Опыт автоматизации процесса олигомеризации олефиносодержащих газов

Рассматриваются проблемы создания АСУ ТП на установке получения компонента моторного топлива. Созданная на основе современных микропроцессорных средств система обеспечивает высокоэффективную эксплуатацию установки. Ее надежность во многом определяется применением изделий MicroPC и искробезопасного оборудования.

Объект автоматизации

Объектом автоматизации является установка переработки олефинов в высокооктановый компонент бензина на основе принципиально новой прогрессивной технологической схемы, разработанной «САПР-Нефтехим» (Москва).

Процесс конверсии отходящих олефиносодержащих газов каталитического крекинга в компонент моторного топлива внедрен на Мажейкяйском АО «Нафта» (Литва) на базе реконструированной секции гидроочистки керосина и газофракционной установки (ГФУ) ЛК6У. В объеме реконструкции выполнено строительство нового реакторного блока (рис. 1), состоящего из двух реакторов и системы регенерации катализатора.

Реакторный блок установки ЛК6У Рис. 1. Реакторный блок установки ЛК6У

Реакторы работают попеременно, то есть один пребывает в цикле реакции, а другой — в цикле регенерации или в резерве. Когда катализатор теряет активность, реактор переводится в цикл регенерации, а в цикл реакции переключается реактор с отрегенерированным катализатором.

Кроме этих аппаратов, в составе установки ЛК6У для осуществления процесса риформинга газов было использовано оборудование, эксплуатировавшееся ранее: емкости для приема сырья, рекуперативные теплообменные аппараты для предварительного подогрева сырья и рециркулята теплом катализата из реактора, компрессоры азото-воздушной смеси, насосное оборудование и т.п.

В процессе реакции выделяется тепло. Поэтому температура потока реакционной смеси, выходящей из слоя катализатора, выше, чем входящей. Для снижения температуры потока реакционной смеси, входящей в слой катализатора, в трубки теплообменников подается водяной пар, а в распределители, расположенные после теплообменников, — квенч (это компонент сырья, поступающий в газообразном состоянии в распределители реакторов для регулирования их температурного режима и последующего использования в процессе реакции).

Рост температуры в реакторе увеличивает скорость протекания как основных, так и побочных реакций процесса, изменяя качество получаемых продуктов. Повышение температуры процесса сверх оптимальной при одной и той же активности катализатора сопровождается уменьшением выхода продукта и увеличением выхода парафинов и ароматики в получаемом продукте. Температура является основным параметром, используемым для компенсации падения активности катализатора в течение 1418 суток работы реактора в цикле синтеза.

Температурный режим в реакторе поддерживается изменением температуры сырья, поступающего в реактор из печи, управлением теплосъемом избыточного тепла на трех паровых ребойлерах, а также изменением режима подачи квенча в реактор по четырем впрыскам. Для контроля процесса конверсии в четырех катализаторных слоях и между этими слоями предусмотрено размещение свыше 65 термодатчиков и 8 датчиков расхода, информация с которых одновременно используется при формировании семи управляющих воздействий в реакторе.

Взаимовлияние большого количества параметров в реакторе в условиях значительного экзотермического эффекта процесса конверсии потребовало нетрадиционного подхода к управлению. В качестве критерия управления реактором принято соотношение температур и их перепадов на катализаторных слоях, косвенно влияющих на выход продукта. В основу алгоритма управления был положен поисковый принцип управления перераспределением температур в реакторе, при котором обеспечивается выравнивание температур газопродуктовой смеси на входе в каждый из катализаторных слоев и стабилизация перепадов температур на слоях.

Не менее проблематичной была задача управления реакторами в цикле регенерации. Для восстановления активности катализаторов периодически осуществляют процесс выжигания в кислородсодержащей среде кокса, образовавшегося на катализаторе в процессе реакции. Это позволяет увеличить продолжительность работы катализатора.

Из других разработанных алгоритмов управления представляют интерес:

Очевидно, что только использование средств микропроцессорного управления могло обеспечить высокоэффективное решение указанных задач совершенствования производства компонентов моторного топлива.

