中甲烷含量低的特点,采用低温CO冷箱+PSA流程,产 出高浓度的CO和H2;采用高化学技术一氧化偶联法乙二 醇生产工艺,通过羰化、加氢两个步骤,使合成气经草酸 二甲酯得到乙二醇产品。 本项目部分装置内介质为易燃、易爆,大部分防爆区 域为2区。其中热电装置煤输送和气化装置煤储运为粉尘 防爆21区。 2自控设计原则 根据化工装置规模、产品类型及与业主之间的技术交 流,本项目自控设计原则如下: 采用分散型控制系统DCS对本设计范围内的生产装置 实施过程检测、数据处理、过程控制、能量平衡核算、计 量管理、用电设备状态显示等,以提高全厂自动化水平、 减轻劳动强度,降低生产成本。 根据工艺装置的安全完整性等级要求,采用安全仪表 系统SIS对装置的设备和生产过程进行安全联锁保护,实 现生产安全、稳定、长期高效运行,保证人员和生产设备 的安全、增强环境保护能力等。 装置中压缩机组采用机组专用控制系统完成装置压缩 机机组的控制和安全联锁,实现生产安全、稳定、长期高 效运行,保证有关生产人员的安全、生产设备的寿命等。 现场仪表本着技术先进、安全可靠、维修方便和经济 合理的原则进行设计。所选仪表选用全天候防护仪表,采 用电子式智能式,并符合所在区域防爆和防护要求。 3控制系统设计 本项目装置组成较多,各装置相互之间的联系不多, 因此控制室按气化控制室、乙二醇控制室、锅炉控制室、 水处理控制室、就地机柜间设置。 3.1 DCS系统 DCS(Distributed Contml System)具有过程控制(连续 控制和离散控制)、操作、显示记录、报警、制表打印、 信息管理、系统组态以及自诊断等基本功能 。根据装 置组成及控制室布置,DCS设置如下: 气化装置、净化装置、H ̄/CO分离装置检测和控制在 气化控制室内,空分装置离气化控制室较近,因此检测和 控制也在气化控制室内。气化装置3套气化楼有5700点左 右,净化装置1100点左右,H2/CO分离装置600点左右, 空分装置800点左右。根据装置操作要求,各装置控制器 相对独立设置。 草酸二甲酯装置、乙二醇装置、产品罐区监控在乙二 醇控制室,草酸二甲酯装置2200点左右,乙二醇装置和产 品罐区1300点左右,控制器按各装置相对独立设置。 热电装置包括锅炉和汽机,操作监控在热电控制室内, 锅炉3套共3000点左右,汽机400点左右,从操作和维护 角度,控制器按每套锅炉及汽机相对独立设置。 在H,,C0分离装置、草酸二甲酯装置旁边设立就地就 地机柜间,信号按就近原则进就地机柜间,操作按装置要 求分别在气化控制室和乙二醇控制室。 水处理装置按就近原则设立水处理控制室。 根据装置的可靠性、稳定性要求,主装置包括气化装置、 净化装置、H2/CO分离装置、空分装置、草酸二甲酯装置、 乙二醇装置、产品罐区、热电装置采用进口产品,水处理 采用国产产品。 3.2 SIS系统 SIS(Safety Instrumented System)具有高度安全性和可靠 性,独立于DCS之外的安全系统,具有实现装置紧急停车 和安全联锁所必需的基本功能 。根据工艺装置的安全完 整性等级要求,SIS设置如下: 气化装置、净化装置SIS设置在气化控制室内。气化 装置有900点左右,净化装置(包括净化、公用系统、氨 罐区)有1 10点左右,控制器按各装置相对独立设置。 乙二醇装置SIS设置在乙二醇控制室内,有100点左右。 热电装置有160点左右。 在H.,C0分离装置、草酸二甲酯装置旁边设立就地就 地机柜间,信号按就近原则进就地机柜间。H4CO分离装 置有200点左右,草酸二甲酯装置有1000点左右,控制器 按各装置相对独立设置。 为了保证装置的安全联锁和生产安全运行,SIS采用进 口产品。 3-3 CCS系统 CCS(compressor control system)是一套以PLC为控制核 心,用于机组逻辑顺序控制,PID控制,实时数据处理, 报警停机保护的自动控制系统,可完成机组及其辅助系统 的控制。机组控制系统自成体系,独立于DCS以外。 本项目压缩机组数量较多,透平驱动离心压缩机组的 有氨冰机、CO.压缩机组、CO压缩机组、尾气压缩机组, 电机驱动的离心压缩机组有4套CO压缩机组、两套H,压 缩机组。其中电机电机驱动的4套CO压缩机组每两套机 组采用一套机组控制系统,两套H1压缩机组共用一套机组 控制系统,其它机组均采用独立的机组控制系统。压缩机 组采用专用的机组控制系统,能保证机组安全稳定运行, 机组控制系统均采用进口产品。 