MTBE裝置DCS控制系統(tǒng)解決方案
MTBE plant DCS control system solutions
劉永志
北京遠東儀表有限公司（北京，100013）
摘要：本文介紹了HPCS3000在MTBE裝置生產(chǎn)中的應用，分別對其應用的DCS硬件、軟件和網(wǎng)絡特點、關(guān)鍵控制進行分析。
關(guān)鍵詞：HPCS3000、MTBE裝置控制、比值調(diào)節(jié)
Abstract: this paper introduces the MTBE plant DCS control system solutions, respectively, on the application of DCS hardware, software and network characteristics, key control to carry on the analysis.
Key words: HPCS3000, MTBE device control, ratio regulation.
一、 MTBE概述
隨著高性能汽油發(fā)動機的發(fā)展，給煉油廠提出了生產(chǎn)高辛烷值汽油的任務。要提高汽油辛烷值，一是要設法提高基礎組分汽油的辛烷值，二是要調(diào)入適量的高辛烷值組分。高辛烷值組分主要有烷基化油、疊合油、異構(gòu)化油以及甲基叔丁基醚（簡稱MTBE）等。MTBE它的沸點是55度，相對密度是0.746，分子量為88，性質(zhì)與汽油相近，與烴類完全互溶，對汽油的理化性質(zhì)沒有不良影響，其本身的辛烷值很高，具有良好的抗爆性。甲基叔丁基醚的性質(zhì)和用途。
甲基叔丁基醚（MTBE），結(jié)構(gòu)式CH3-O-C (CH3）3.。是一種無色、透明、易揮發(fā)液體。有毒。分子量 88.1。馬達法辛烷值101，研究法辛烷值117。常壓下沸點為55.2℃，25℃時的密度為735.5kg/m3。微溶于水，水中溶解度6.9%（V/V）。醚能溶解于強酸中；醚和空氣接觸生成過氧化物分解后發(fā)生強烈爆炸，空氣中濃度達1.6～8.4%發(fā)生爆炸。
二、 工藝介紹
甲基叔丁基醚（簡稱MTBE）是在酸性催化劑的作用下，由甲醇與C4餾分中的異丁烯進行合成反應而得到的，這一反應為可逆放熱反應，反應溫度越低，平衡常數(shù)越大，轉(zhuǎn)化率越高；該反應在液相條件下完成，速度非常快。
本項目屬于兩段深化轉(zhuǎn)化工藝流程（THC），流程是原料（C4餾分）與甲醇混合進入一段反應器，反應產(chǎn)物進入共沸分餾塔。從塔底出來的MTBE作為產(chǎn)品送出裝置，塔頂出來的甲醇和C4餾分共沸物補充甲醇后進入二段反應器繼續(xù)進行反應。二段反應生成物進入C4分餾塔，C4餾分和甲醇共沸物從塔頂排出，進入甲醇水抽提塔；塔底出來的二段反應生成物（MTBE+甲醇）可與共沸分餾塔底出來的MTBE一起送出裝置，也可返回一段反應器再次進行反應。C4餾分、甲醇混合物在甲醇水抽提塔內(nèi)得到分離，C4餾分送出裝置；甲醇水溶液進入甲醇回收塔。分離出來的甲醇打回反應器循環(huán)使用。
三、 操作條件
影響反應轉(zhuǎn)化率及選擇性的因素要有反應溫度及甲醇與異丁烯的摩爾比。
1．反應溫度：在一定的異丁烯濃度和醇烯比下，反應溫度的高低不僅影響異丁烯的轉(zhuǎn)化率，而且也影響生成MTBE的選擇性、催化劑的壽命和反應速率。在低溫時反應速度慢，反應轉(zhuǎn)化率由動力學控制，隨著反應溫度的增加，平衡轉(zhuǎn)化率下降，反應速度增加，達到平衡所需時間縮短，因此在高溫時，反應轉(zhuǎn)化率受熱力學控制。為了增加平衡轉(zhuǎn)化率，延長催化劑的壽命，減少副反應，提高選擇性，應當采用較低的反應溫度。適宜溫度為50～80℃。提高反應溫度，雖可提高反應速度，但二甲醚的生成量也隨反應溫度的提高而增加。而且反應溫度超過140℃時，催化劑將被燒壞。根據(jù)放熱反應的特點，反應溫度低時異丁烯轉(zhuǎn)化率較高。因此當裝置設有兩臺反應器時，常使一臺在較高溫度下操作，以提高反應速度，另一臺在較低溫度下操作，以保證所要求達到的高轉(zhuǎn)化率。
