张振基，马勇
（黔希煤化工投资有限责任公司，贵州 黔西 551500）
贵州黔希30 万吨/ 年乙二醇项目是一个大型煤化工项目，以煤制合成气为原料生产乙二醇。原煤气化后产生粗合成气，经二段耐硫宽温变换、低温甲醇洗后，脱除的酸性气体采用WSA 工艺生产硫酸，净化后的合成气经H2/CO 分离单元分离出纯H2 和CO，CO 气去草酸二甲酯装置合成草酸二甲酯, 然后草酸二甲酯再去乙二醇合成单元与H2 反应生成粗乙二醇，粗乙二醇经精馏后得到精乙二醇产品。在工艺装置中，自控仪表是装置的重要组成部分, 性能良好的自控仪表对于装置的稳定运行具有非常重要的作用。自控仪表主要分为两部分，现场仪表和控制系统。现场仪表包括温度仪表、压力仪表、流量仪表、液位仪表、分析仪表、控制阀等, 控制系统主要包括DCS 系统、SIS 系统、CCS 系统。下面就整个项目的自控设计及应用做一个阐述。
1 项目概述
项目所处地位于贵州西北部，属中亚热带温暖湿润气候区，最低温度-10.4℃，最高温度35.4℃，年平均相对湿度82％，海拔较高，大气压88.73kPa。
本项目以煤制合成气为原料生产乙二醇。项目主要包括气化装置、净化装置、H2/CO 分离装置、草酸二甲酯装置、乙二醇装置、产品罐区、空分装置、火炬、热电装置、公用系统以及配套的公用工程。
本项目生产装置工艺流程较长，采用的主要技术有：气化采用航天炉的HT-L 加压粉煤气化技术，对煤种要求低，转化率高；采用部分耐硫变换工艺，调整合成气的氢碳比；采用低温甲醇洗工艺脱硫脱碳及脱微量杂质，净化合成气中硫化氢和有机硫；采用WSA 工艺制硫酸，流程成熟、简单，硫回收率较高，运行成本低，尾气可达标排放；合成气中甲烷含量低的特点，采用低温CO 冷箱+PSA 流程，产出高浓度的CO 和H2；采用高化学技术- 氧化偶联法乙二醇生产工艺，通过羰化、加氢两个步骤，使合成气经草酸二甲酯得到乙二醇产品。
本项目部分装置内介质为易燃、易爆，大部分防爆区域为2 区。其中热电装置煤输送和气化装置煤储运为粉尘防爆21 区。
2 自控设计原则
根据化工装置规模、产品类型及与业主之间的技术交流，本项目自控设计原则如下：
采用分散型控制系统DCS 对本设计范围内的生产装置实施过程检测、数据处理、过程控制、能量平衡核算、计量管理、用电设备状态显示等，以提高全厂自动化水平、减轻劳动强度，降低生产成本。
根据工艺装置的安全完整性等级要求，采用安全仪表系统SIS 对装置的设备和生产过程进行安全联锁保护，实现生产安全、稳定、长期高效运行，保证人员和生产设备的安全、增强环境保护能力等。
装置中压缩机组采用机组专用控制系统完成装置压缩机机组的控制和安全联锁，实现生产安全、稳定、长期高效运行，保证有关生产人员的安全、生产设备的寿命等。
现场仪表本着技术先进、安全可靠、维修方便和经济合理的原则进行设计。所选仪表选用全天候防护仪表，采用电子式智能式，并符合所在区域防爆和防护要求。
3 控制系统设计
本项目装置组成较多，各装置相互之间的联系不多，因此控制室按气化控制室、乙二醇控制室、锅炉控制室、水处理控制室、就地机柜间设置。
3.1 DCS 系统
DCS（Distributed Control System）具有过程控制（连续控制和离散控制）、操作、显示记录、报警、制表打印、信息管理、系统组态以及自诊断等基本功能[1，2]。根据装置组成及控制室布置，DCS 设置如下：气化装置、净化装置、H2/CO 分离装置检测和控制在气化控制室内，空分装置离气化控制室较近，因此检测和控制也在气化控制室内。气化装置3 套气化楼有5700 点左右，净化装置1100 点左右，H2/CO 分离装置600 点左右，空分装置800 点左右。根据装置操作要求，各装置控制器相对独立设置。
草酸二甲酯装置、乙二醇装置、产品罐区监控在乙二醇控制室，草酸二甲酯装置2200 点左右，乙二醇装置和产品罐区1300 点左右，控制器按各装置相对独立设置。
热电装置包括锅炉和汽机，操作监控在热电控制室内，锅炉3 套共3000 点左右，汽机400 点左右，从操作和维护角度，控制器按每套锅炉及汽机相对独立设置。
