PLC在延迟焦化装置水力除焦中的应用.pdf

第 4 7卷第 6期 2 0 1 1年 1 O月 石油化工 自 动化 AU T0M AT1 0N I N PETR0一 CHEM I CAL I NDUS TRY Vo 1 ．4 7。No ． 6 Oc t o be r 。2O1 1 P L C在延迟焦化装置水力除焦 中的应用 卢世军 ， 王芳 ， 席崇俊 ， 孙玉君 玉门油田炼化 总厂 仪修 车间 ， 甘肃 玉 门 7 3 5 2 0 0 摘要 延迟焦化装置是炼厂的重要生产装置， 其焦炭塔采用水力除焦， 除焦过程通过 P L C进行控制。焦化装置现用水力 除焦控制系统老化严 重， 功 能上和安全上存在很多缺陷 ， 在装置 大修期 间， 对其进 行了大幅度 的改 造， 使之成为一套技术先进 、 功能完善、 安全可靠 、 易操作 、 易维护的系统 。从系统的组成及 重要联锁等方面对改造后的控制系统进行 阐述 。 关键词 水力除焦； 可编程控制器； 高压水泵； 除焦控制阀 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章 编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 6 0 0 4 9 0 5 Ap pl i c a t i o n o f PLC i n Hy d r a u l i c De c o ki n g o f De l a y e d Co ki n g Un i t Lu S h i j u n，Wa n g Fa n g，Xi Ch o n g j u n ，S u n Yu j u n Yume n Pe t r o l e u m Pr o c e s s i n g a nd Ch e mi c a l Compl e x of Pe t r o Ch i na。 Yu me n，7 3 5 2 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t De l a ye d c o ki n g uni t i s t he i mpo r t a n t e q ui pme n t i n pe t r o l e um r e f i ne r y p r od uc t i o n ． I t s c o ke t o we r i s d e c o k e d h y d r a u l i c a l l y，a n d t h e d e c o k i n g p r o c e s s i s c o n t r o l l e d b y PL C． Cu r r e n t h y d r a u l i c d e c o k i n g c o n t r o l s y s t e m i n c o k i n g u n i t i s s e r i o u s l y a g e d，a n d t h e r e a r e ma n y d e f e c t s i n i t s f u n c t i o n a l i t y a n d s a f e t y ． Du r i ng ov e r h a ul ， i t wa s s i gn i f i c a nt l y r e f o r ma t t e d a nd ha d b e e n up da t e d t o a n a d v a n c e d s y s t e m wi t h a dv a n c e d t e c h no l og y， i m p r o v e d f un c t i on a l i t y， r e l i a bl e s a f e t y， e a s y o p e r a t i o n a nd ma i nt e na n c e ． A c o m p r e he ns i v e i n t r o du c t i o n i s de s c r i be d f or t hi s up da t e d c on t r o l s y s t e m i n a s pe c t of s y s t e m c o nf i gu r a t i o n a n d m a i n i nt e r l oc k，e t c ． Ke y wo r ds hy dr a u l i c de c o ki n g；PLC；hi gh pr e s s ur e wa t e r pu mp；d e e ok i n g c o nt r ol v a l ve 0 引 言 玉门油 田炼化总厂 3 0 0 k t ／ a 延迟焦化装置采 用一炉两塔有井架水力 除焦 的生产模式 ， 水力除 焦作为焦化生产 中的最后一 道工序 ， 在 整个 生产 中有着举足轻 重的地位 。