2． 醇烯比：甲醇與異丁烯的摩爾比增大，可減少異丁烯二聚物和三聚物的生成，所以選擇性增加。另外甲醇與異丁烯的摩爾比上升，異丁烯的平衡轉(zhuǎn)化率也增加，故提高甲醇與異丁烯的摩爾比是有益的。但是，高的甲醇與異丁烯的摩爾比，將使反應生成物的甲醇濃度增加，從而提高了分離、回收系統(tǒng)的操作費用。因此，綜合考慮，甲醇與異丁烯之比取1.1 ～l.2 ：1 較適宜。
3．反應壓力：反應壓力必須保持物料在液相反應，一般為0.8～1.4MPa。
4．原料純度：強酸陽離子交換樹脂催化劑中的H＋會被金屬離子所置換而使催化劑失活，因此要求進入反應器的原料中金屬陽離子的含量小于1mg/kg；如原料中有堿性物質(zhì)也會中和催化劑的磺酸根，所以這類雜質(zhì)也要脫除；C4餾分中水含量必須限制，一般為300～500mg/kg。因為水與異丁烯發(fā)生副反應生成民丁醇。
原料C4餾分中異丁烯含量的多少，因來源不同差別很大。催化裂化的C4餾分中異丁烯含量含量較低，適宜作煉油型的，下游產(chǎn)品可作烷基化原料；而裂解C4餾分經(jīng)過抽提丁二烯后的萃取剩余C4餾分，異丁烯含量高達40%～60%，可作為化工型的，即轉(zhuǎn)化率＞99.5%，才能滿足下游生產(chǎn)1－丁烯的需要。
四、 系統(tǒng)控制實現(xiàn)方案
基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化環(huán)保工程的思想，著眼于企業(yè)“管控一體化”信息系統(tǒng)的建設，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監(jiān)視和計算機調(diào)度管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設備的監(jiān)測與自動控制，實現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，總站少人值班”的目標。我們用HPCS3000系統(tǒng)對工程進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)視、控制回路的控制，完美的實現(xiàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化監(jiān)控。另外，在設計的時候，在確保先進、可靠、開放、安全的前提下，始終堅持控制成本的原則。
a) 運用國際先進技術(shù)和當今高科技成果，建設高可靠性、高效率、高度自動化的控制系統(tǒng)。
b) 檢測儀表配置滿足工藝流程檢測要求、工藝設備控制要求和安全生產(chǎn)要求。
c) 儀表選型立足于可靠性、先進性，并確保工藝的精度要求和實時要求，以及維護方便，運行穩(wěn)定。
d) 自控系統(tǒng)對MTBE生產(chǎn)過程以分散控制為主，集中調(diào)度，達到國際先進水平。
e) 自控系統(tǒng)的軟硬件的配置符合國家和國際上有關(guān)標準，確保產(chǎn)品的可靠性、開放性，以滿足產(chǎn)品的擴展的需要。
f) 成套設備的控制系統(tǒng)利用廠商提供的專用控制設備，并通過通信口實現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。通訊網(wǎng)絡采用開放性的符合國際標準的通訊協(xié)議及規(guī)約，便于系統(tǒng)的擴展及升級。
1 系統(tǒng)硬件配制
1) 整套HPCS3000系統(tǒng)配置3個操作員站、其中1個兼工程師站、1對冗余現(xiàn)場控制站及I/O 模塊。 其中網(wǎng)絡，電源和重要I/O模塊冗余配置。
2) 工程師站（由操作員站兼任）完成組態(tài)修改及下裝，包括：數(shù)據(jù)庫、圖形、控制算法、報表的組態(tài)，參數(shù)配置，操作員站、現(xiàn)場控制站及過程I/O模塊的配置組態(tài)，數(shù)據(jù)下裝等。
3) 操作員站進行生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)視和管理，包括：工藝流程圖顯示，報表打印，控制操作，歷史趨勢顯示，報警管理等。
