DCS控制系统在煤气生产过程中的应用

摘要：本文阐述了以DeltaV为代表的集散式控制系统在煤气生产中的实际应用，并简单地介绍了如何实现以DeltaV系统为代表的DCS控制系统在煤气生产过程中的成功应用。

关键词：DCS控制系统；生产过程；应用

中图分类号： TF526 文献标识码： A 文章编号：

引言

近30年来，DCS产品虽然在基本原理和产品市场定位上没有根本上的改变，但随着技术的进步、外界环境和市场需求的变化，设计思想也相应发展，如横河公司为了生存，从1975年发表的CENTVM系统至现在的CENTVM CS 3000R3，已经有16代了，其它公司也是如此。从宏观上看，DCS经历了3代，即1975年至1980年前期、80年代中期至90年代前期和90年代中期到21世纪初。3代产品的区别可以从DCS的三大部分，即控制站、操作站和通信网络的发展来判断。

l 工艺简介

煤气厂二期煤气生产的主要制气阶段发生在改质阶段。改质阶段是过热蒸汽与碳氢化合物发生的水煤气反应阶段，主要生成H2和CO。改质煤气中的热量被后续的1．6 MPa锅炉利用后转化成1．6 MPa蒸汽，用于驱动透平风机和提供改质反应所需的蒸汽，过剩的蒸汽供给蒸汽管网。改质煤气经过16 MPa锅炉冷却后进入CO变换反应器以降低改质煤气中的CO含量。通过CO变换反应器的煤气经过0．6 MPa锅炉冷却后进入激冷水封，水封可以防止煤气储罐内的煤气回流到制气装置。煤气经过激冷水封后进入冷却塔与冷却水直接接触换热，将煤气温度冷却至大约36℃，最后送人煤气储柜。

2控制系统选型

①操作环境、数据总线和网络通信为封闭的系统，在平台开放性方面功能较弱；

②RS3系统逐步被主导产品所取代，备件供应困难、价格昂贵、维护成本高；

③RS3系统受到内部功能和结构的限制，存在扩展性能差等缺点。DeltaV系统是Emerson公司在传统DCS系统优势基础上结合上世纪90年代的现场总线技术，并基于用户的需求开发的新一代控制系统。它具有开放的网络结构与OPC标准，系统可实现真正的在线扩展等技术特点。因此，DeltaV系统成为二期控制系统的主要选择。但也存在几个难点，如新老系统的无缝集成、控制策略和人机界面的重新开发等。经过认真的技术交流和综合分析，从工厂长远发展利益，保持系统先进性、可扩展性及整体性考虑，我们最终选择了原一期RS3控制系统改造升级，新建二期DeltaV控制系统，一二期两个操作界面统一的方案。

3控制系统构成

煤气厂二期控制系统的构成主要包括控制站、操作站、工程师站、新老系统的接口、通信网络和软件等。系统拓扑如图1所示。

由于二期扩建并不是新建项目中所有的工艺装置，有些设备将成为一二期系统的公用设备，有些原来由RS3系统控制的设备并不接入DeltaV系统，但控制策略需要在DeltaV中实现。这样一来，势必需要在RS3系统与DeltaV系统之间建立起控制器间的通信。我们采用了Modbus通信和OPC Mirror数据镜像2种方式来实现。

①Modbus通信

Modbus协议支持传统的RS-232串口、RS-422串口、RS-485串口和以太网设备”。我们通过在RS3和DeltaV的Modbus模块之间建立Modbus连接，来实现RS3与DeltaV之间的通信。新老系统之间的Modbus通信如图2所示。

②OPC Mirror数据镜像

OPC定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。我们通过在一台服务器上安装DeltaV OPC Server和AtrikonOPC Server for RS3 RNI，建立OPC Mirror中转，以实现RS3与DeltaV的数据交换。新老系统之间的OPC Mirror数据镜像如图3所示。