Важный аспект разработанной автоматизированной системы управления технологическим процессом состоит в том, что ее программное обеспечение позволило одновременно с отладкой и настройкой системы управления обеспечить исследование сложных взаимосвязей параметров в процессе каталитической конверсии олефинов. Усовершенствования технологической схемы требовали частой корректировки алгоритмов управления и системы отображения. Это стало возможным, благодаря использованию разработанного НТФ "Инкотех" пакета программирования ViS@ 3.1.

Назначение и функции АСУ ТП

АСУ ТП «Олигомеризация» предназначена для реализации функций оперативного контроля, учета, анализа и управления технологическими процессами установки риформинга газов. Она обеспечивает автоматизированный и автоматический режимы работы оборудования, улучшает информационное обеспечение оперативного и руководящего персонала. Далее перечислены основные функции, реализуемые АСУ ТП.

Архитектура системы и ее техническая реализация

На выбор технических средств оказали влияние следующие особенности объекта управления:

Кроме того, в начальный период промышленной эксплуатации установки вносились изменения в алгоритмы управления и аппаратное оснащение, обусловленные усовершенствованием технологической схемы процесса. Количество сигналов выросло примерно на 25 % против заложенных в проекте изначально. Количественные характеристики и типы используемых модулей для приема/выдачи сигналов (модулей УСО) приведены в табл. 1.

Типы сигналов и используемые модули УСО Таблица 1. Типы сигналов и используемые модули УСО

АСУ ТП «Олигомеризация» реализована в виде двухуровневой распределенной системы со следующим группированием выполняемых функций:

Структурная схема АСУ ТП «Олигомеризация» приведена на рис. 2.

Структурная схема АСУ ТП Рис. 2. Структурная схема АСУ ТП «Олигомеризация»

Условные обозначения:

БП — блок питания;

БИ — барьер искрозащиты;

ПЭП — пневмоэлектропреобразователь;

ЭПП — электропневмопозиционер;

МРВ — монтажные платы

Рис. 2. Структурная схема АСУ ТП

Технические средства верхнего уровня включают три взаимозаменяемые рабочие станции оперативного управления и сервер. В качестве рабочих станций используются ПЭВМ, оснащенные 21-дюймовыми мониторами. Сервер служит для ведения базы данных показателей производства и ее архивирования. Кроме того, он является мостом для выхода в общезаводскую вычислительную сеть. Это позволяет подключать неограниченное количество рабочих мест контроля технологического процесса.

Рабочее место оператора Рис. 3. Рабочее место оператора

Рабочее место оператора

Технические средства нижнего уровня реализованы на базе программируемых промышленных контроллеров MicroPC фирмы Octagon Systems. При их выборе учитывалось, что система управления распределена территориально и должна обеспечивать повышенную надежность при управлении взрывоопасным производством. Для повышения живучести системы управления было предусмотрено аппаратное и программное резервирование (дублирование) отдельных компонентов: процессорной и сетевой плат каждого контроллера по схеме, приведенной на рис. 4.

Схема дублирования контроллера Рис. 4. Схема дублирования контроллера

Каждый контроллер содержит в своем составе два каркаса 5276-RM с блоком питания, процессорной платой 5066, сетевой платой 5500 и платой BUFM расширения ISA-шины, которая связана гибким шлейфом с арбитром шины SL2, установленным в каркасе УСО, содержащем платы ввода-вывода 5648. Каждая интерфейсная плата 5648 обеспечивает прием/выдачу до 48 сигналов на модули УСО, установленные на монтажных платах MPB-24. УСО выполнены на основе одноканальных модулей приема и выдачи сигналов аналогового и дискретного типов с гальванической развязкой серии 70G и 73G фирмы Grayhill. Для приема сигналов от термопар типа ХА и ХК в системе использованы 16-канальные мультиплексоры MTL831, которые подключены через адаптер MTL838 ModBus к COM2-портам процессорных плат. По всем каналам приема/выдачи предусмотрены индивидуальные и групповые (для мультиплексоров) барьеры искрозащиты для связи с датчиками и исполнительными механизмами, расположенными во взрывоопасных зонах.

Для экономии капитальных затрат на первом этапе внедрения АСУ ТП было принято решение использовать ранее установленные на технологических аппаратах датчики и исполнительные механизмы преимущественно пневматической ветви ГСП (государственной системы приборов). Поэтому для ввода информации с этих датчиков в контроллеры были использованы пневмоэлектропреобразователи сигналов в токовые сигналы 4-20 мА типа MBS 33 фирмы Danfoss, а для управления исполнительными механизмами применены электропневмопозиционеры фирмы Fisher-Rousemount.

