WebField JX-300XP DCS在丙烯酸酯裝置中的應用
發布時間：2010-03-31 作者：王楊 江蘇恒神纖維材料有限公司
丙烯酸是工業生產中重要的不飽和有機酸，是重要的有機化工原料，它主要用于制備丙烯酸樹脂、聚丙烯酸及其鹽及用于其它有機合成等，另外也用于粘合劑、涂料、化纖、皮革、造紙、紡織工業和光敏樹脂板等的生產。丙烯酸酯主要有丙烯酸甲酯（MA）、丙烯酸乙酯（EA）、丙烯酸正丁酯（n-BA）和丙烯酸異辛酯（2-EHA）等，這些產品廣泛用于涂料、粘合劑、皮革、化纖、腈綸纖維及塑料的改性以及丙烯酸類橡膠等方面。
最近幾年，我國丙烯酸工業生產和市場發生很大變化，產量自1998年（產量為10.46萬噸）開始猛增，截至2005年3月，我國丙烯酸生產能力為37．5萬噸／年，預計2010年我國丙烯酸產能將達63萬噸，丙烯酸酯產能將達75萬噸，但與需求量相比仍有一定缺口。
2006年浙江衛星化工（企業集團）投資組建了一套總設計能力為16萬噸/年丙烯酸的裝置，并配套酯化裝置生產丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯等衍生產品。項目分三期規劃建設，一期4萬噸丙烯酸及4.5萬噸酯及配套公用工程，該裝置采用浙江中控技術股份有限公司的WebField JX-300XP控制系統對丙烯酸酯裝置進行自動監控。
WebField JX-300XP 控制系統
WebField JX-300XP控制系統是浙江中控技術股份有限公司SUPCON WebField系列控制系統十余年成功經驗的結晶，吸收了近年來快速發展的通信技術、微電子技術，充分應用了最新信號處理技術、高速網絡通信技術、可靠的軟件平臺和軟件設計技術以及現場總線技術，采用了高性能的微處理器和成熟的先進控制算法，能適應更廣泛更復雜的應用要求，成為一個全數字化、結構靈活、功能完善的開放式集散控制系統。其整體結構圖如圖1所示：
圖1 WebField JX-300XP系統整體結構圖
WebField JX-300XP控制系統主要有以下幾個特點：
可靠性：采用1:1冗余的工業以太網，可靠性高、糾錯能力強、通信效率高。
安全性：系統安全性和抗干擾性符合工業使用環境下的國際標準。
智能化設計：采用專用的微處理器負責卡鍵的控制、檢測、運算、處理以及故障診斷等工作，在系統內部實現了全數字化的數據傳輸和數據處理。
任意冗余配置：控制站的電源、主控卡、數據轉發卡和模擬量卡均可按不冗余或冗余的要求配置。
圖形界面：提供集成化圖形界面組態工具，可以方便、快捷地生成圖形畫面，提供多種預定義圖庫對象。
丙烯酸生成工藝
隨著石油化工的發展，目前工業上新建和擴建的丙烯酸酯裝置均采用丙烯氧化法工藝。丙烯氧化生產丙烯酸有一步法和兩步法，目前主要采用兩步法生產丙烯酸。丙烯酸和醇直接酯化生產丙烯酸酯，可以在同一生產裝置中生產。
本項目采用丙烯兩步直接氧化法生產工藝，丙烯酸和醇直接酯化生產丙烯酸酯。丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯在同一裝置中生產，丙烯酸丁酯采用獨立的生產裝置。氣化后的丙烯和增濕空氣按一定配比混合后，連續通過兩段反應器，通過催化劑的作用，在一定溫度下快速進行氣相氧化反應生產丙烯酸。來自丙烯酸裝置的酯化丙烯酸和醇按照一定比例進入酯化反應器。酯化反應后，反應物進入分餾塔，塔頂得到含丙烯酸酯、醇、和水的混合物。該混合物進入萃取塔萃取分離出醇，塔頂含丙烯酸酯和少量水的鎦出物進入醇氣提塔。醇氣提塔塔底液進入酯精制塔，由塔頂得到產品丙烯酸酯，送到產品罐。此外，從丙烯酸裝置出來的尾氣含有大量的有毒氣體，需進行催化焚燒反應，焚燒后生成合格的二氧化碳和水，排入大氣。其工藝流程框圖如圖2所示：