如果 除焦 出现 问题 ， 将 迫使装置改闭路循环或停车 ， 水力 除焦是 一个压 力 高 达 1 6 MP a的 高 压 动 态 操 作 过 程 ， 因此 完 善 除焦 自控系统 ， 提高其安全性和可靠性 是保证焦 化装置长 、 满 、 优 、 安全运行 的必要措施 。除焦过 程的 自动控 制主要 由 P L C系统来 实现 。该 厂焦 化装置原 除焦控 制系统 于 1 9 9 2年 建成投 用 ， 由 于使用年 限较长 ， 整个 系统线 路老化 严重 ， 很 多 现场仪表失灵 ， 联 锁长期 解 除， 且 功能上 有很 多 欠 缺之 处 ， 绞 车 未 采 用 变 频 调 速 的控 制 方 式 ， 系 统没有上位 机 ， 操 作不 直观 等。大修期 间， 对 该 自控 系 统进 行 了全 面改 造 。 1 水 力除 焦工 艺过 程 水力除焦工艺过程如图 1所示 。高压水经高 压水泵抽出后， 依次经过泵的出 口隔断阀、 除焦控 制阀、 焦炭塔顶的隔断球阀， 并通 过控制除焦控制 阀的回流／ 预充／ 全开状态 ， 使高压水达到预设的压 力值 。通过绞车控制钻杆的升降， 在高压水龙头连 通的钻杆和切焦器之间安装水涡轮 ， 水涡轮的输出 与切焦器联结 ， 当高压水经水涡轮射 出时， 其输出 轴即 可驱 动切 焦 器在 塔 内旋转 ， 从 而 实现 水力 除焦 。 3 改造后 的水 力 除焦 系统组成 改造后 的水力除焦系统主要由主控柜 、 防爆操 作柜 、 变频柜和联络柜组成 。它是以 P L C为核心， 根据水力除焦工艺 ， 通过程序和各机柜间的有机联 系对除焦控制阀、 高压水泵 、 塔阀、 钻机绞车等进行 控 制 的 电控 系统 。 3 ． 1 主控 柜 主控柜安装于高压水泵房控制室内， 柜内安装 有 P L C及其他控制器 ， 可接收现场仪表的信号 ， 对 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 1 0 修改稿 。 作者简介 卢世 军 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山东 昌乐 人， 2 0 0 6年 毕业 于 中NNN大学 华东 自动化专业 ， 现工作 于玉 门油田炼化 总厂仪 修车间。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 O 石油化工 自动化 第 4 7卷 除焦控制 阀、 高压水泵、 塔 阀、 钻机绞车等进 行控 制 ， 并 实现 系统 中受控 对象 之 间的联锁 。面板上设 有按钮及受控对象所处状态 的显示、 故 障状 态报 警、 跳闸指示等 ， 并安装有上位机系统 ， 对工艺流程 进行 直观 监测 。 至 兰 I 臣 图 1 系统 工 艺流 程 P L C在系 统 中起 到 了 中枢 神 经 的作 用 ， 它 是 系统工作的总指挥。P L C可将逻辑运算 、 顺序控 制 、 时序等控制程序用指令形式存放在存储器 中， 然后根据存储的控制内容 ， 经过输入输出部件 ， 对 生产设 备和 生产 过程进 行 控制 ， 它 主要 由 C P U， 存 储 器 和 I ／ O系统 三部分 组成 。 3 ． 2防爆 操作柜 防爆 操作 柜安 装 于两 塔 正 中 间的塔 顶 操作 室 内， 为正压通风型防爆结构 。操作柜为操作人员提 供除焦控制阀三种工作状态的手动选择 、 绞车的控 制 ， 设 有高 压水 泵紧急 停车 按钮 、 联锁状 态开 关 、 与 泵房 的联络 按钮 等 ， 并 设 有 各种 状 态 指 示灯 ， 在玻 璃视 窗 内还 设 有 切 焦 器 位 移 的 模 拟 显 示 和 数 模 显示 。 