概述 煤炭在國民經(jīng)濟和人民生活中有著重要的地位，煤炭加工可以分為兩個階段：高溫煉焦和化學品回收。煤炭經(jīng)過加工形成的產(chǎn)品已經(jīng)達到數(shù)百種。 高溫煉焦的主要產(chǎn)品是焦炭。焦炭主要用于高爐冶煉、鑄造、有色金屬加工、制造水煤氣和制造電石等。 化學品回收的產(chǎn)品有：焦油、氨、萘、粗苯、硫化氫、氰化氫和凈焦爐煤氣等。其中的煤焦油和粗苯經(jīng)過精制和深度加工后可以制取苯、甲苯、二甲苯、二硫化碳、三甲苯、古馬隆、酚、萘、蒽、呲啶鹽等，這些產(chǎn)品廣泛應用于化學工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、耐火材料和國防工業(yè)等。凈焦爐煤氣主要用于民用和工業(yè)原料。 采用先進控制技術提升煤化工行業(yè)的自動化水平，這對于提高煤炭加工的效率，緩解煤炭加工與環(huán)境保護之間的矛盾，促進煤炭加工業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展有著現(xiàn)實和深遠的意義。 浙江威盛DCS在煤化工生產(chǎn)過程控制方面具有許多特點： ● 集氣管壓力等生產(chǎn)工藝的優(yōu)化控制。 ● 各單元工藝參數(shù)的集中監(jiān)控。 ● 可靠的安全聯(lián)鎖和參數(shù)越限報警。 ● 方便地查閱實時趨勢和歷史趨勢曲線。 ● 與企業(yè)管理網(wǎng)相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。 典型的焦化廠一般有備煤車間、煉焦車間、回收車間、焦油加工車間、苯加工車間、脫硫車間和廢水處理車間等。 工藝描述 原煤一般含有較高的灰分和硫分，洗選加工的目的是降低煤的灰分，使混雜在煤中的矸石、煤矸共生的夾矸煤與煤炭按照其相對密度、外形及物理性狀方面的差異加以分離，同時，降低原煤中的無機硫含量，以滿足不同用戶對煤炭質(zhì)量的指標要求。 由于洗煤廠動力設備繁多，控制過程復雜，用分散型控制系統(tǒng)DCS改造傳統(tǒng)洗煤工藝，這對于提高洗煤過程的自動化，減輕工人的勞動強度，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量以及安全生產(chǎn)都具有重要意義。 控制方案 聯(lián)鎖/解鎖方案：在運行解鎖狀態(tài)下，允許對每臺設備進行單獨啟動或停止；當設置為聯(lián)鎖狀態(tài)時，按下啟動按紐，設備順序啟動，后一設備的啟動以前一設備的啟動為條件（設備間的延時啟動時間可設置），如果前一設備未啟動成功，后一設備不能啟動，按停止鍵，則設備順序停止，在運行過程中，如果其中一臺設備故障停止，例如設備2停止，則系統(tǒng)會把設備3和設備4停止，但設備1保持運行。 工藝描述 以100萬噸/年-144孔-雙爐-4集氣管-1個大回流煉焦裝置為例。 控制方案 典型的煉焦過程可分為焦爐和冷鼓兩個工段。這兩個工段既有分工又相互聯(lián)系，兩者在地理位置上也距離較遠，為了避免儀表的長距離走線，設置一個冷鼓遠程站及給水遠程站，以使儀表線能現(xiàn)場就近進入DCS控制柜，更重要的是，在集氣管壓力調(diào)節(jié)中，兩個站之間有著重要的聯(lián)鎖及其排隊關系，這樣的網(wǎng)絡結構形式便于可以實現(xiàn)復雜的控制算法。 