圖2 丙烯酸酯主要工藝流程框圖
控制系統總體設計方案
系統配置
丙烯酸酯裝置的WebField JX-300XP控制系統由五個操作站、一個工程師站、五個控制站和一個聯鎖特制操作臺組成。本裝置檢測點多，實際使用點數為1106點；自控程度高，控制回路共有140個，以常規控制為主，有部分分程控制、比例控制；安全聯鎖設計全面，特別是氧化單元的聯鎖控制尤其突出，并配置聯鎖操作臺。系統規模如表1所示，系統配置圖如圖3所示：
圖3 丙烯酸酯裝置WebField JX-300P控制系統配置圖
主要控制回路
丙烯酸酯生產過程中的控制主要包括分程控制和串級控制。分程控制主要是C430醇回收塔頂部壓力控制、鍋爐房高壓蒸汽總管壓力控制；串級控制主要是D236冷凝水罐出料流量和D236凝水罐液位控制、C220醋酸塔輕組分出料流量和D221塔頂受液槽液位控制、C220塔板溫差和C220塔回流流量控制、E234夾套蒸汽流量和D234緩沖罐溫度控制、E234底出料流量和E234薄膜蒸發器液位控制、C340塔頂出料流量和D341冷凝液回收槽液位控制、E311塔再沸器蒸汽流量和E311出口溫度控制、C310塔底出料流量和C310分餾塔釜液位控制、C310塔頂出料流量和D311冷凝液槽液位控制、E314塔再沸器蒸汽流量和E314底部溫度控制、E314第二再沸器出料量和E-314第二再沸器液位控制、E341塔再沸器蒸汽流量和C340塔釜溫度控制、C340塔頂出料流量和D341冷凝液回收槽液位控制、C350塔底出料流量和C350醇氣提塔釜液位控制。
全面的特殊設計
丙烯酸酯生產中最典型和最危險的事故是爆炸、中毒和火災事故。主要是因為原料和產品的易燃易爆、有毒特性會危及生產設備和人身安全，因此不僅在生產裝置和工藝操作上要考慮安全性的設計，而且在自動化設備選擇與控制方案設計時要考慮對意外事件的反應速度與有效解決方案，從而在硬軟件上保證生產過程的安全。在考慮一些常規的要求外，主要進行了一些特殊設計：
■ 控制系統與現場設備之間的模擬量采用安全柵進行隔離、輸出信號DO均采用繼電器進行隔離。
■ 緊急停車系統采用軟硬相結合方式，所有的聯鎖投切開關均采用輔助操作臺上的鑰匙開關，緊急停車按鈕和復位按鈕也通過操作臺實現，燈屏報警、閥門狀態指示和聯鎖觸發條件通過軟件來實現。
■ 在甲乙酯方案設計時，由于丙烯酸甲酯、乙酯的生產在同一套裝置中進行，平時只能生產一種產品，當生產另外一種產品時需進行切換，且對未進行生產的產品畫面進行屏蔽，防止操作人員誤操作。
■ 由于測點多，為方便操作人員快速查找所需點的趨勢，制作趨勢流程圖，并用快捷鍵標明每頁趨勢的測點。
■ 所有的串級回路均設有串級/單回路切換，當生產條件不滿足時，可切換至單回路進行調節。
緊急停車系統
丙烯酸酯項目在選擇ESD時，應將其適用性，用戶的意愿及投資等因素進行綜合考慮，如果ESD的功能實現與DCS系統分開實施則需要考慮二者之間的通訊方式；如果用戶要求ESD的功能在DCS系統上實施則重點考慮聯鎖功能，特別是考慮控制站之間的公用信號需要用站間數據交換功能、輔助操作臺的定制及緊急停車后聯鎖閥門的動作時間(安全時間內)。無論采取何種方式實現緊急停車系統ESD功能，都需要考慮分散控制系統DCS、緊急停車系統ESD與ESD輔助操作臺三者的有機統一。
