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概述
煤炭在國民經(jīng)濟(jì)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?zé)捊购突瘜W(xué)品回收。煤炭經(jīng)過加工形成的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到數(shù)百種。
高溫?zé)捊沟闹饕a(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(xué)品回收的產(chǎn)品有：焦油、氨、萘、粗苯、硫化氫、氰化氫和凈焦?fàn)t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(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、耐火材料和國防工業(yè)等。凈焦?fàn)t煤氣主要用于民用和工業(yè)原料。
采用先進(jìn)控制技術(shù)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(hù)之間的矛盾，促進(jìn)煤炭加工業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展有著現(xiàn)實和深遠(yuǎn)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。
焦化廠生產(chǎn)工藝流程
備煤與洗煤
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(jī)硫含量，以滿足不同用戶對煤炭質(zhì)量的指標(biāo)要求。
由于洗煤廠動力設(shè)備繁多，控制過程復(fù)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(qiáng)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。
洗煤廠工藝流程圖
控制方案
洗煤廠電機(jī)順序啟動/停止控制流程框圖
聯(lián)鎖/解鎖方案：在運(yùn)行解鎖狀態(tài)下，允許對每臺設(shè)備進(jìn)行單獨啟動或停止；當(dāng)設(shè)置為聯(lián)鎖狀態(tài)時，按下啟動按紐，設(shè)備順序啟動，后一設(shè)備的啟動以前一設(shè)備的啟動為條件（設(shè)備間的延時啟動時間可設(shè)置），如果前一設(shè)備未啟動成功，后一設(shè)備不能啟動，按停止鍵，則設(shè)備順序停止，在運(yùn)行過程中，如果其中一臺設(shè)備故障停止，例如設(shè)備2停止，則系統(tǒng)會把設(shè)備3和設(shè)備4停止，但設(shè)備1保持運(yùn)行。
洗煤廠典型控制流程圖例
焦?fàn)t與冷鼓
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，其工藝流程簡介如下：
100萬噸/年焦?fàn)t_冷鼓工藝流程圖
控制方案
典型的煉焦過程可分為焦?fàn)t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(yuǎn)，為了避免儀表的長距離走線，設(shè)置一個冷鼓遠(yuǎn)程站及給水遠(yuǎn)程站，以使儀表線能現(xiàn)場就近進(jìn)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(guān)系，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式便于可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
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(dāng)?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(shè)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(jié)合的優(yōu)化控制方法，取得了良好的控制效果。
集氣管壓力調(diào)節(jié)優(yōu)化控制示意圖
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(shè)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(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制、鼓風(fēng)機(jī)油泵聯(lián)鎖控制。
冷鼓工段聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)圖
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(jī)換向等，當(dāng)這些因素暫時不存在時，焦?fàn)t工藝系統(tǒng)較為穩(wěn)定。當(dāng)工藝系統(tǒng)處于裝煤、平煤、推煤或換向機(jī)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(yīng)，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(jìn)入穩(wěn)定期，周而復(fù)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(jī)調(diào)節(jié)動態(tài)性能要好于調(diào)節(jié)閥，然而，最新設(shè)計的百萬噸級的冷鼓系統(tǒng)都采用了通過液力偶合器進(jìn)行調(diào)速的鼓風(fēng)機(jī)，其調(diào)速性能則慢得多，而且工藝上并不允許對此進(jìn)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(jié)構(gòu)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。
帶變頻控制器的集氣管壓力調(diào)節(jié)效果圖
帶大回流調(diào)節(jié)閥集氣管壓力調(diào)節(jié)效果圖
焦?fàn)t畫面
帶低壓鼓風(fēng)機(jī)的冷鼓畫面1
帶高壓鼓風(fēng)機(jī)的冷鼓畫面
冷鼓罐區(qū)畫面
鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行畫面
脫硫、硫回收、硫氨及洗苯脫苯
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(yù)熱、分離，反應(yīng)生成液體硫銨，硫銨液經(jīng)結(jié)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(jìn)行反應(yīng)將硫分離出來，然后溶液進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分離。