集氣管“4+1”優(yōu)化控制方案 圖中P1至P4是集氣壓力值，是本系統(tǒng)控制之重點，P是集氣管壓力之平均值，它反映了集氣管的一般工作狀態(tài)，在“4+1”控制中（“4”代表四個集氣管，“1”代表選擇大回流調(diào)節(jié)閥RB還是液力偶合器EF控制，兩者必選其一），時間分配器根據(jù)集氣管壓力的變化：偏差和偏差變化率，根據(jù)液偶調(diào)速慢的特點，適當?shù)胤峙浯蠡亓髋c液偶的調(diào)節(jié)量。集氣管壓力變化的特點是：瞬態(tài)變化大，調(diào)節(jié)時互相產(chǎn)生耦合，本控制算法設計有一個解耦算法，可減少或消除耦合，以保證各個單回路系統(tǒng)能獨立地工作，該控制算法采用經(jīng)典控制理論與離散控制理論相結合的優(yōu)化控制方法，取得了良好的控制效果。 聯(lián)鎖方案 報警、聯(lián)鎖和停車系統(tǒng)是為提高工藝生產(chǎn)裝置的安全性而設置的特殊程序，本控制系統(tǒng)將聯(lián)鎖控制分為三個部分：冷鼓工段聯(lián)鎖控制、鼓風機聯(lián)鎖控制、鼓風機油泵聯(lián)鎖控制。 控制效果分析 影響集氣管壓力的因素是多樣的，諸如裝煤、平煤、推焦和交換機換向等，當這些因素暫時不存在時，焦爐工藝系統(tǒng)較為穩(wěn)定。當工藝系統(tǒng)處于裝煤、平煤、推煤或換向機換向等情況中的一種或幾種時，系統(tǒng)會出現(xiàn)波動期，控制曲線呈現(xiàn)脈沖狀，這是因為控制系統(tǒng)在迅速響應，將其壓力往給定值方向上調(diào)整，經(jīng)過數(shù)次調(diào)節(jié)，系統(tǒng)再次進入穩(wěn)定期，周而復始。 從控制效果圖中可以看到，帶變頻的控制效果要優(yōu)于帶大回流調(diào)節(jié)閥的情況，原因是顯而易見的，在變頻器控制下的電機調(diào)節(jié)動態(tài)性能要好于調(diào)節(jié)閥，然而，最新設計的百萬噸級的冷鼓系統(tǒng)都采用了通過液力偶合器進行調(diào)速的鼓風機，其調(diào)速性能則慢得多，而且工藝上并不允許對此進行頻繁調(diào)節(jié)，因此，采用大回流調(diào)節(jié)閥參與集氣管壓力調(diào)節(jié)則是目前的一種合理選擇。在目前這兩種控制結構下，其穩(wěn)定期的控制偏差范圍是±20Pa；波動期的偏差控制范圍是±50Pa，但時間持續(xù)較短，完全可以滿足工藝上的要求。 工藝概述： 回收主要包括硫銨、脫硫及硫回收、洗苯脫苯工段。 硫銨的工藝流程是將剩余氨水通過預熱、分離，反應生成液體硫銨，硫銨液經(jīng)結晶、干燥后包裝。 脫硫及硫回收的工藝流程是脫硫液和溶液在脫硫塔中進行反應將硫分離出來，然后溶液進入再生塔再生。 洗苯脫苯的工藝流程是貧富油經(jīng)洗苯塔清洗后進入脫苯塔，利用溫度的不同產(chǎn)生輕苯油水和重苯油水，經(jīng)油水分離器進行分離。 控制方案 硫銨工段主要有兩個控制回路：進沸騰干燥器溫度調(diào)節(jié)和蒸氨塔頂汽溫度調(diào)節(jié)，通過檢測進沸騰干燥器的溫度和蒸氨塔頂汽溫度和給定值進行比較后調(diào)節(jié)其進入的蒸汽流量來實現(xiàn)：采用常規(guī)的PID控制即可。 脫硫及硫回收工段主要有三個控制回路：進脫硫塔B溶液流量調(diào)節(jié)、進再生塔溶液流量調(diào)節(jié)和進再生塔B空氣流量調(diào)節(jié)，采用常規(guī)的PID控制。 洗苯脫苯工段主要有兩個控制回路和一個聯(lián)鎖控制：出管式爐富油溫度調(diào)節(jié)和脫苯塔出口油汽溫度調(diào)節(jié)。 聯(lián)鎖控制是當入管式加熱爐的煤氣壓力小于2.0kPa的時候，切斷入管式爐的煤氣，等到其煤氣壓力高于2.0kPa的時候，再打開入管式爐的煤氣。 