本項目ESD采用輔助操作臺（如圖4所示），包括聯鎖投切鑰匙開關、緊急停車按鈕和繼電器復位按鈕，同時對相關工藝參數的異常狀態進行燈屏顯示及聲音報警，此外操作臺還設有甲乙酯切換開關、切換條件顯示。
圖4 緊急停車輔助操作臺
A燈屏：顯示丙烯/空氣壓差低、R-101觸媒層溫度高、K-101重故障、P-101泵停等38個報警。當某個參數超過設定值，在燈屏上的相應位置顯示紅色并且聲音報警。按下報警聲音消除按鈕，可進行消音。
B燈屏：顯示11個參與聯鎖閥門的狀態。閥門正常狀態時燈屏顯示綠色，閥門聯鎖狀態時燈屏顯示紅色。閥門狀態由現場閥門反饋，生產過程中可以清楚的反映重要閥門的運行情況。
C燈屏：顯示丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、風機停、催化焚燒溫度高、P-310泵切換指示、P-314泵切換指示、P-340泵切換指示、P-341泵切換指示8個狀態。
聯鎖鑰匙開關：所有的聯鎖投切開關都采用鑰匙開關，其中11個有“O”和“N”兩種狀態，“O”表示聯鎖切除，“N”表示聯鎖投入（XHV-1006鑰匙開關的“O”表示閥門全開，“N”表示聯鎖投入）。丙烯加料切斷閥和空氣/氮氣加料閥有“O”、“N”、“C”三種狀態，“O”表示閥門全開，“N”表示聯鎖投入，“C”表示閥門全關。
防爆曲線監控軟件
丙烯酸的原料為兩種氣體：丙烯和空氣，氣體混合后在催化劑的作用下進行劇烈的氧化化學反應，同時放出大量的熱量。要保證安全生產，必須要求保證丙烯和空氣適當的混合比例。如果混合比例超出允許的范圍，則會因為反應劇烈，造成不可控制而產生爆炸，這是非常危險的情況。為了有效監視該反應過程混合氣體的比例分配情況，并以直觀的形象表示出來，同時給出報警指示信息，以指導生產操作人員進行適當的操作，需要一套計算機爆炸監控曲線軟件，完成對生產操作區域和產效的監控。
防爆曲線軟件系統運行于windows2000+sp2系統之上。防爆曲線軟件有兩種運行方式，一個是模擬運算狀態，一個是實際計算狀態。模擬計算狀態可以模擬系統在模擬信號下計算的數值，并顯示出來。實際計算狀況可以根據從AdvanTrol-Pro V2.40自帶的OPC軟件與系統的通訊數據計算實際的系統負荷工況下的各值，系統可以從模擬計算狀態切換到實際計算狀態。
監控爆炸曲線系統的要求較高，該系統的輸入有丙烯流量、空氣流量、補加蒸汽流量、氮氣流量和與這些流量相關的溫度、壓力，以及物質的密度、空氣中相對濕度等。根據這些基本量來計算H2O和丙烯、空氣三者混合物的MOL百分比例。同時根據用戶提供的資料給出一個直觀的畫面。畫面包括一個坐標、一條曲線、一個點和一些計算數據。曲線與坐標軸包含的部分代表爆炸區域，曲線之間區域為報警區域，點為計算出的目前位置，若點在報警區域則給出報警，提示操作員給與適當的處理。在功能上，要求該系統具有信息報警、記錄軌跡、數據打印、曲線放大和計算公式切換功能。
本裝置包括了氧化、精制、甲乙酯、丁酯、公用工程5個工段，是目前丙烯酸酯項目中規模較大，工段較多的裝置。在系統的安裝調試過程中，充分發揮了WebField JX-300XP系統在軟硬件方面的優勢。系統目前運行穩定，效果良好，控制功能滿足工藝要求。