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安全控制成就煤化工戰(zhàn)略
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修改時(shí)間：2009/1/15 14:01:59 瀏覽次數(shù)：4467
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2005年10月底，全球首個(gè)煤制烯烴工業(yè)化裝置工程--神華集團(tuán)煤制烯烴項(xiàng)目在內(nèi)蒙古包頭市奠基。作為中國(guó)最大的采煤和煤化工企業(yè)，神華集團(tuán)借助中國(guó)煤制化學(xué)品市場(chǎng)快速升溫之機(jī)，目前即將在內(nèi)蒙古包頭建設(shè)完成這個(gè)集煤制甲醇、煤制烯烴、發(fā)電于一體的綜合性化工企業(yè)。這一總投資高達(dá)16億美元的國(guó)際一流項(xiàng)目對(duì)化工流程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)提出了國(guó)際一流標(biāo)準(zhǔn)的需求。基于MAV（自動(dòng)化設(shè)備）保護(hù)傘協(xié)議，霍尼韋爾過(guò)程控制部所提供的以新一代過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)Experion PKS C200為主的一系列解決方案，實(shí)現(xiàn)了新型煤化工工藝的控制、安全、信息利用的全面集成，為神華集團(tuán)的能源業(yè)務(wù)多樣化戰(zhàn)略提供了有力支持。
美國(guó)Nexant公司評(píng)論認(rèn)為："近年來(lái)石油和天然氣價(jià)格的上漲已將使用煤生產(chǎn)化學(xué)品的趨勢(shì)推向了一個(gè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)折點(diǎn)。"尤其在像中國(guó)這樣的能源需求迅速增長(zhǎng)的發(fā)展中國(guó)家，更加促使煤制化學(xué)品市場(chǎng)快速升溫起來(lái)。
由于中國(guó)擁有豐富的煤炭資源，居世界第三位，成本相對(duì)低廉，而中國(guó)石油和天然氣資源又相對(duì)短缺。因此在一定范圍內(nèi)，從石油化工向煤化工轉(zhuǎn)型不但具有發(fā)展?jié)摿Γ蔀閲?guó)家的能源補(bǔ)充性戰(zhàn)略之一。
作為中國(guó)最大的采煤和煤化工企業(yè)，神華集團(tuán)借助中國(guó)煤制化學(xué)品市場(chǎng)快速升溫之機(jī)，即將在內(nèi)蒙古包頭市建設(shè)完成這一集煤制甲醇、煤制烯烴、發(fā)電于一體的綜合性化工企業(yè)--神華包頭煤化工公司。神華集團(tuán)是中國(guó)唯一一家以煤炭生產(chǎn)和銷(xiāo)售，電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)，煤制油及煤化工，相關(guān)鐵路、港口等運(yùn)輸服務(wù)為主營(yíng)業(yè)務(wù)的大型綜合性能源企業(yè)，目前擁有29個(gè)全資擁有和主要控股的下屬機(jī)構(gòu)，以及148,000名員工，并已經(jīng)連續(xù)5年在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)率中名列煤炭行業(yè)榜首。
作為神華集團(tuán)的獨(dú)資公司，投資總額高達(dá)16億美元的神華包頭在神華集團(tuán)的規(guī)劃中將成為后續(xù)即將上馬的MTP（甲醇制丙稀）、MTO和煤間接液化一系列其他項(xiàng)目的模型示范工廠。針對(duì)這樣一個(gè)龐大復(fù)雜的工程項(xiàng)目，神華包頭采取了國(guó)際流行的具有多家工程、采購(gòu)和建設(shè)（EPC）方的MAV（自動(dòng)化設(shè)備）保護(hù)傘協(xié)議。首期MAV框架協(xié)議合同額為700萬(wàn)美元。經(jīng)過(guò)多方比較與前期論證咨詢(xún)，用戶(hù)方最終決定選擇霍尼韋爾作為主自動(dòng)化設(shè)備提供商，一家不但能夠提供世界最先進(jìn)水平控制平臺(tái)的供應(yīng)商，同時(shí)還能監(jiān)控協(xié)調(diào)各個(gè)工程建設(shè)方的服務(wù)伙伴。2007年9月15日，雙方正式簽訂供貨協(xié)議，供貨范圍包括霍尼韋爾Experion PKS C200控制系統(tǒng)、高性能過(guò)程管理站（HPM） I/O、故障安全控制系統(tǒng)FSC、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）等等，幾乎覆蓋了框架協(xié)議所有合同產(chǎn)品的70％以上，預(yù)計(jì)2010年年初交付完畢。
