李學(xué)

（中石油東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院自控室，吉林吉林132002）

計(jì)算機(jī)輔助操作CAO（Computer Aided Operation）技術(shù)是美國SD（Scientific Design）公司應(yīng)用在環(huán)氧乙烷（EO）裝置上的專利技術(shù)。使用CAO技術(shù)可以完成對(duì)反應(yīng)器指標(biāo)參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示。其具備主要進(jìn)料回路（氧氣回路和乙烯回路）的自動(dòng)控制、重要工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)分析等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的優(yōu)化操作和先進(jìn)控制［1］。

1 CAO技術(shù)的主要原理

氧氣和乙烯是生成EO的兩種主要原料。在反應(yīng)過程中，混合氣體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)越高，反應(yīng)效率就越高，即EO成品的產(chǎn)率越高。但是混合氣體中的氧氣體積分?jǐn)?shù)有一個(gè)爆炸極限，如超出了該極限值，就會(huì)給裝置的安全生產(chǎn)帶來危害［2］。因此，如何在保證安全生產(chǎn)的前提下盡量提高氧氣的體積分?jǐn)?shù)，從而提高裝置的生產(chǎn)效率，是EO裝置生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵問題［3］。

CAO技術(shù)正是以該關(guān)鍵問題為核心，用氧氣的爆炸極限值減去一個(gè)安全空間值，得到最理想的氧氣體積分?jǐn)?shù)，然后依靠質(zhì)譜儀采集到的氧氣體積分?jǐn)?shù)信號(hào)，通過氧分析儀進(jìn)行修正，計(jì)算出目前氧氣的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)值，最終確定氧氣進(jìn)料回路的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)氧氣進(jìn)料量的自動(dòng)閉環(huán)控制［4］。這樣既保證了裝置的安全性，又提高了生產(chǎn)效率，降低了原料的消耗，提高了成品的產(chǎn)率。CAO技術(shù)控制流程如圖1所示。

2 CAO技術(shù)的組成

2.1 質(zhì)譜儀采樣及計(jì)算

控制混合氣體中的氧氣體積分?jǐn)?shù)，首先需要測(cè)量氧氣的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)。在CAO技術(shù)方案中，單個(gè)反應(yīng)器的采樣點(diǎn)有3個(gè)，質(zhì)譜儀的采樣點(diǎn)分別位于反應(yīng)器入口、反應(yīng)器出口和循環(huán)氣壓縮機(jī)出口，每個(gè)采樣周期為90s。這一時(shí)間平均分配給每個(gè)流路，用于流路的切換、吹掃、數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算［5］：247－255。質(zhì)譜儀共分析9種組分氣體的體積分?jǐn)?shù)，見表1所列。

圖1 CAO技術(shù)控制流程

表1 需分析組分氣體的體積分?jǐn)?shù) %

CAO技術(shù)程序?qū)γ總€(gè)流路中的每個(gè)組分信號(hào)的范圍進(jìn)行檢查，以確認(rèn)它是否為一個(gè)可信任的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)做平均值和歸一化計(jì)算，并顯示到流程圖上供操作人員查看。

CAO技術(shù)程序?qū)|(zhì)譜儀的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)故障立刻停止采樣和計(jì)算工作，把相應(yīng)的故障位置的顯示數(shù)據(jù)置為高亮狀態(tài)，并將閉環(huán)控制回路切出來，同時(shí)報(bào)警并提示操作人員［6］。

如圖1所示，EO裝置通常設(shè)置1個(gè)反應(yīng)器。質(zhì)譜儀設(shè)有3個(gè)流路，每個(gè)流路的采樣時(shí)間為30s。正在工作的流路被點(diǎn)亮，在液晶屏ACTUAL處實(shí)時(shí)顯示質(zhì)譜儀的采樣數(shù)據(jù)，在流路處顯示經(jīng)過計(jì)算后的組分體積分?jǐn)?shù)。

在反應(yīng)器的入口和出口，還分別安裝了氧分析儀和紅外分析儀，用于測(cè)量氧氣和乙烯的體積分?jǐn)?shù)。如果氧分析儀和紅外分析儀測(cè)量的體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)譜儀測(cè)量的體積分?jǐn)?shù)之間的偏差大于某值時(shí)，程序?qū)⑻幱诠收衔恢?，并提示操作人員注意［7］。

經(jīng)計(jì)算，氧氣最大允許體積分?jǐn)?shù)為8.142%，氧氣平均體積分?jǐn)?shù)為7.874%。

2.2 反應(yīng)性能參數(shù)計(jì)算

為了讓操作人員及時(shí)了解當(dāng)前的工藝生產(chǎn)狀況，需要對(duì)能夠代表反應(yīng)性能的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并顯示在流程圖上。這些參數(shù)包括干態(tài)選擇性、濕態(tài)選擇性、反應(yīng)器產(chǎn)量、原料消耗率。