洗苯脫苯工藝流程框圖
硫銨工藝流程圖
脫硫及硫回收工藝流程圖
鼓風(fēng)冷凝工段流程圖
洗氨蒸氨工段流程圖
洗苯脫苯工段流程圖
控制方案
硫銨工段主要有兩個控制回路：進(jìn)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(jìn)沸騰干燥器的溫度和蒸氨塔頂汽溫度和給定值進(jìn)行比較后調(diào)節(jié)其進(jìn)入的蒸汽流量來實現(xiàn)：采用常規(guī)的PID控制即可。
常規(guī)PID調(diào)節(jié)框圖
脫硫及硫回收工段主要有三個控制回路：進(jìn)脫硫塔B溶液流量調(diào)節(jié)、進(jìn)再生塔溶液流量調(diào)節(jié)和進(jìn)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(dāng)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。
出管式爐富油溫度串級調(diào)節(jié)框圖
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(hù)塔體，在串級調(diào)節(jié)中增加一個切換，當(dāng)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。
脫苯塔出口油氣溫度串級調(diào)節(jié)框圖
蒸氨
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(jìn)行蒸餾的過程。
蒸氨工段工藝流程框圖
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(jìn)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(jì)性和安全性。
蒸氨工段工藝流程圖
粗苯精制
工藝概述
粗苯是由多種有機(jī)物組成的復(fù)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(xué)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。
粗苯精制工藝流程框圖
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(jìn)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(dá)到分離物質(zhì)的作用。
塔釜溫度控制框圖
塔釜溫度控制是采用加熱蒸汽流量與塔釜溫度進(jìn)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(jìn)入再沸器后帶走的熱量，而再沸器的熱量是由進(jìn)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(jìn)入再沸器的蒸汽流量來控制的，同時引入進(jìn)料流量進(jìn)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(dāng)塔壓在安全范圍內(nèi)用蒸汽流量和溫度串級控制，當(dāng)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(shè)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)料，前后關(guān)聯(lián)，進(jìn)料量是不可控的，因此在這里引入前饋。
塔頂溫度控制框圖
五塔式粗苯精制流程圖
蒸餾過程控制曲線
焦油加工
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(yīng)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。
單塔式焦油管式爐蒸餾工藝流程圖
控制方案
管式爐出口溫度控制原理框圖
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(yīng)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(yīng)設(shè)置液位控制下限,不能全關(guān),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(jī)化學(xué)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(jìn)行精餾就可獲得含萘95%的工業(yè)萘。
雙爐雙塔工業(yè)萘生產(chǎn)控制流程
典型控制環(huán)節(jié)：
TRB，TRR：進(jìn)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)。
管式爐出口溫度控制原理框圖
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(jìn)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(jìn)行。
焦油蒸餾主控畫面
工業(yè)萘主控畫面
焦油蒸餾綜合趨勢
工業(yè)萘精餾綜合趨勢
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(guān)工藝也運(yùn)行平穩(wěn)。
瀝青改質(zhì)
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(jié)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。
瀝青改質(zhì)生產(chǎn)流程（真空閃蒸法也稱加壓熱聚合法）
控制方案
由焦油工段來的中溫瀝青用輸送泵打入反應(yīng)釜，其中的瀝青被加熱到390至400℃，并由釜中的攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，在釜內(nèi)發(fā)生聚合反應(yīng)，反應(yīng)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(fù)壓（負(fù)壓不同，軟化點也不同），塔頂閃蒸出改質(zhì)瀝青中的油份，當(dāng)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(yīng)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(yīng)，所以溫度要嚴(yán)格控制。
釜溫控制框圖
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。
瀝青改質(zhì)主控畫面
瀝青改質(zhì)控制過程歷史趨勢
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