На вновь смонтированном оборудовании были установлены датчики расхода, давления и уровня с токовым выходом 4-20 мА и исполнительные механизмы с электропневмопозиционерами. В дальнейшем подобными средствами автоматизации были заменены все датчики с пневмовыходами.

Дублированные контроллеры, рабочие станции и сервер объединены в локальную вычислительную сеть Ethernet. Сервер, рабочие станции и контроллер N4 установлены в техническом помещении ЦПУ (в операторской). Контроллер N4 предназначен, в основном, для приема/выдачи сигналов, поступающих от пневмоэлектропреобразователей сигналов с пневмодатчиков вспомогательного оборудования.

Сервер, рабочие станции и контроллер N4 образуют группу абонентов, подключенных витой парой к концентратору Hub N1. Для уменьшения длин линий связи остальные три контроллера расположены в непосредственной близости к объектам управления — реакторам и печам — в специально отведенном необслуживаемом помещении возле дымовой трубы. Для удобства обслуживания контроллеры N1 и N2 закреплены соответственно за реакторами N1 и N2, а контроллер N3 — за печью подогрева сырья.

Контроллеры N1 и N2 связаны с 9 интеллектуальными задвижками аналогового действия и 28 электрозадвижками и отсекателями для управления переключением реакторов из режима синтеза в режим регенерации и наоборот. Контроллеры N1-N3 находятся на расстоянии 400 м от операторской и образуют группу абонентов, подключенных к концентратору Hub2 N2. Для исключения влияния электромагнитных помех при передаче сигнала от удаленных контроллеров концентраторы через конвертеры соединены оптоволоконным кабелем.

Шкафы с оборудованием нижнего уровня Рис. 5. Шкафы с оборудованием нижнего уровня

Шкафы с оборудованием нижнего уровня

Скорость передачи данных в сети — 10 Мбит/с. Реальный трафик в сети не превышает 0,5 Мбит/с при обновлении данных на экранах рабочих станций с частотой 0,5 с.

Гарантия доставки пакетов данных между абонентами сети обеспечивается на уровне сетевого протокола.

Питание всех средств автоматизации (рабочих станций, сервера, контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов) осуществляется от источников бесперебойного питания, обеспечивающих при обесточивании двух фидеров питания работу системы в течение 30 минут.

Программное обеспечение

Для разработки программ управления и системы отображения информации использовался пакет программных средств VIS@ 3.1, разработанный НТФ «Инкотех». Функции сбора данных с объекта, управления параметрами в соответствии с законами регулирования и программно-логическое управление реализованы в программах управления контроллерами. Программирование контроллеров выполнялось программными средствами пакета ViS@ 3.1, включающего в себя

Язык технологического программирования включает обширную библиотеку алгоритмов, реализующих типовые законы регулирования, а также набор функциональных блоков, ориентированных на вариантное управление электрозадвижками, насосами, отсекателями и др. Кроме того, в пакете предусмотрена возможность наработки дополнительных функций, отвечающих специфике решаемых задач.

Для отладки программ управления в пакете имеется развитая система инструментальных средств отладки (с точками фиксации, останова, условными остановами, окнами просмотра значений переменных и настроек алгоритмов управления, возможностью изменения и блокирования переменных и др.). Отладка может выполняться в двух режимах: непрерывном и пошаговом.

DDE/fastDDE-сервер является связующим звеном между контроллерами и системой отображения.

Диспетчер реального времени является программным ядром, обеспечивающим функционирование контроллера в режиме управления и выполняющим задачи:

Диспетчер реального времени является надстройкой над базовой операционной системой MS-DOS, поставляемой с контроллерами. Поддержку сетевых функций системы обеспечивает операционная система Novell Netware NWLite.

В дальнейшем наработанные принципы представления информации были адаптированы к системе отображения на базе SCADA-пакета InTouch 6.0. Но при этом по просьбе завода нами были реализованы функции, разработанные на основе пакета ViS@ 3.1 и отсутствующие в пакете InTouch. В частности, была предусмотрена возможность ввода, сохранения, просмотра и печати больших массивов данных в табличной форме. Подобные формы потребовалось разрабатывать дополнительно с применением электронных таблиц MS Excel. Встроенная система разработки и сбора рапортов позволяет формировать отчеты любого уровня сложности (мгновенные, средние, интегральные и др. значения). Так как в InTouch отсутствует собственная система ведения рапортов, были дополнительно разработаны средства взаимодействия рапортов системы VIS@ и системы отображения InTouch.