這里采用內(nèi)環(huán)為出管式爐過熱蒸氣流量的串級調(diào)節(jié)，以減少蒸汽壓力波動的干擾。 脫苯塔出口油氣溫度調(diào)節(jié)采用內(nèi)環(huán)為出管式爐過熱蒸氣流量的串級調(diào)節(jié)，以減少蒸汽壓力波動的干擾。 另外實際生產(chǎn)過程中，蒸汽壓力會有可能大于脫苯塔可承受的最大壓力，為保護塔體，在串級調(diào)節(jié)中增加一個切換，當塔內(nèi)壓力大于某一值的時候，改為以塔壓作為調(diào)節(jié)對象。 工藝概述 蒸氨工段主要完成對來自于煉焦配合煤中的剩余氨水進行蒸餾的過程。 控制方案 XC：為選擇控制，用于控制蒸氨塔溫度壓力，其選擇變量是蒸氨塔塔頂溫度T和蒸汽壓力P，在合適的壓力范圍內(nèi)，以溫度調(diào)節(jié)為主，否則就切換到壓力調(diào)節(jié)上，以確保塔的安全。 PC1和PC2：為分程調(diào)節(jié)，其判定變量為蒸氨塔頂部逸出的混合氣體的壓力，在壓力區(qū)間P1（低）的情況下，混合氣體被送往氨分解爐，在壓力區(qū)間P2（高）的情況下，混合氣體則直接用于尾氣吸收。 FC1和FC2，空氣流量與煤氣流量的比值控制，在氨分解爐中，為了使氨分解過程正常進行，要保持空氣流量和煤氣流量的合適比值，以保證燃燒過程的經(jīng)濟性和安全性。 工藝概述 粗苯是由多種有機物組成的復雜混合物，主要成分是苯及其同系物甲苯、二甲苯及三甲苯等。粗苯精制過程就是通過化學的方法將粗苯中的不飽和化合物、硫化物等除去，然后用蒸餾方法將苯類產(chǎn)品分離出來的過程。 在連續(xù)式粗苯精制過程中，比較常見的工藝是五塔蒸餾方式。 控制方案 在粗苯精制過程中，主要是要解決各種塔的操作問題，這些塔的共同點是為了進行物質(zhì)分離，其分離的原理是：根據(jù)混合液中各種組分的相對揮發(fā)度不同，使液相中的輕組分上升，重組分下降，從而達到分離物質(zhì)的作用。 塔釜溫度控制是采用加熱蒸汽流量與塔釜溫度進行串級控制來實現(xiàn)的，影響塔釜溫度的主要因素是物料進入再沸器后帶走的熱量，而再沸器的熱量是由進入塔釜的蒸汽所提供的，因此，塔釜的溫度可以通過調(diào)節(jié)進入再沸器的蒸汽流量來控制的，同時引入進料流量進行前饋控制，以此來實現(xiàn)對塔釜的溫度控制，由于蒸汽的加入量對塔的其他參數(shù)如塔壓影響很大，為了保證塔的安全，這里增加一個條件判斷，當塔壓在安全范圍內(nèi)用蒸汽流量和溫度串級控制，當塔壓過高時采用塔壓控制的方法，使塔壓降下來，以保證塔設備的安全。 影響塔頂溫度的因素有許多，例如物料的回流量、再沸器的加熱蒸汽量、冷凝器的冷卻水量等，其中影響最大，作用最強的是物料回流量，所以通過回流量可以控制塔頂?shù)臏囟龋捎谒倪M料量和其組成是主要干擾因素，由于5個塔是前后串聯(lián)的，前一個塔的出料是后一個塔的進料，前后關聯(lián)，進料量是不可控的，因此在這里引入前饋。 工藝概述 焦油是煤在干餾和氣化過程中獲得的液體產(chǎn)物，它是一種具有刺激臭味的黑色或黑褐色的粘稠狀液體。到目前為止，煤焦油仍然是很多稠環(huán)化合物和含氧、氮和硫的雜環(huán)化合物的唯一來源。煤焦油產(chǎn)品已經(jīng)在化工、醫(yī)藥、染料、農(nóng)藥和炭素等行業(yè)中得到廣泛應用。 目前采用較多并且比較成熟的焦油蒸餾工藝是：單塔式焦油管式爐蒸餾工藝。 控制方案 典型控制環(huán)節(jié)： FT1：入管式爐原料焦油流量控制。 TT： 管式爐焦油出口溫度控制：這是蒸餾過程中最重要的控制環(huán)節(jié)。