Modbus通信方式与硬件相关，较为可靠但数据传输量较少，适合用来交换较为重要的控制数据；OPCMirror通信方式需要通过OPC软件中转数据，适合不太重要或数据量大的交换。因此，我们将一二期控制系统需要交换的生产数据进行了如下分类：

①指示生产过程实时状态的温度、压力、流量等模拟量数据；

②调节阀输入、输出模拟量数据；

③与安全连锁控制相关开关阀及泵类输入、输出值；

④与安全连锁控制无关开关阀及泵类输入、输出值；

其中，①、②、③类数据对生产装置的安全运行和实时监控起关键作用。因此，我们采用Modbus通信方式进行交换；④类数据则利用OPC Mirror方式进行交换。

4生产循环程序

一个完整的煤气生产循环包括8个步骤。为了描述循环步骤，做如下定义：开，表示着通向烟囱的主阀门打开，没有气体进入煤气系统；关，表示通向烟囱的主阀门关闭，煤气通过激冷水封进入煤气储罐。煤气生产循环步骤具体描述如下。

①关空气吹扫

风机提供一定量的空气进入直立式加热室，空气通过燃烧器吹扫加热室，易燃组分被吹出加热室。

②关燃烧开始

位于加热室顶部的主燃烧器点火。

③开加热

通过主燃烧器的原料与过量的空气进行燃烧，利用火焰的辐射热和热烟气的对流热加热格子砖，热烟气流经格子砖后通过改质催化剂，催化剂被烟气的显热和镍的氧化反应放出的热量加热，Ni氧化成NiO。在加热阶段，提供充足的热量给吸热的改质反应和辐射损失，与此同时，催化剂上残留的碳和硫化物被氧化后从催化剂上除掉。从反应器出来后，烟气流经1．6 MPa废热锅炉从烟囱排除。

④开空气吹扫

加热阶段完成后，用少量的空气将改质室和加热室内的剩余含氧组分从烟囱吹扫除去。

⑤开蒸汽吹扫

蒸汽吹进加热室和改质室，吹扫气体经过1．6 MPa废热锅炉从烟囱排除。

⑥关蒸汽吹扫／改质开始

原料供给阀门打开，原料进入混合室与过热蒸汽充分混合，混合气体流经改质催化剂。发生NiO还原为Ni和有机组分氧化成CO：和H：O的反应，催化剂发生还原反应后真正的改质反应才开始。

⑦关改质(加热喷枪保持小火)

原料与蒸汽改质后生成CO和H：。蒸汽从格子砖的上方进入加热室，当蒸汽经过热的格子砖后被预热到800 oC，然后过热蒸汽在水平混合室与液态喷入并迅速气化的原料混合。在改质催化剂的作用下，混合反应物发生改质反应。与此同时，少量的原料与工艺空气继续提供给主燃烧器燃烧生成的烟气用于调整产品煤气的质量。改质煤气流经1．6 MPa废热锅炉、CO变换器、0．6 MPa废热锅炉后进入煤气系统。

⑧关蒸汽吹扫

改质阶段后，蒸汽进入装置将剩余的易燃组分吹到CO变换器中，为下一周期做好准备。随着第⑧步骤的结束，一个完整的制气周期就完成了。生产循环程序流程如图7所示。

结束语

综上所述，要对控制系统全面深入的研究和理解、对工艺的洞悉以及对关键节点的把握。通过制定周密可行的实施计划，进行科学严格地项目管理，保证了项目实施的各个环节始终处于控制之中，直至项目最终取得成功。

参考文献

[1]朱红 DCS系统常见故障排除经验 自动化应用2010

[2]王建平， 彭晖DCS系统(RS3)在生产应用中的故障分析天然气与石油2004

[3]吴勤勤．控制仪表及装置[M]．2版．北京：化学工业出版社。2010

[4]许健，傅庆宜．DCS控制系统的新旧合一升级探讨[EB／OL]2008

作者简介：贾新文，女，1990年毕业于中国矿业大学，现在山西大同，同煤集团煤气厂工作