4现场仪表设计 根据工艺参数要求、安全可靠、维修方便、经济合理 性原则,并尽量考虑全厂统一性,同时考虑现场仪表的防 爆要求,现场远传仪表一般选用电子式智能仪表。 4.1温度仪表 测量温度在300%以下时,测温元件选用铠装热电阻 (PtlOO);测量温度在300%以上时,测温元件选用铠装热电 偶。测温元件均带温度计套管,尽量采用法兰连接,温度 第5期 张振基・大型煤制乙二醇项目自控设计与应用 产品,以确保测量准确可靠。 83 计套管的材质一般采用304不锈钢,对高温、高压管道采 用特种钢的,套管材质不低于管道材质。就地温度指示采 用抽芯式、万向型双金属温度计。草酸二甲酯反应器上测 温采用单支4点热电偶,采用 5的铠装芯外径,安装在 设备自带的密封套管。氧气混合器出口管道表面温度测量 选用抱箍式表面热电阻。 DMO脱轻塔回流罐轻组分DMC(液体)含量组分分析 采用色谱分析仪,液体进样须确保所有组分气化后进人色 谱柱,同时需考虑介质组分中MN在加热气化的过程中易 分解产生爆炸物,需选用有应用业绩厂商。 锅炉排烟管道上氧含量测量采用直插式氧化锆分析仪。 H2/CO装置中露点分析仪采用氧化铝探头,满足±2℃ 4.2压力仪表 一般情况下,采用压力(差压)变送器;另根据介质粘堵、 精度和63%响应时间小于5s的技术要求。 腐蚀等情况,分别选用远传式隔膜压力(差压)变送器【4, , 烟气排放连续监测系统(CEMS)包含多组分一体化设 毛细管填充液根据环境温度和介质温度选择,高温介质毛 细管的填充液需。对氧气介质需考虑卤代烃填充液,对硝 酸介质需考虑采用钽膜片。DMO脱轻塔、DMC分离塔、甲 醇脱水塔压差采用电子远传式差压变送器。 压力表原则上选用不锈钢弹簧管压力表。另根据介质 粘堵、腐蚀等情况选用不锈钢隔膜压力表。泵出口选用耐 震压力表。 4-3流量仪表 流量测量原则上选用法兰取压孔板配差压变送器; DN300以上管道的流量检测选用节能型检测元件巴类流量 元件,DNS0以下选用整体孔板;非关键场所,选用远传金 属管转子流量计;对于干净介质的气体、蒸汽和液体采用 涡街流量计。关键场合的气体测量要进行温压补偿。 测量导电液体、脏污介质、带少量固体颗粒的介质采 用电磁流量计。 DMO等粘稠的、少量结晶介质流量时采用靶式流量计。 成品罐区装车流量计采用科式力质量流量计。 检测生产污水出水流量采用巴歇尔槽带超声波探头的 明渠流量计。 就地流量指示原则上选用金属管转子流量计。 4.4物位仪表 液位测量一般选用单法兰或双法兰液位变送器,当液 位小于1500mm且介质洁净不易粘堵时,可采用浮筒液位计。 对真空度较高场合尽量避免使用法兰式液位变送器。 罐区液位测量采用雷达液位计。 氨罐液位测量采用电子远传式液位差压变送器和伺服 液位计。 物位联锁选用浮筒式液位开关、浮球液位开关,煤粉 仓采用音叉液位开关。 4.5分析仪表 过程分析仪包含取样处理系统和分析机柜,预处理组 件包括取样探头、取样处理单元、取样管线、标定系统和 废气排放等。分析仪应设置在分析小屋内。分析小屋内应 提供气体监测报警系统以检测可燃和有毒气体的泄漏,必 要时还应设氧气低报警系统。气体分析采用红外分析仪和 色谱分析仪等。 MN测量采用红外分析仪,按软件包指定采购HORIBA 计的气体分析仪(含非色散红外吸收法SO2、NOX分析及 电化学0z分析)、后散式粉尘分析仪、烟气参数测量系统(包 含皮托管流速测量、温度、压力、湿度测量),需满足国家 环境保护总局标准《固定污染源烟气排放连续监测系 统技术要求及检测方法(试行)》HJ厂I'76—2007的技术要求, 分析系统提供网络接人功能,向环保部门传输数据、图表等。 各种水质分析仪有电导率分析仪、PH分析仪、余氯分 析仪、浊度分析仪、COD分析仪、NH3一N分析仪等。涉及 到环保监测仪表符合环保相关标准规范要求。 4.6控制阀 原则上采用单座/套筒控制阀或蝶 蒸汽选用套筒 有气蚀可能的场合选用抗气蚀 噪音大时,选用低噪音阀. 阀内组件至少为不锈钢。 用于放空场合的控制阀,其泄漏量等级不低于ANSI ClassV。 用于连续控制的控制阀均配智能型电一气阀门定位器。 切断阀一般选用球阀,对于大口径管道可选用三偏心 蝶阀。 控制阀的所有附件,包括电气阀门定位器、电磁阀、 阀位开关及过滤减压器等均随控制阀配套整体供货。 9.8MPa高压蒸汽的减温减压器采用一体式迷宫结构, 阀门全开时间需满足1s要求。 H ̄JCO分离装置程控阀采用进口三偏心蝶阀,保证分 子筛切换安全稳定运行。 