3 ． 3 变频 柜 变频 柜安装 于装 置 低 压 配 电室 内。变 频 柜 内 安装的主要器件是 2台变频器、 2 个制动电阻 、 1台 P L C及 其 扩 展 模 块 。该 P L C是 控 制 钻 机 绞 车 的 控制 器 ， 它的输 出先控 制 继 电器 ， 再 由继 电器 控 制 各个 功率 不 同的接 触 器 来 实 现绞 车 的 上行 、 停 止 、 下行 、 制动器的打开与关闭。钻机绞车采用带 P G 编码 器 的矢量 变频调 速装 置 ， 通 过 与电机 轴相连 的 P G， 可将精确的转速信号传送给变频器 ， 使之实现 更精确的速度控制特性 。同时采用 P L C进行逻辑 顺序时间等控制 ， 可使变频调速按照生产工艺要求 进行。变频调速装置能够保证 电动机平稳运转， 特 别是在低速时有足够转矩输 出， 从而 防止低速抖 动。在电动机起动和停机 时通过较好 的力矩控制 特性 ， 配合抱闸的开 闭， 实现无跳变的速度控制特 性。下钻过程中， 制动单元的制动电阻释放多余的 能量 ， 避免 溜钻危 害 。 变频调速可在钻机绞车上获得最佳升降速度 的调节， 特别是在扫塔时， 可灵活地变换扫塔速度 ， 保证 焦炭 塔 的扫塔干 净彻底 ， 减轻 回炼 系统 的焦粉 沉 积 ， 为后 面工 艺操 作 打 下 良好 基 础 ， 这 对 焦 化装 置 的长周 期运行 有着 重要 意义 。 当变 频器 出现故 障 时 ， 可 以 自动切 断变频 器 电 源 ， 并显示 故 障 。此 时可将 运行 方式选 择开关 手 动 切换 到工 频运 行方 式 ， 然 后 继续 操 作 ， 待 故 障 排 除 后 再恢复 到变 频运行 。 3 ． 4 联 络柜 联络柜安装 于塔 底盖 机平 台， 其 面板 上 没有 与 塔顶联 络的发讯按钮及 指示灯 、 收讯 的声光指示 等 。 4 控 制系统 中的重 要联锁 由于水 力 除 焦 是 在 切 焦 水 经 过 高 压 水 泵 压 缩 ， 压力 达 到 1 6 MP a时进 行 除焦 ， 存 在 很 大 的 危 险性 ， 对于操作人员及生产设备 的安全有很 高的 要 求 ， 因 此 要 求 系 统 必 须 具 有 完 善 的 联 锁 保 护 功能 。 4 ． 1 高压 水泵 的联锁 高压水 泵是水 力 除焦 的关 键设备 ， 为除焦 系统 提 供稳 定 的高压水 流 ， 所 以对 其启 动及停 机要 有严 格 的逻 辑程 序来 保 证 设 备 的运 转 。高 压水 泵 联 锁 控制程序的实现流程如图 2所示。 图 2 高压水 泵的联 锁 高压水泵有以下联锁停机条件 ， 任何一个条件 成立 就联锁 停机 a 泵阀阀位不正常 1 被选定泵的泵阀必须 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 卢世 军等 ．P L C在延迟焦化装置水力除焦 中的应用 处 于开 位 ； 2 未 被 选 定 泵 的 泵 阀必 须 处 于 关 位 。 每次只能选一个泵 ， 只要不满足以上任何一条件即 为泵阀阀位不正常。 b 塔 阀阀位不正常 1 被选定塔的塔阀在联 锁解 除或 切 焦器 进 入 塔 内 时 必须 处 于 开位 ； 2 未 被选定塔的塔 阀必须处 于关位 。每次只能选一个 塔 ， 只要不满足 以上任何一条 件 即为塔 阀阀位 不 正 常 。 c 除焦阀塔阀阀位不正常被选定的塔阀 在 未打 开时 ， 除焦 阀必 须 处 于 回流 位 ， 否 则 即 为 不 正 常 。 d 泵 入 口压力 小于 0 ． 0 9 4 MP a 。 e 润滑油总管压力小于 0 ． 1 MP a 。 f 切焦 水罐 液位距 地 面小于 5 ． 5 m。 高压水 泵 的启 动条 件 a 泵 阀 阀位 正 常； b 塔阀 阀位 正 常； C 除焦 阀一塔 阀 阀位 正 常； d 除焦 阀 阀位 处 于 回流 位 ； e 泵 入 口压 力 大 于 0 ． 1 MP a ； f 润 滑 油 母 管 压 力 不 小 于 0 ． 1 8 MP a ； g 无任何跳闸条件。必须满足所有条件才能启泵。 4 ． 2除焦控 制 阀的联 锁 除焦控制 阀是水力 除焦管道上的主要设备 ， 该 阀为三位阀， 包括 回流位、 预充位 和全开位 ， 三 个位置关 系到除焦 过程 的进 展及安 全 。