選擇性又稱反應(yīng)專一性。一個(gè)化學(xué)反應(yīng)若同時(shí)生成多種產(chǎn)物，其中某一種產(chǎn)物是最希望獲得的，則該產(chǎn)物產(chǎn)率的大小代表了反應(yīng)選擇性的高低。反應(yīng)選擇性是評(píng)價(jià)反應(yīng)效率高低的重要標(biāo)志。干態(tài)選擇性與濕態(tài)選擇性的區(qū)別在于是否考慮了水蒸氣對(duì)選擇性的影響。

操作人員通過實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)選擇性參數(shù)，可及時(shí)了解當(dāng)前的工藝生產(chǎn)狀況是否處于最佳狀態(tài)，并及時(shí)作出調(diào)整。

2.3 閉環(huán)控制

氧氣進(jìn)料回路和乙烯進(jìn)料回路是2個(gè)最重要的控制回路，也是影響反應(yīng)性能的關(guān)鍵回路。在CAO技術(shù)方案中，這2個(gè)回路可投閉環(huán)控制，即進(jìn)料量的設(shè)定值通過CAO技術(shù)程序計(jì)算，不需要人為干預(yù)，擺脫了人工控制的隨意性并消除可能出現(xiàn)的失誤，提高了生產(chǎn)效率和安全性［8］。

閉環(huán)控制回路由操作人員根據(jù)工藝生產(chǎn)狀況來決定是否投用。投用時(shí)，程序會(huì)檢查與閉環(huán)控制相關(guān)的條件是否被滿足，即便有一個(gè)條件未被滿足，閉環(huán)控制也無法投用。閉環(huán)控制投用之后，程序仍然會(huì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)條件，一旦有條件不滿足，閉環(huán)控制立刻自動(dòng)切出，改為手動(dòng)控制，并通過發(fā)送信息的方式通知操作人員［9－10］。

3 效 益

3.1 提高乙烯的效率

氧氣和乙烯是生產(chǎn)EO的兩種主要原料，使氧氣體積分?jǐn)?shù)盡可能接近允許的極限值，可以提高反應(yīng)的選擇性。如果采用手動(dòng)操作，一般可以將氧氣體積分?jǐn)?shù)的偏差維持在±0.20%。為了不超出氧氣的最大允許體積分?jǐn)?shù)8.0%，則氧氣的平均體積分?jǐn)?shù)為7.80%。如果采用CAO技術(shù)，可以將氧氣體積分?jǐn)?shù)的偏差維持在±0.05%，則氧氣的平均體積分?jǐn)?shù)為7.95%，使得反應(yīng)器的選擇性提高了約0.20%～0.25%，那么每年乙烯的消耗量約減少200t。如果乙烯的成本以4 000元／t計(jì)，則每年可節(jié)省80萬元人民幣。

3.2 延長裝置在線時(shí)間

反應(yīng)器監(jiān)視程序可在聯(lián)鎖跳車之前就檢測(cè)到工藝過程的不良狀態(tài)。通常情況下，每年平均有6天為非正常停車時(shí)間。運(yùn)行反應(yīng)器監(jiān)視程序至少可以減少1天的停車時(shí)間，使裝置增加1天的產(chǎn)量（480t）。如果效益以3 000元／t計(jì)，則每年可增加效益144萬元人民幣。反應(yīng)器監(jiān)視程序定時(shí)（2min／次）向操作人員提供關(guān)鍵反應(yīng)參數(shù)，使操作人員在發(fā)生問題之前就可以采取措施。如果實(shí)施閉環(huán)控制，這些措施還可以由DCS自動(dòng)完成，無需操作人員的干預(yù)。

3.3 增強(qiáng)裝置安全性

EO裝置設(shè)有1套獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS），用于保證EO裝置的安全運(yùn)行。但是裝置的非正常停車和開車增加了不安全性，并且開停車的過程會(huì)浪費(fèi)大量原料，也會(huì)影響裝置的效益。反應(yīng)器監(jiān)視程序可以檢查關(guān)鍵工藝參數(shù)，對(duì)其變化作出快速響應(yīng)，使裝置在進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)之前就能采取措施，進(jìn)而增強(qiáng)了裝置的安全性［5］376－390。

4 結(jié)束語

CAO技術(shù)是EO裝置開車、安全運(yùn)行和優(yōu)化操作的必要保證，它在EO裝置中的成功應(yīng)用為企業(yè)帶來了直接經(jīng)濟(jì)效益。因此，CAO技術(shù)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。

［1］ 張志檀.先進(jìn)過程控制技術(shù)漫談［J］.自動(dòng)化博覽，2009（S1）：40－44.

［2］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：165－179.

［3］ 俞金壽.工業(yè)過程先進(jìn)控制［M］.北京：中國石油出版社，2002：408－441.

［4］ 王樹青.先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：247－255.

［5］ 王樹青，樂嘉謙.自動(dòng)化與儀表工程師手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：247－255.

［6］ 何克中，李偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998：56－68.

［7］ 何衍慶.集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：215－232.

［8］ 蔣慰孫，俞金壽.工程控制工程［M］.2版.北京：中國石化出版社，1999：55－62.

［9］ 王樹青，戴連奎.自動(dòng)控制原理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001：101－106.

［10］ 田濤.過程計(jì)算機(jī)控制及先進(jìn)控制策略的實(shí)現(xiàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：189－193.