4) 現(xiàn)場控制站又稱I/O站，是系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過程控制的重要站點，主要完成數(shù)據(jù)采集、工程單位變換、控制和聯(lián)鎖算法、控制輸出、通過系統(tǒng)網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送至上位機等功能。
5) 現(xiàn)場控制站由DPU、智能I/O單元、電源單元和專用機柜四部分組成，在DPU和智能I/O單元上，分別固化了實時控制軟件和I/O單元運行軟件。
6) 現(xiàn)場控制站內(nèi)部采用了分布式的結(jié)構(gòu)，與系統(tǒng)網(wǎng)絡相連接的是現(xiàn)場控制站的DPU，冗余配置。DPU通過控制網(wǎng)絡與各個智能IO單元實現(xiàn)連接。
7) 系統(tǒng)采用I/O模塊DPU組成現(xiàn)成控制站，采用MODBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)成先進的、可靠的DCS分布式控制系統(tǒng)。I/O模塊和底座組成現(xiàn)場模塊單元，。現(xiàn)場控制站主要由I/O模塊、機箱、電源切換箱組成。
8) 系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)架：系統(tǒng)的網(wǎng)絡由上到下分為、控制網(wǎng)和系統(tǒng)網(wǎng)兩個層次，控制網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I/O模塊的通訊；系統(tǒng)網(wǎng)實現(xiàn)工程師站、操作員站，現(xiàn)場控制站之間的與互連。
9) 系統(tǒng)網(wǎng)絡采用可靠性高的雙冗余結(jié)構(gòu)，應用時可以保證在任何一條網(wǎng)絡失效的情況下都不影響系統(tǒng)通信。
10) 系統(tǒng)網(wǎng)絡由100M工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成，用于工程師站、操作站與現(xiàn)場控制站的連接，完成現(xiàn)場控制站、通訊控制站的數(shù)據(jù)下裝，上位機與現(xiàn)場控制站、通訊控制站之間的實時數(shù)據(jù)通訊。
11) 控制網(wǎng)絡由MODBUS 總線構(gòu)成，用來實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I/O模塊的通訊，完成實時輸入、輸出數(shù)據(jù)的傳送。Modbus是專門為自動控制系統(tǒng)與在設備級分散I/O之間進行通訊而設計的。既可滿足高速傳輸，又有簡單實用、經(jīng)濟性強等特點。
2 工藝及控制要求：
MTBE生產(chǎn)工藝：異丁烯與甲醇在加壓后混合，進入反應塔后先反應，再分餾（在同一塔體內(nèi)完成）生成甲基叔丁基醚（一種汽油添加劑，用以提高汽油標號），簡稱為MTBE。
3萬噸／年MTBE裝置中包含22個PID控制回路，其中3個串級控制回路，一個比值控制回路；
串級回路1：以回收塔底部TI2238為外環(huán)，E210蒸汽流量FIC2212 為內(nèi)環(huán)；
串級回路2：以C4原料罐物位LICA2201為外環(huán)，C4自罐區(qū)來流量FIC2201為內(nèi)環(huán)。串級回路3：回收塔液位LICA2208為外環(huán)，萃取水流量FIC2210為內(nèi)環(huán)。
C4丁烯物料流量FT－2203與甲醇流量FT－2204實施摩爾量的比值控制，其中甲醇流量比值略高于C4丁烯物料，比值可修改。FT－2203、FT－2204均為質(zhì)量流量計，其控制框圖如下：
F1mol=F／m1 F 甲醇的質(zhì)量流量，
m1 甲醇的分子量，
F1mol甲醇的摩爾流量，
F2＝F1mol * m2 * K1 ／ K m2 異丁烯的分子量，