挑戰(zhàn)關(guān)鍵性目標(biāo)
用戶(hù)方的戰(zhàn)略目標(biāo)很清楚，不但要利用自身豐富的煤資源生產(chǎn)高附加值的烯烴產(chǎn)品如聚乙烯、聚丙烯和化肥，也是響應(yīng)政府號(hào)召，從原煤生產(chǎn)轉(zhuǎn)向清潔能源生產(chǎn)，符合國(guó)家方針政策的大事情。然而，為保障總體戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，霍尼韋爾要面臨的卻是實(shí)實(shí)在在的技術(shù)挑戰(zhàn)。
首先，作為全球首個(gè)煤制烯烴工業(yè)化裝置工程，神華包頭項(xiàng)目的一些重要工藝裝置還是首次在中國(guó)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。在該項(xiàng)目中，煤經(jīng)甲醇制烯烴的工藝主要由煤氣化制合成氣、合成氣制取甲醇、甲醇制烯烴三項(xiàng)主要技術(shù)組成，即煤經(jīng)氣化過(guò)程生成CO和H2(合成氣)，然后合成甲醇，再借助類(lèi)似催化裂化裝置的流化床反應(yīng)形式，生產(chǎn)低碳烯烴(乙烯和丙烯)。其中，為滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)規(guī)模甲醇制烯烴裝置所需的大型煤氣化技術(shù)、百萬(wàn)噸級(jí)甲醇生產(chǎn)技術(shù)均成熟可靠，關(guān)鍵是甲醇制烯烴裝置技術(shù)。目前，世界上具備商業(yè)轉(zhuǎn)讓條件的甲醇制烯烴技術(shù)的有美國(guó)環(huán)球油品公司和挪威Hydro公司共同開(kāi)發(fā)的甲醇制低碳烯烴(MTO)工藝、德國(guó)魯奇公司的甲醇制丙烯(MTP)工藝、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的甲醇制低碳烯烴(DMTO)工藝。但是這三種工藝之前都還沒(méi)有在工業(yè)化裝置中運(yùn)行，這是項(xiàng)目前期專(zhuān)家論證中的難點(diǎn)之一，對(duì)霍尼韋爾的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是一項(xiàng)新的工程挑戰(zhàn)。
另外，從工程項(xiàng)目的規(guī)模來(lái)看，神華包頭項(xiàng)目采用上述的水煤漿氣化－合成氣－甲醇－烯烴的工藝路線，年產(chǎn)中間產(chǎn)品甲醇180萬(wàn)噸、烯烴60萬(wàn)噸，以及最終產(chǎn)品聚乙烯30萬(wàn)噸、聚丙烯30萬(wàn)噸及其他副產(chǎn)品。在這些主要工藝環(huán)節(jié)中，杭氧公司的4套6000標(biāo)準(zhǔn)立方米/時(shí)的空分單元（ASU）、雪佛龍德士古公司的7套水煤漿氣化裝置（5套投入運(yùn)行，2套備用，神華包頭可能是雪佛龍德士古公司全球最大的安裝項(xiàng)目）、戴維公司的甲醇制備裝置、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的甲醇制低碳烯烴（DMTO）裝置、ABB LUMMUS公司的聚乙烯（PE）制備裝置，以及陶氏UNIPOL提供的聚丙烯（PP）裝置是霍尼韋爾控制系統(tǒng)要面對(duì)的主要工藝控制對(duì)象。
