唐玉玲

(中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

當(dāng)前全球?qū)p質(zhì)油的需求越來(lái)越多，而原油市場(chǎng)上重質(zhì)化、劣質(zhì)化原油所占的比例越來(lái)越大，煉油企業(yè)都面臨著大量加工重質(zhì)原油的嚴(yán)峻挑戰(zhàn).重油加工技術(shù)已成為當(dāng)今世界煉油業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，也是提高煉油企業(yè)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力的主要手段之一.延遲焦化是國(guó)內(nèi)外大部分煉油廠進(jìn)行重質(zhì)油加工的主要手段，且能處理煉油企業(yè)的各種殘?jiān)锪?，因此它被稱為煉油企業(yè)的“垃圾桶”或“回收站”［1，2］.截止2009年，我國(guó)延遲焦化處理能力已經(jīng)達(dá)到75 Mt/a左右;延遲焦化處理能力占原油加工能力的比例10%以上，居全球第2 位［3］.

延遲焦化過(guò)程是一個(gè)典型的連續(xù)/間歇過(guò)程__［4］，其控制功能復(fù)雜［5］.文獻(xiàn)［6，7］針對(duì)其間歇特性進(jìn)行控制策略研究，但并未涉及間歇操作的控制問(wèn)題.目前，延遲焦化的連續(xù)過(guò)程采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)而間歇操作主要采用手動(dòng)操作.手動(dòng)操作效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且運(yùn)行人員誤操作極易引發(fā)重大事故.近年來(lái)，順序控制逐漸引入焦炭塔的間歇操作過(guò)程，提高了流程的自動(dòng)化程度并通過(guò)聯(lián)鎖確保操作的正確性［8-10］.順序控制裝置主要采用安全儀表系統(tǒng)(SIS)［9，10］或可編程控制器(PLC).延遲焦化流程復(fù)雜，間歇操作步驟多，導(dǎo)致順序控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜.為了便于優(yōu)化操作流程，使操作人員熟悉控制步序，發(fā)揮應(yīng)有的各項(xiàng)功能，急需為延遲焦化間歇順序控制提供仿真培訓(xùn)系統(tǒng).文獻(xiàn)［11-14］開(kāi)展了延遲焦化流程連續(xù)過(guò)程的仿真研究，主要針對(duì)DCS的操作進(jìn)行培訓(xùn).其中，文獻(xiàn)［13］研究了仿真系統(tǒng)的支撐系統(tǒng).

本文針對(duì)采用PLC的新建順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)其仿真培訓(xùn)系統(tǒng).系統(tǒng)擬采用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別仿真現(xiàn)場(chǎng)操作(外操)和集控室操作(內(nèi)操)，采用組態(tài)軟件——WinCC分別設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)操作站和集控站仿真軟件.文章擬介紹仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的通信方式、操作界面設(shè)計(jì)、流程順序控制等，并以中石化某分公司仿真培訓(xùn)系統(tǒng)為例介紹其設(shè)計(jì)方法.

1 延遲焦化順序控制系統(tǒng)

1.1 延遲焦化間歇操作

延遲焦化是一個(gè)深度熱裂化熱加工過(guò)程，它是利用熱的作用使渣油等原料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而達(dá)到加工目的的一種工藝方法.渣油經(jīng)過(guò)熱加工處理，可以使低價(jià)值的重質(zhì)油轉(zhuǎn)化成高價(jià)值的輕質(zhì)油.目前煉油廠配置的典型延遲焦化過(guò)程采用“兩塔一爐”的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.原料油和循環(huán)油從主分餾塔底抽出，用熱油泵送到加熱爐被快速升溫至約490℃經(jīng)過(guò)四通閥進(jìn)入焦炭塔底部.原料油和循環(huán)油中蠟油以上餾份在焦炭塔內(nèi)由于高溫和長(zhǎng)時(shí)間停留而發(fā)生裂解、縮合等反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為輕烴和焦炭.焦炭聚結(jié)在焦炭塔內(nèi)，而反應(yīng)產(chǎn)生的油氣自焦炭塔塔頂部逸出并進(jìn)入主分餾塔，與原料油換熱后，依次分割出焦化富氣、粗汽油、粗柴油、蠟油和循環(huán)油.