除焦 过 程 中， 用小流量低压力 的高压水 对上水管进行 预 充满 ， 然后用 高压全 流量进 行 除焦 ， 避免水 锤 现 象 的产 生 。 a 除焦控制阀功能1 旁通功能 ， 将高压水 降压后 回流到储水罐 ； 2 预充满功能 ， 将高压水降 到一定压力后充满除焦线 ； 3 满流功能 ， 将高压水 输 送 到切焦 器 ， 几乎没 有压 力损 失 。 b 控制原理 它主要 由两个 电磁 阀来控制上 下气缸的动作 ， 上汽缸 电磁阀失电进气 、 得电排气 ， 下汽缸 电磁阀得电进气、 失电排气。 c 除焦阀位置与电磁 阀状态关系 上汽缸 电 磁 阀失 电和下 汽缸 电磁 阀失 电时 ， 除焦 阀处于 回流 位 ； 上 汽缸 电磁 阀失 电和 下 汽 缸 电磁 阀得 电时 ， 除 焦 阀处于预 充位 ； 上汽 缸 电磁 阀得 电和下 汽缸 电磁 阀得 电时 ， 除焦 阀处 于全 开位 。 d 除焦 阀动作 与 电磁 阀状 态关 系 上 汽缸 电 磁 阀得 电和下 汽缸 电磁 阀 得 电时 ， 阀 芯上 升 ； 上 汽 缸电磁阀失 电和下汽缸电磁阀失 电时 ， 阀芯下降。 除焦 控制 阀联锁 控制 程序 的实 现流程 如 图 3所示 。 除焦控制阀的联锁控制 a 除焦阀允许动作 条件需保证所选塔 阀打开 ． b 除焦 阀全开条件 需 保证预充压力达到设定值 ； c 除焦 阀在允许动作 条件未满足前， 必须处于全关位。 回流 除焦阀允许动作 除焦阀处于全 关位 预充／ 回流人工选择 、、、 除焦阀处于预 充位 回流 预 充 除焦 阀处于 全开位 竺 图 3 除焦控 制 阀的联锁 4 ． 3 塔 顶 隔断 阀的联锁 塔 顶 隔 断 阀通 过 电磁 阀的得 电与失 电改变 气 缸气源的进出方 向来实现阀门的开关。塔阀是水 力除焦高压水系统的最后一道安全屏障， 由于生产 工艺采用一炉两塔式工艺， 两塔采取切换式生产及 除焦过 程 ， 因此两个 塔 阀 的开关状 态关 系到生 产及 除焦的状态和安全 。塔顶隔断阀联锁控制程序 的 实 现流 程如 图 4所 示 。 塔顶隔断阀的联锁控制 a 塔 阀开条件 对应 的塔 被选 中； 绞车下 降 至 进塔 6 1T I 处 由进塔 处接 近开 关感应 。 b 塔 阀关 条 件 对 应 的塔 被 选 中 ； 绞 车 上 升 至进塔 6 m处 由进塔处接近开关感应 。 c 联锁解除时， 被选塔阀的开关 动作 只受联 锁 解 除开关 状态影 响 。 4 ． 4 钻机绞车的联锁 钻机绞车是水力除焦系统中除焦器的输送载 体 ， 除焦器到达塔 的任何位置都由钻机绞车配合来 完成 ， 只有到达指定位置才可以进行切焦动作， 因此 钻机绞车在整个除焦过程 中起到至关重要的作用。 钻机绞车联锁控制程序的实现流程如图 5所示。绞 车的联锁控制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 第 4 7 卷 图 4 塔 顶 隔断 阀的联锁 图 5钻机 绞 车的联锁 a 联锁解除开关打开， 则绞车所有联锁失效 。 b 绞车上升至上极限， 绞车 自动停止 ， 不再允 许提升 上极 限位 由上极限接近开关感应 。 C 绞车上升至进塔处 塔 内6 m ， 除焦阀不处 于回流位 ， 则绞车 自动停 止， 不再允许提 升 进塔 6 m处 由进塔处 接 近开关感 应 。 d 绞车下降至下极限， 绞车 自动停止， 不再允 许下降 下极限位 由下极限接近开关感应 。 5结束语 除焦设备 、 现场仪表、 主控柜、 塔顶操作柜 、 联 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 卢世军等．P L C在延迟焦化装 置水力除焦中的应用 5 3 络柜 和变 频柜等 构 成 了一套 完 整 的水力 除焦 自动 控制 系统 ， 其核 心是 P L C。通过 改造 ， 将原来 的 P L C更换成 了高性 能 P L C， 对部分老化线路进行 了重新敷设 ， 对失灵的现场仪表进行 了更换 。功能 方面 ， 增设了变频 器及变频调速装置 ， 使绞 车实现 了变频调速的控制方式。