其中，包括煤處理設(shè)備、7套水煤漿氣化裝置與甲醇制備、甲醇制低碳烯烴（DMTO）等三個(gè)聯(lián)合控制室（UCR），以及凈水廠現(xiàn)場(chǎng)控制室（LCR）在內(nèi)的共四個(gè)過(guò)程單元DCS I/O數(shù)目超過(guò)48,000個(gè)，安全儀表系統(tǒng)（SIS）的I/O總數(shù)超過(guò)5,500個(gè)。這些系統(tǒng)的自動(dòng)化程度非常高，過(guò)程非常復(fù)雜，安全性要求非常高，控制中稍微出現(xiàn)一點(diǎn)差錯(cuò)，就有可能導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)爆炸而危及人員和裝置的安全。同時(shí)，由于裝置各監(jiān)控點(diǎn)間的邏輯關(guān)系和控制相當(dāng)復(fù)雜，安全性要求很高，因此一方面對(duì)控制設(shè)備的質(zhì)量和可靠性提出很高的要求，另一方面對(duì)控制系統(tǒng)的功能與全面性也提出了很高要求。
打造可靠而靈活的化工流程
現(xiàn)代化的化工流程行業(yè)尤其是像煤制烯烴這樣的新興大型化工行業(yè)，一方面要求傳統(tǒng)的過(guò)程控制系統(tǒng)DCS必須穩(wěn)定可靠，魯棒性好，能夠迅速處理數(shù)據(jù)和響應(yīng)各類(lèi)突發(fā)事件，另一方面還要求實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)連接，靈活的數(shù)據(jù)采集與一致的數(shù)據(jù)處理能力，從而與上層的先進(jìn)控制優(yōu)化和全廠生產(chǎn)與管理調(diào)度提供決策支持。作為霍尼韋爾新一代過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)的核心之一，Experion PKS C200控制系統(tǒng)相比上一代產(chǎn)品，在安全可靠與靈活性方面都有了很大的改進(jìn)。
位于聯(lián)合控制室UCR2的空分ASU單元和水煤漿氣化單元是整個(gè)項(xiàng)目中控制規(guī)模最大的裝置，I/O點(diǎn)數(shù)占所有I/O數(shù)目的約1/4，基于控制執(zhí)行環(huán)境CEE，C200控制系統(tǒng)成為能夠?qū)崿F(xiàn)該處常規(guī)控制、快速邏輯、順序和批量控制應(yīng)用的理想解決方案。集魯棒性、靈活性和一致性為一體的控制執(zhí)行環(huán)境CEE使現(xiàn)場(chǎng)的各種控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了確定性、一致性并可靠執(zhí)行，用戶(hù)可以通過(guò)組態(tài)的方式對(duì)Experion PKS C200系統(tǒng)進(jìn)行配置，而無(wú)需從頭構(gòu)建系統(tǒng)。
為了滿(mǎn)足工藝過(guò)程控制所要求的高可靠性，C200控制系統(tǒng)全部采用了控制處理器模件冗余和電源模件冗余。基本控制器與冗余控制器之間的同步對(duì)用戶(hù)完全透明，故障切換時(shí)間對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，更不會(huì)中斷任何控制，這也是用戶(hù)感覺(jué)C200系統(tǒng)體現(xiàn)較高的冗余可靠性的地方。
另外，為了適應(yīng)像水煤漿氣化裝置的高溫環(huán)境，除塵除渣過(guò)程中的惡劣條件，或者是硫磺回收裝置的腐蝕性環(huán)境，C200控制系統(tǒng)的所有模件不但都可以帶電插拔，而且附加了防腐蝕鍍層，直接按照在上述過(guò)程區(qū)域的HPM I/O更是具有很高的安全防護(hù)等級(jí)。
在系統(tǒng)開(kāi)放性方面，為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)支持決策的要求，一方面C200系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)總線接口模件FIM提供了與全數(shù)字基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）H1網(wǎng)絡(luò)的連接，實(shí)現(xiàn)控制器與智能變送器、閥門(mén)定位器、流量計(jì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互連，另一方面則通過(guò)FTE網(wǎng)橋模件支持容錯(cuò)以太網(wǎng)FTE解決方案，為Experion服務(wù)器同操作站的通信提供了可靠的100Mbps高速以太網(wǎng)連接，最終實(shí)現(xiàn)了從底層到上層的開(kāi)放系統(tǒng)集成。