采用串級控制，T2為爐膛溫度，作為串級控制的內(nèi)環(huán)，它反應了爐膛溫度的快速變化，T1為管式爐出口溫度，作為內(nèi)環(huán)，變化較慢，產(chǎn)生精調(diào)作用，理想情況下控制誤差僅在1至2℃范圍內(nèi)，完全可以滿足工藝控制要求。 TT3：二段蒸發(fā)器塔頂溫度調(diào)節(jié)，控制塔頂組分，單回路。 TT4：餾分塔頂溫度調(diào)節(jié)，控制塔頂組分，單回路。 LT1：一段蒸發(fā)器塔底液位調(diào)節(jié)，控制塔底液位,由于物料在工藝管線中行走較長,控制上滯后較大,但可以控制在合適的范圍之內(nèi)，單回路。 LT2：餾分塔低底液位調(diào)節(jié),控制塔底液位,在自動狀態(tài)下應設置液位控制下限,不能全關,防止調(diào)節(jié)閥堵死，單回路。 FT2：三混油流量控制，單回路。 工業(yè)萘 萘是有機化學工業(yè)的重要原料，萘主要存在于煤焦油中，以焦油加工切取的含萘寬餾分再進行精餾就可獲得含萘95%的工業(yè)萘。 典型控制環(huán)節(jié)： TRB，TRR：進工業(yè)萘初餾管式爐和精餾管式爐煤氣流量調(diào)節(jié)，目的是控制管式爐物料出口溫度，同時也穩(wěn)定了塔底溫度，該環(huán)節(jié)采用串級控制，爐膛溫度為內(nèi)環(huán)，物料出口溫度為外環(huán)。 TU1，TU2：分別為初餾塔頂溫度調(diào)節(jié)和精餾塔頂溫度調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)塔頂回流量來調(diào)節(jié)頂部溫度，合適的塔頂和塔底溫度有利于塔內(nèi)傳質(zhì)和傳熱過程的順利進行。 LR1，LR2：分別為初餾塔低液位調(diào)節(jié)和精餾塔底液位調(diào)節(jié)，通過合適的液位調(diào)節(jié)，防止塔底液位過高而淹塔或液位過低中斷蒸餾過程的進行。 控制效果分析 焦油加工過程中的核心控制是管式爐出口溫度控制，經(jīng)我DCS調(diào)節(jié)該出口物料溫度的偏差可控制在±1至2℃左右，完全滿足生產(chǎn)工藝的要求，從趨勢圖中可以看出，其它相關工藝也運行平穩(wěn)。 工藝概述 焦油瀝青在常溫下是黑色固體，按其軟化點的高低可分為低溫、中溫和高溫瀝青三種，由于中溫瀝青軟化點低，β樹脂含量低，用其做黏結劑制取的各類電極質(zhì)量較差，不能滿足日益發(fā)展的電爐煉鋼、制鋁工業(yè)及炭素工業(yè)的需求，而中溫瀝青通過改質(zhì)可以獲得軟化點高和β樹脂含量高的優(yōu)質(zhì)瀝青制品。 控制方案 由焦油工段來的中溫瀝青用輸送泵打入反應釜，其中的瀝青被加熱到390至400℃，并由釜中的攪拌機進行攪拌，在釜內(nèi)發(fā)生聚合反應，反應時間控制在規(guī)定的時間內(nèi)，然后瀝青被吸入閃蒸塔內(nèi)，調(diào)節(jié)蒸氣噴射泵，保持閃蒸塔內(nèi)合適的負壓（負壓不同，軟化點也不同），塔頂閃蒸出改質(zhì)瀝青中的油份，當需要降低軟化點時，可以向閃蒸塔內(nèi)噴入閃蒸油，這就形成了圖中的反饋支路。塔底為改質(zhì)瀝青，經(jīng)冷卻后打入瀝青高置槽形成改質(zhì)瀝青產(chǎn)品。 典型控制環(huán)節(jié)： TT1：反應釜溫度調(diào)節(jié)，這是一個釜內(nèi)溫度與爐膛溫度形成的串級控制，爐膛溫度為副回路，釜溫為主回路，由于該過程是一個聚合反應，所以溫度要嚴格控制。 TT2：閃蒸塔頂溫度調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)回流量來控制塔頂溫度，最終控制閃蒸點及改質(zhì)瀝青的軟化點。