同时采用 P L C进行逻辑 顺序时间等控制 ， 实现了变频调速按照生产工艺的 要求进行 ； 新安装 了上位机系统 ， 使之与 P L C和现 场设备 建立 通信 ， 在组 态 软 件 中完 成 组 态 ， 通 过 组 态 画面 ， 实现 了操 作 人员 对 除 焦 过 程 的实 时 监 控 ， 大大方便 了操作。通过 改造， 将所有失 灵信号恢 复， 并完善 了系统的联锁保护功能， 联锁正常投用。 改造 后 的 系统 技 术 先 进 ， 采 用 了 双 P L C加 变 频器 的控 制 方 式 ， 不 仅 实 现 了除 焦 全 过 程 的 自动 化 ， 而且 由于采 用 了 变频 调 速 的 控制 方 式 ， 启 动 电 流被 限制 在额定 值 内 ， 可 以减 小对 电 网 的冲 击 ， 消 除 电机 的机械损 伤 ， 减少 了设备 的维 护量 。 实践证 明， P L C 自控系统在该厂水力除焦 中的 应用， 提高了除焦的工作效率 ， 降低了工人的劳动强 度。同时由于其具有功能齐全 的安全联锁保护 系 统 ， 因此也保证了操作人员及除焦设备的安全。 参考文献 [ 1] 张运刚， 宋小春， 郭武强． 从入门到精通 西门子 s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C技术与应用E M] ． 北京人民邮电出版社 ， 2 0 0 7 ． [2] 徐成裕 ， 邓新军， 傅钢强． 焦 化装 置焦炭塔技术 问答 [ M] ． 北 京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3] 曹玉亭 ， 刘宇飞． 重油延迟焦 化发展现状及展望 [ J ] ． 天然 气 与 石 油 ， 2 0 1 0 ， 5 3 0 3 3 ． [4] 林广 田， 晋西润， 解学仕 ， 等． 延迟焦 化装置水力除焦系统 自 动控制技术E J ] ． 炼油技术 与工程 ， 2 0 0 6 ， 1 2 4 7 5 0 ． [ 5] 黄卫华． 除焦控制 阀在延迟焦 化 中的应用 [ J ] ． 石 油化工 自 动化 ， 2 0 0 3 ， 3 9 4 9 2 9 3 ． [ 6] 崔富军． 西 门子 s 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t r o l o f a C l a s s o f No n l i n e a r S y s t e ms [ J ] ．I E EE Tr a n s a c t i o n s o n Fu z z y S ys t e ms ，2 0 0 1，9 4 6 2 46 3 6 ． [ 4]HO J ATI M， GAZ OR S ．Hy b r i d A d a p t i v e F u z z y I d e n t i f i c a t i o n a n d C o n t r o l o f No n l i n e a r S y s t e ms [ J ] ．I E E E Tr a n s a c t i o n s o n Fu z z y Sy s t e m ，2 0 0 2，1 0 2 1 9 8 2 1 0． [5 ]L I P，YANG G H．B a e k s t e p p i n g Ad a p t i v e F u z z y C o n t r o l o f U n c e r t a i n No nl i n e a r S y s t e m s Ag a i n s t Ac t ua t o r Fa u l t s [ J ] ． Co n t r o l Th e o r y a n d Ap p l i c a t i o n ， 2 0 0 9 ，7 3 2 4 82 5 6 ． [ 6] L I P，Y ANG G H．A n Ad a p t i v e F u z z y D e s i g n f o r F a u l t t o l e r a n t C o n t r o l o f MI MO N o n l i n e a r Un c e r t a i n S y s t e ms J ] ． [ 7] [8] [ 9] [ 1 0 3 [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] Co n t r o l Th e o r y a n d Ap p l i c a t io n，2 0 1 1 ，9 5 2 4 42 5 0 ． CH EN B，L I U X P，LI U K F，e t a 1 ．