Функционирование системы

В технологической схеме работы установки выделены стадии производства, по которым подготовлены соответствующие фрагменты. При этом целостность восприятия всего объекта не теряется. Информацию о ходе технологического процесса операторы получают в описанных далее формах.

Примеры панелей управления Рис. 6. Примеры панелей управления

Взаимодействие оператора с системой отображения организовано с помощью мышки и функциональной клавиатуры, которая исключает ошибочные действия оператора. Пример фрагмента стадии нагрева сырья приведен на рис. 7.

Фрагмент стадии нагрева сырья Рис. 7. Фрагмент стадии нагрева сырья

Окно графиков и трендов Рис. 8. Окно графиков и трендов

Фрагмент данных таблицы лабораторных анализов Рис. 9. Фрагмент данных таблицы лабораторных анализов

Для исключения несанкционированного доступа к управлению технологическим процессом в системе принято три уровня доступа (уровни и их количество определены заказчиком и могут быть легко изменены с учетом новых условий):

Объектами дистанционного управления являются исполнительные механизмы аналогового и позиционного действия. Дистанционное управление осуществляется с помощью клавиатуры или мыши после перевода исполнительного механизма в соответствующий режим.

Для регулирующих клапанов и аналоговых электрозадвижек, кроме степени открытия, возможно задавать величину шага изменения управляющего воздействия.

При переводе контуров регулирования в автоматический режим управление исполнительным механизмом выполняется по алгоритмам, заложенным в программе управления. Для аналоговых контуров регулирования, задание которым рассчитывается программно или является выходом другого контура, предусмотрен каскадный режим работы. При изменении режимов работы контуров обеспечивается безударность перехода.

Система противоаварийной защиты предусматривает комплекс мер по переводу технологического объекта в безопасное состояние с целью предотвращения развития аварийной ситуации. Для повышения надежности работы системы защиты предусмотрен преимущественно мажоритарный принцип обнаружения нарушения. Система защиты выполняет анализ ответственных параметров процесса и отключение оборудования в случае нарушения этими параметрами аварийных границ, предусмотренных регламентом.

Действия системы противоаварийной защиты имеют более высокий приоритет, чем действия оператора и системы управления. Сигналы срабатывания защиты регистрируются в протоколе сообщений с указанием предпринятых действий с одновременным оповещением оператора звуковым сигналом.

В АСУ ТП проводится диагностика работоспособности всех технических средств с формированием сообщений при нарушениях и звуковым оповещением.

В процессе диагностики обеспечивается контроль нарушений в работе оборудования на следующих уровнях:

Результаты

АСУ ТП внедрена на Мажейкяйском АО «Нафта» с хорошими технико-экономическими показателями: конверсия олефинов 90-98%, селективность 95-100% на прореагировавшие олефины компонента бензина Аи-95. Установка приносит заводу прибыль в размере $1,5 млн. в месяц. Затраты на проектирование и создание технологического процесса, включая АСУ ТП, окупились менее чем за 7 месяцев. Продолжительность выполнения комплекса работ от разработки до внедрения системы управления сложным технологическим процессом риформинга газов составила менее года.

Внедрение АСУ ТП оправдало ожидания, связанные с наглядностью представления информации и удобством управления. Оперативный персонал без затруднений освоил навыки работы с системой в течение короткого времени. Улучшились условия труда операторов установки: они получили современные средства контроля и управления технологическим оборудованием.

По итогам 1,5-годичной эксплуатации АСУ ТП «Олигомеризация» показала высокие технические характеристики и надежность, не было зафиксировано сбоев в работе системы.

В настоящее время выполнена разработка проекта более совершенного варианта производства с увеличенной мощностью установки олигомеризации сжиженных олефиносодержащих газов каталитического крекинга для нефтеперерабатывающего завода в России. В АСУ ТП этой установки предусмотрено использование хорошо зарекомендовавших на Мажейкяйском АО «Нафта» технических и программных средств, принципов управления основными технологическими процессами.