在H2/CO 分离装置、草酸二甲酯装置旁边设立就地就地机柜间，信号按就近原则进就地机柜间，操作按装置要求分别在气化控制室和乙二醇控制室。水处理装置按就近原则设立水处理控制室。
根据装置的可靠性、稳定性要求，主装置包括气化装置、净化装置、H2/CO 分离装置、空分装置、草酸二甲酯装置、乙二醇装置、产品罐区、热电装置采用进口产品，水处理采用国产产品。
3.2 SIS 系统
SIS(Safety Instrumented System) 具有高度安全性和可靠性，独立于DCS 之外的安全系统，具有实现装置紧急停车和安全联锁所必需的基本功能[3]。根据工艺装置的安全完整性等级要求，SIS 设置如下：
气化装置、净化装置SIS 设置在气化控制室内。气化装置有900 点左右，净化装置（包括净化、公用系统、氨罐区）有110 点左右，控制器按各装置相对独立设置。
乙二醇装置SIS 设置在乙二醇控制室内，有100 点左右。热电装置有160 点左右。
在H2/CO 分离装置、草酸二甲酯装置旁边设立就地就地机柜间，信号按就近原则进就地机柜间。H2/CO 分离装置有200 点左右，草酸二甲酯装置有1000 点左右，控制器按各装置相对独立设置。
为了保证装置的安全联锁和生产安全运行，SIS 采用进口产品。
3.3 CCS 系统
CCS(compressor control system) 是一套以PLC 为控制核心，用于机组逻辑顺序控制，PID 控制，实时数据处理，报警停机保护的自动控制系统，可完成机组及其辅助系统的控制。机组控制系统自成体系，独立于DCS 以外。
本项目压缩机组数量较多，透平驱动离心压缩机组的有氨冰机、CO2 压缩机组、CO 压缩机组、尾气压缩机组，电机驱动的离心压缩机组有4 套CO 压缩机组、两套H2 压缩机组。其中电机电机驱动的4 套CO 压缩机组每两套机组采用一套机组控制系统，两套H2 压缩机组共用一套机组控制系统，其它机组均采用独立的机组控制系统。压缩机组采用专用的机组控制系统，能保证机组安全稳定运行，机组控制系统均采用进口产品。
4 现场仪表设计
根据工艺参数要求、安全可靠、维修方便、经济合理性原则，并尽量考虑全厂统一性，同时考虑现场仪表的防爆要求，现场远传仪表一般选用电子式智能仪表。
4.1 温度仪表
测量温度在300℃以下时，测温元件选用铠装热电阻(Pt100)；测量温度在300℃以上时，测温元件选用铠装热电偶。测温元件均带温度计套管，尽量采用法兰连接，温度计套管的材质一般采用304 不锈钢，对高温、高压管道采用特种钢的, 套管材质不低于管道材质。就地温度指示采用抽芯式、万向型双金属温度计。草酸二甲酯反应器上测温采用单支4 点热电偶，采用Ф5 的铠装芯外径，安装在设备自带的密封套管。氧气混合器出口管道表面温度测量选用抱箍式表面热电阻。
4.2 压力仪表
一般情况下，采用压力( 差压) 变送器；另根据介质粘堵、腐蚀等情况，分别选用远传式隔膜压力( 差压) 变送器[4，5]，毛细管填充液根据环境温度和介质温度选择，高温介质毛细管的填充液需。对氧气介质需考虑卤代烃填充液，对硝酸介质需考虑采用钽膜片。DMO 脱轻塔、DMC 分离塔、甲醇脱水塔压差采用电子远传式差压变送器。
压力表原则上选用不锈钢弹簧管压力表。另根据介质粘堵、腐蚀等情况选用不锈钢隔膜压力表。泵出口选用耐震压力表。
4.3 流量仪表
流量测量原则上选用法兰取压孔板配差压变送器；DN300 以上管道的流量检测选用节能型检测元件巴类流量元件，DN50 以下选用整体孔板；非关键场所，选用远传金属管转子流量计；对于干净介质的气体、蒸汽和液体采用涡街流量计。关键场合的气体测量要进行温压补偿。测量导电液体、脏污介质、带少量固体颗粒的介质采用电磁流量计。
DMO 等粘稠的、少量结晶介质流量时采用靶式流量计。
成品罐区装车流量计采用科式力质量流量计。
检测生产污水出水流量采用巴歇尔槽带超声波探头的明渠流量计。
就地流量指示原则上选用金属管转子流量计。
4.4 物位仪表
液位测量一般选用单法兰或双法兰液位变送器，当液位小于1500mm且介质洁净不易粘堵时，可采用浮筒液位计。