圖1 延遲焦化工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Flowchart of delayed coking

按照延遲焦化的工藝特點(diǎn)，將“兩塔一爐”的生產(chǎn)流程分成了20個(gè)步序，如圖2所示.當(dāng)一個(gè)焦炭塔處于生焦階段時(shí)，另一個(gè)焦炭塔進(jìn)行除焦及生焦準(zhǔn)備，即執(zhí)行小吹汽——大吹汽——給水——放水——除焦——趕空氣——試壓——泄壓——引油氣預(yù)熱等操作.2-A/2-B焦炭塔的操作相互輪流切換.焦炭塔的步序切換為間歇操作，而每個(gè)步序的執(zhí)行屬于連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程.

圖2 兩塔一爐”延遲焦化過(guò)程間歇操作步序Fig.2 Batch process of delayed coking process equipped with one furnace along with two towers

從圖2可以看出，焦炭塔需要頻繁進(jìn)行間歇操作，且每個(gè)步序又包含多個(gè)子步序.若采用傳統(tǒng)的人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作人員誤操作極易引發(fā)重大事故.順序控制可以較好解決焦炭塔的間歇操作問(wèn)題，且通過(guò)嚴(yán)格的聯(lián)鎖保護(hù)能進(jìn)一步確保步序切換的安全性.

1.2 順序控制系統(tǒng)

延遲焦化過(guò)程連續(xù)過(guò)程由DCS控制，采用常規(guī)PID或先進(jìn)控制策略.而間歇過(guò)程采用順序控制系統(tǒng)，如圖3所示.本文主要介紹由PLC實(shí)現(xiàn)的順序控制系統(tǒng).焦炭塔間歇操作通過(guò)閥門通斷控制實(shí)現(xiàn)步序切換.對(duì)常規(guī)“兩塔一爐”延遲焦化工藝過(guò)程，順序控制系統(tǒng)需要控制約30個(gè)閥門(包括電動(dòng)和氣動(dòng)閥門).

圖3 延遲焦化過(guò)程的控制系統(tǒng)Fig.3 Control system for delayed coking

2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本文重點(diǎn)介紹延遲焦化過(guò)程間歇順序控制仿真培訓(xùn)系統(tǒng).順序控制系統(tǒng)處理的變量大多數(shù)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)(“0”或者“1”)且間歇操作無(wú)需動(dòng)態(tài)過(guò)程，故順序控制仿真對(duì)象相對(duì)簡(jiǎn)單.為了便于仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的使用，采用圖4所示硬件配置，兩臺(tái)筆記本電腦通過(guò)以太網(wǎng)連接.一臺(tái)電腦安裝現(xiàn)場(chǎng)操作站(外操)仿真軟件，該軟件提供仿真界面模擬現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程(閥門允許狀態(tài)指示、仿真現(xiàn)場(chǎng)操作、提供閥門動(dòng)作的反饋信號(hào)等)，并實(shí)現(xiàn)焦化過(guò)程順序控制策略(邏輯).另一臺(tái)筆記本電腦安裝集控室操作站(內(nèi)操)仿真軟件，該軟件與實(shí)際順序控制系統(tǒng)所使用的軟件基本一致.區(qū)別在于:集控室操作站仿真軟件的數(shù)據(jù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)操作站(外操)仿真軟件，而實(shí)際順序控制系統(tǒng)軟件與PLC連接獲取生產(chǎn)過(guò)程的真實(shí)數(shù)據(jù).本文研究的順序控制系統(tǒng)采用西門子S7-400H系列冗余PLC系統(tǒng)，為了便于統(tǒng)一，仿真系統(tǒng)軟件均采用西門子WinCC軟件開(kāi)發(fā)完成.兩套軟件之間采用OPC(Ole for Process Control)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場(chǎng)站仿真軟件作為OPC Server而集控室軟件作為OPC Client.