過(guò)程安全的保護(hù)神
隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的推出以及企業(yè)對(duì)安全系統(tǒng)重視度的不斷升級(jí)，緊急停車(chē)系統(tǒng)(ESD)在化工系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置上正得到廣泛應(yīng)用，化工生產(chǎn)裝置對(duì)緊急停車(chē)系統(tǒng)的依賴(lài)性也越來(lái)越強(qiáng)。在神華包頭項(xiàng)目中，聯(lián)合控制室UCR2和UCR3的氣化、凈化、甲醇、氫回收、MTO、烯烴分離、PP、PE等重要裝置都有過(guò)程安全保護(hù)的需求，安全儀表系統(tǒng)I/O數(shù)目超過(guò)5,500個(gè)。根據(jù)上述裝置的工作環(huán)境特性，選用了霍尼韋爾故障安全控制FSC系統(tǒng)，由它執(zhí)行安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制部分，獨(dú)立于C200控制系統(tǒng)，使安全水平達(dá)到IEC提出的SIL3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)過(guò)15年可靠驗(yàn)證的FSC控制系統(tǒng)軟硬件均通過(guò)IEC的IEC61508認(rèn)證以及國(guó)際專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)--異常狀態(tài)管理聯(lián)盟（ASM）的論證，是一個(gè)基于雙重或四重化結(jié)構(gòu)的安全控制系統(tǒng)。FSC系統(tǒng)支持最新的2oo4D表決原理，可以實(shí)現(xiàn)更高的安全控制與保護(hù)等級(jí)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)SC將連續(xù)監(jiān)控上述重要裝置關(guān)鍵過(guò)程的各個(gè)變量，隨時(shí)檢查到超出安全運(yùn)行界限的偏差，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題便立即將過(guò)程強(qiáng)制到安全狀態(tài)。
此外，為了防止因FSC安全系統(tǒng)自身故障而導(dǎo)致的不必要過(guò)程停車(chē)，F(xiàn)SC機(jī)柜采用了中央控制元件（Central Part）全冗余，I/O模件部分冗余的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。這種控制器和重要I/O雙冗余的結(jié)構(gòu)，可以保證當(dāng)一個(gè)CP或I/O卡故障時(shí)，另一個(gè)CP或I/O繼續(xù)工作，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)操作。
FSC利用了組態(tài)軟件強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)的能力，融合了較先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，具有可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)容易等特點(diǎn)，為裝置事故狀態(tài)下的安全提供了保證。
隨著神華包頭項(xiàng)目的成功投運(yùn)，在今后2～3年內(nèi)，神華集團(tuán)計(jì)劃將陸續(xù)建設(shè)神華寧煤60萬(wàn)噸/年MTP的MAV項(xiàng)目，榆林100萬(wàn)噸/年MTO、榆林煤間接液化項(xiàng)目、寧夏煤礦間接液化項(xiàng)目和通遼52萬(wàn)噸/年尿素、50萬(wàn)噸/年合成氨工廠項(xiàng)目等。霍尼韋爾的安全與控制平臺(tái)在成就了神華集團(tuán)的現(xiàn)代煤化工戰(zhàn)略的同時(shí)，也將繼續(xù)保持在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先自動(dòng)化系統(tǒng)提供商地位。