对真空度较高场合尽量避免使用法兰式液位变送器。罐区液位测量采用雷达液位计。
氨罐液位测量采用电子远传式液位差压变送器和伺服液位计。
物位联锁选用浮筒式液位开关、浮球液位开关，煤粉仓采用音叉液位开关。
4.5 分析仪表
过程分析仪包含取样处理系统和分析机柜，预处理组件包括取样探头、取样处理单元、取样管线、标定系统和废气排放等。分析仪应设置在分析小屋内。分析小屋内应提供气体监测报警系统以检测可燃和有毒气体的泄漏，必要时还应设氧气低报警系统。气体分析采用红外分析仪和色谱分析仪等。
MN 测量采用红外分析仪，按软件包指定采购HORIBA产品，以确保测量准确可靠。
DMO 脱轻塔回流罐轻组分DMC（液体）含量组分分析采用色谱分析仪，液体进样须确保所有组分气化后进入色谱柱，同时需考虑介质组分中MN 在加热气化的过程中易分解产生爆炸物，需选用有应用业绩厂商。
锅炉排烟管道上氧含量测量采用直插式氧化锆分析仪。H2/CO 装置中露点分析仪采用氧化铝探头，满足±2℃精度和63％响应时间小于5S 的技术要求。
烟气排放连续监测系统（CEMS）包含多组分一体化设计的气体分析仪( 含非色散红外吸收法SO2、NOX 分析及电化学O2 分析)、后散式粉尘分析仪、烟气参数测量系统( 包含皮托管流速测量、温度、压力、湿度测量)，需满足国家环 境 保 护 总 局 标 准《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法（试行）》HJ/T 76-2007 的技术要求，分析系统提供网络接入功能，向环保部门传输数据、图表等。
各种水质分析仪有电导率分析仪、PH 分析仪、余氯分析仪、浊度分析仪、COD 分析仪、NH3-N 分析仪等。涉及到环保监测仪表符合环保相关标准规范要求。
4.6 控制阀
原则上采用单座/ 套筒控制阀或蝶阀；蒸汽选用套筒阀；有气蚀可能的场合选用抗气蚀阀；噪音大时，选用低噪音阀；阀内组件至少为不锈钢。用于放空场合的控制阀，其泄漏量等级不低于ANSIClass V。
用于连续控制的控制阀均配智能型电-气阀门定位器。切断阀一般选用球阀，对于大口径管道可选用三偏心蝶阀。
控制阀的所有附件，包括电气阀门定位器、电磁阀、阀位开关及过滤减压器等均随控制阀配套整体供货。9.8MPa 高压蒸汽的减温减压器采用一体式迷宫结构，阀门全开时间需满足1s 要求。
H2/CO 分离装置程控阀采用进口三偏心蝶阀，保证分子筛切换安全稳定运行。
对草酸二甲酯反应器联锁切断大蝶阀，需采用三偏心蝶阀，采用弹回返回式单作用气缸执行机构，如采用双作用需配带储气罐，保证阀门在失气状态下能往返3 个行程。对H2 介质阀门阀杆密封需采用双填料结构。
５ 总结
本项目中DMO 合成和乙二醇合成软件包在国内投产项目较少，DMO、DMC、MN 等物料特性数据不是很清楚，仪表在设计选型上存在困难和风险。乙二醇精馏单元中，在操作状况下真空度比较高，乙二醇的粘度较大，选用带膜片压力仪表的填充液需考虑操作工况。DMO 在53℃下就凝固，仪表安装需考虑保温伴热。DMC 在线色谱分析仪，液体进样目前国内应用较少，需谨慎。
参考文献
【1】中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，GB/T50770-2013 石油化工安全仪表系统设计规范［S］. 北京：中国计划出版社2012：1-60.
【2】中华人民共和国工业和信息化部，SH/T3092-2013 石油化工分散控制系统设计规范［S］. 北京：中国石化出版社2014：1-87.
【3】中华人民共和国工业和信息化部，HG/T20573-2012 分散型控制系统工程设计规范［S］. 北京：中国计划出版社2012：1-44.
【4】国家石油和化学工业局，SH3005-1999 石油化工自动化仪表选型设计规范［S］. 北京：中国石化出版社，1999：1-44.
【5】中华人民共和国工业和信息化部，HG/T20507-2014 自动化仪表选型设计规定［S］. 北京：中国计划出版社2014：109-168.