圖4 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)Fig.4 Hardware platform of the simulation train system

2.2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

現(xiàn)場(chǎng)操作站(外操)仿真軟件需要模擬現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程，延遲焦化過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是閥門.圖5是仿真界面上電動(dòng)閥的操作圖例.圖5中a為閥門描述;b為通/斷電控制;c為閥門控制信號(hào)指示;d為狀態(tài)指示:閃爍表示運(yùn)行開(kāi)關(guān)，常亮表示開(kāi)/關(guān)到位;e為現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕.可見(jiàn)通過(guò)此圖例可以呈現(xiàn)閥門的各種狀態(tài)給外操人員，且提供外操人員進(jìn)行操作的手段.與此類似，現(xiàn)場(chǎng)操作站仿真軟件界面還呈現(xiàn)了氣動(dòng)閥門的操作、模擬量(例如，塔的溫度，壓力)的操作、頂?shù)咨w機(jī)操作以及外操確認(rèn)盤操作等圖例.

圖5 電動(dòng)閥操作圖例Fig.5 Operation interface of an electrically operated valve

圖6 順序控制流程Fig.6 Flowchart of the sequence control logic

焦炭塔的順序控制邏輯也是由現(xiàn)場(chǎng)操作站完成.為了模擬PLC循環(huán)掃描的執(zhí)行方式，我們用WinCC全局腳本建立了一個(gè)全局動(dòng)作-MainCycle.pas，程序流程如圖6所示.該腳本程序周期性定時(shí)觸發(fā)，周期為250ms.每250ms按圖6程序執(zhí)行一次，程序先判斷焦炭塔順控系統(tǒng)狀態(tài)，本文共設(shè)計(jì)了3種狀態(tài):暫停流程、解除聯(lián)鎖、自動(dòng)順序控制.自動(dòng)順序控制是正常工作狀態(tài)，解除聯(lián)鎖后程序處于手動(dòng)控制方式，暫停流程用于某些特殊情況的處理，處理完后可以繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)順序控制.在自動(dòng)程序狀態(tài)下，程序判斷當(dāng)前步序(“兩塔一爐”流程分成20個(gè)步序)，進(jìn)行本步序處理，當(dāng)步進(jìn)條件滿足后進(jìn)入下一個(gè)步序(需要內(nèi)操確認(rèn)).需要說(shuō)明的是，若當(dāng)前步序是20，步進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)入步序1，實(shí)現(xiàn)流程的循環(huán)運(yùn)行.每個(gè)步序又分成多個(gè)子步序操作.

集控室操作站(內(nèi)操)仿真軟件主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)操監(jiān)控功能.仿真軟件與實(shí)際順序控制系統(tǒng)所使用軟件基本相同.設(shè)計(jì)了主畫面、流程圖、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、順序控制狀態(tài)設(shè)置等界面.仿真軟件通過(guò)OPC從現(xiàn)場(chǎng)站仿真軟件獲取數(shù)據(jù).

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用本文提出的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法，我們?cè)O(shè)計(jì)了中石化某分公司的延遲焦化過(guò)程順序控制仿真培訓(xùn)系統(tǒng).仿真系統(tǒng)在該公司進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試用，結(jié)果表明:①在開(kāi)工之前，仿真系統(tǒng)有效協(xié)助工藝技術(shù)人員直觀、全面地理解和校驗(yàn)工藝過(guò)程，發(fā)現(xiàn)缺陷;②能有效幫助操作人員(內(nèi)操及外操)熟悉順序控制的邏輯條件、順控流程以及操作方式，大大提高了操作人員的操作水平.

3 結(jié)語(yǔ)

延遲焦化是應(yīng)對(duì)原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化的有效手段，也能對(duì)渣油進(jìn)行深度加工，近年來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展.然而，目前延遲焦化過(guò)程的控制水平相對(duì)低下，尤其是間歇操作過(guò)程大多采用手動(dòng)操作方式，無(wú)法進(jìn)一步適應(yīng)焦炭塔縮短生產(chǎn)周期、擴(kuò)容增產(chǎn)的需求.順序控制是解決延遲焦化過(guò)程間歇操作的有效手段，本文針對(duì)采用PLC的焦炭塔順序控制系統(tǒng)提出了一套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.采用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作站(外操)以及集控室操作站(內(nèi)操)進(jìn)行仿真，采用OPC規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.仿真軟件采用WinCC軟件開(kāi)發(fā)，具備完備的內(nèi)外操仿真功能.設(shè)計(jì)完成的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)在中石化某煉油廠成功地進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的效果，獲得了業(yè)界的好評(píng).

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