K1 可修改的比值系數(shù)
K 可修改的C4成分含量
F2 C4物料的流量。
五、 主要工藝流程控制
1. 醚化單元
1.1、醇烯比是操作的一個關(guān)鍵指標，如果醇烯比過低或甲醇中斷，都會引起反應器床層溫度高于指標控制范圍，甚至會燒壞催化劑，因此要做到精心調(diào)整，保證醇洗比穩(wěn)定在1.03±0.1。若發(fā)現(xiàn)甲醇中斷時，立即停止抽余碳四向反應器進料，避免燒壞催化劑的事故發(fā)生；同時儀表計量和分析要準確；
1.2、醚化催化劑的脫水要干凈，否則會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，延長產(chǎn)品合格的時間，因此甲醇浸泡的時間要充分，才能將醚化催化劑中的水脫干凈；
1.3、在投料的初始階段，床層溫度的控制是難點，主要控制手段如下：
密切注意催化劑床層溫度及溫度升高的趨勢，及時向火炬氣排放系統(tǒng)泄壓；投料量要小，以減少放熱量；調(diào)節(jié)好醇烯比，在投料初期寧可甲醇過量一些；盡快建立外循環(huán)；
2. 反應精餾單元
2.1、醚化催化劑的脫水要干凈，否則會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，延長產(chǎn)品合格的時間，因此甲醇浸泡的時間要充分，才能將醚化催化劑中的水脫干凈；
2.2、調(diào)節(jié)好醇烯比，在投料初期寧可甲醇過量一些；
2.3、塔升溫時，要嚴格控制升溫速度，升溫過快會造成干塔或液泛，延長了產(chǎn)品合格的時間；
2.4、在投料的初期甲醇過量，為減少甲醇對反應精餾塔操作的影響，在維持反應精餾塔的液位的前提下，將不合格的MTBE排至自備罐區(qū)不合格品罐；
2.5、在反應精餾塔操作的過程中，要盡可能地維持操作壓力的穩(wěn)定，減少塔壓波動，否則MTBE易閃蒸到塔頂，使反應精餾塔A塔頂采出產(chǎn)品合格時間延長；
3.1料水比甲醇回收單元的一個重要指標，料水比的高低既影響到水洗后碳四的質(zhì)量，又影響到回收塔的操作。料水比高，萃余碳四中的甲醇容易超標；料水比低，使萃取水中的甲醇濃度低，從而會導致回收塔塔頂采出的甲醇產(chǎn)品不合格或為達到相同的回收甲醇品質(zhì)使操作費用增加（即加大回流比）。因此，要維持料水比在5～6，并將之間的甲醇濃度維持在7～10％（重量），通常維持在8％（重量）
3.2、要維持水洗操作壓力穩(wěn)定。操作壓力抵，使萃余碳四中的甲醇和水超標；操作壓力高，會影響設備安全或安全閥起跳。可以從以下幾個方面來維持水洗塔的操作壓力：
1）醚后碳四進料要穩(wěn)定；
2）塔壓調(diào)節(jié)靈敏；
3）穩(wěn)定進水量；
4）穩(wěn)定界面；
5）穩(wěn)定進水溫度。
3.3、回收塔的操作：首先要維持塔的操作壓力，減少塔壓波動，否則易將水閃蒸到塔頂，使回收甲醇不合格；其次是要穩(wěn)定水洗塔的界面和循環(huán)水量，減少進入回收塔的碳四量.
六、 HPCS系統(tǒng)簡介
HPCS-3000、4000+分散過程控制系統(tǒng)是在多年研究國內(nèi)外多種DCS產(chǎn)品技術(shù)基礎上，匯集了多年發(fā)電、造紙、化工等生產(chǎn)過程控制經(jīng)驗最新推出的新一代DCS產(chǎn)品；是一個融計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、信息技術(shù)和自動控制技術(shù)為一體的工業(yè)信息技術(shù)系列產(chǎn)品。
HPCS是英語HUAWEN Processing Control System的縮寫，中文含義為華文過程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)、模塊化設計技術(shù)、合理的軟硬件功能配置和易于擴展的特點，可廣泛用于電站的分散控制、電廠調(diào)度和管理信息系統(tǒng)、變電站監(jiān)控、電網(wǎng)自動化、鋼鐵企業(yè)的高爐監(jiān)控、化工企業(yè)的過程自動化和造紙廠過程自動化。