对草酸二甲酯反应器联锁切断大蝶阀,需采用三偏心 蝶阀,采用弹回返回式单作用气缸执行机构,如采用双作 用需配带储气罐,保证阀门在失气状态下能往返3个行程。 对H2介质阀门阀杆密封需采用双填料结构。 5总结 本项目中DMO合成和乙二醇合成软件包在国内投产项 目较少,DMO、DMC、MN等物料特性数据不是很清楚, 仪表在设计选型上存在困难和风险。乙二醇精馏单元中, 在操作状况下真空度比较高,乙二醇的粘度较大,选用带 膜片压力仪表的填充液需考虑操作工况。DMO在53℃下就 凝固,仪表安装需考虑保温伴热。DMC在线色谱分析仪, 液体进样目前国内应用较少,需谨慎。 (下持第45页) 第5期 郭环宇・发电厂UPS电源并联冗余方案与工程实践 表2第i个点的余差计算值 Table 2 I-th point calculation ofresidual value 45 3.2.3合成标准不确定度 =愿 == 0.034=3.4% 3.3相对扩展不确定度的评定 根据JJF 1059.1—2012[ 技术规范,取置信概率 p=95%,包含因子k=2,则相对扩展不确定度U 1为: ,=kxUc(Axi)=2×3.4%=6.8% 根据表1和2中的数据计算得出 根据不确定度修约规则,取相对扩展不确定度Urel= 7%.k=2。 SR= :,.441.6:9—2 7.94mg/kg 一 4结束语 X-99+25 1+983————— ——一 444mg/k/g g ——一本文提出的计量性能指标是能够确保仪器分析结果准 确的最基本参数,仪器生产厂家、使用单位、检验机构等 可按照这些指标进行计量校准与检测,以保证测试项目和 结果的一致性与准确性。线性误差的大小可反映仪器性能 的优劣,本文以铬元素测试为例,详述了线性误差测量结 果的不确定度评定过程。需要特别指出的是,在评定线性 :’ ∑n( 一 )::1340385(arg/kg) j=l 误差不确定度时,一定要注意不确定度的单位与测试结果 取x i为251 mg,l【g这一浓度点,则回归值Xi为256.9 mg,l【g。 的单位相一致。 参考文献: [1]张林艳,戴挺.能量色散x射线荧光光谱仪的现状卟现代仪 =—7.94×0 945 —113 9 ++(256.9-444)21340385—5.76 mg/ 口 p 器,2008(5):50-53. ● [2]杨明太,唐慧.能量色散x射线荧光光谱仪现状及其发展趋 势Ⅱ】l核电子学与探测技术,2011,31(12):1307—1311. 3.2.2 u(xsi)分量 本实验所用的标准物质,RollS检测x荧光分析用聚 (3]刘春,符斌在RoHS检测中大显身手的能量色散x射线荧 光光谱仪卟中国仪器仪表,2009(1):59-63. [4】JJG 810—1993,波长色散X射线荧光光谱仪检定规程[s】. 丙烯中镉、铬、汞、铅成分分析标准物质中的铬元素,取 其浓度为251 mg,kg,其证书中给出的扩展不确定度为12 [5】CNAS—GL06:2006,化学分析中不确定度的评估指南lS1. [q米娟层.一元线性回归中的不确定度分析U]煤质技术, 2014,(1):21—22. mg/kg(k=2),则铬元素的标准不确定度为6 mg/kg。故 u(xsi)=6mg g。 [7]JJF 1059.1—2012,测量不确定度评定与表示[s]. (上接第83页) 参考文献: 【1】中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质 【3 中华人民共和国工业和信息化部,HG/T20573—2012分散型 3J控制系统工程设计规范[S]北京中国计划出版社201 2:卜44. f4】国家石油和化学工业局,SH3005—1999石油化工自动化仪表 选型设计规范[S].北京:中国石化出版社,1999:1_44. [5】中华人民共和国工业和信息化部,HG/T20507—2014自动化 仪表选型设计规定[S]北京:中国计划出版社2014:109— 168. 量监督检验检疫总局,GB/T50770—2013石油化工安全仪表 系统设计规范[S].北京:中国计划出版社2012:1_6O. 【2】中华人民共和国工业和信息化部,SH/T3092-2013石油化工 分散控制系统设计规范[s].北京中国石化出版社2014.1—87.
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