Di r e c t Ad a p t i v e Fu z z y C o n t r o l o f No n l i n e a r S t r i c t f e e d b a c k S y s t e ms [J] ． Au t o ma t i c a ，2 0 0 9，4 5 5 1 5 3 01 5 3 5 ． LI P，J I N F J ． Ad a p t i v e Fu z z y Co n t r o l f o r Un k no wn No n l i n e a r S y s t e ms wi t h P e r t u r b e d De a d z o n e I n p u t s [ J ] ． Ac t a Aut o ma t i c a S i n i c a，2 0 1 0，3 6 4 5 7 3 5 7 9 ． CH EN B，LI U X P，LI U K F，e t a 1 ．Di r e c t Ad a p t i v e Fu z z y Co n t r o l f o r No n l i n e a r S y s t e ms wi t h Ti me Va r y i n g De l a y s 口] ．I n f o r ma t i o n S c i e n c e s ，2 0 1 0 ，1 8 0 3 7 7 6 7 9 2 ． L1 P，YANG G H ．A No v e l Ad a p t i v e Con t r o l Ap p r o a c h f o r No n l i ne a r S t r i c t f e e d b a c k Sy s t e ms Us i n g No n l i n e a r l y P a r a me t e r i s e d F u z z y Ap p r o x i ma t o r s[ J] ． I n t e r n a t i o n a l J o ur na l o f S y s t e ms S c i e n c e，2 01 1 ，4 2 3 5 1 75 2 7 ． CHEN B S， LEE C H ， CHANG Y C． H o 。 Tr a c k i n g De s i g n o f U n c e r t a i n No n l i n e a r SI SO S y s t e ms Ad a p t i v e F u z z y Ap p r o a c h [ J ．I E EE T r a n s ．F u z z y S y s t e m，1 9 9 6 ，4 3 3 2 4 3 ． YANG Y S，Z HOU C J ．Ad a pt i v e Fu z z y Ho o S t a b i l i z a t i o n f o r S t r i c t f e e d ba c k Ca n o n i c a l No n l i n e a r S y s t e ms Vi a B a c k s t e p p i n g a n d S ma l l g a i n Ap p r o a c h [J] ． I E E E Tr a n s a c t i o ns o n Fu z z y S y s t e ms ，2 0 0 5 ，1 3 2 1 0 41 1 4 ． FENG G．A S u r v e y o n Ana l y s i s a n d De s ig n o f M o d e l b a s e d F u z z y C o n t r o l S y s t e ms [ J ] ．I E EE Tr a n s a c t i o n s o n F u z z y S y s t e ms ，2 0 0 6 ，1 4 3 6 76 6 9 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m