煤化工行業(yè)中，供煤、空分、造氣、合成、脫硫等過程都包含在一個(gè)個(gè)車間中，比如典型的焦化廠一般有備煤車間、煉焦車間、回收車間、焦?fàn)t氣焦油加工車間、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

1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(duì)密度、外形及物理性狀方面的差異加以分離，同時(shí)，降低原煤中的無機(jī)硫含量，以滿足不同用戶對(duì)煤炭質(zhì)量的指標(biāo)要求。

由于洗煤廠動(dòng)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(duì)于提高洗煤過程的自動(dòng)化，減輕工人的勞動(dòng)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(dòng)/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(duì)每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)啟動(dòng)或停止；當(dāng)設(shè)置為聯(lián)鎖狀態(tài)時(shí)，按下啟動(dòng)按紐，設(shè)備順序啟動(dòng)，后一設(shè)備的啟動(dòng)以前一設(shè)備的啟動(dòng)為條件（設(shè)備間的延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間可設(shè)置），如果前一設(shè)備未啟動(dòng)成功，后一設(shè)備不能啟動(dòng)，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(tái)設(shè)備故障停止，例如設(shè)備2停止，則系統(tǒng)會(huì)把設(shè)備3和設(shè)備4停止，但設(shè)備1保持運(yùn)行。

2、焦?fàn)t與冷鼓

（回流煉焦裝置為例，其工藝流程簡(jiǎn)介如下）

工藝描述

以100萬噸/年-144孔-雙爐-4集氣管-1個(gè)大回流煉焦裝置

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(gè)工段。這兩個(gè)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(zhǎng)距離走線，設(shè)置一個(gè)冷鼓遠(yuǎn)程站及給水遠(yuǎn)程站，以使儀表線能現(xiàn)場(chǎng)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(gè)站之間有著重要的聯(lián)鎖及其排隊(duì)關(guān)系，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式便于可以實(shí)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(diǎn)，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(gè)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)是：瞬態(tài)變化大，調(diào)節(jié)時(shí)互相產(chǎn)生耦合，本控制算法設(shè)計(jì)有一個(gè)解耦算法，可減少或消除耦合，以保證各個(gè)單回路系統(tǒng)能獨(dú)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(bào)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(gè)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(shí)不存在時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)期，控制曲線呈現(xiàn)脈沖狀，這是因?yàn)榭刂葡到y(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(dòng)態(tài)性能要好于調(diào)節(jié)閥，然而，最新設(shè)計(jì)的百萬噸級(jí)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(duì)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(dòng)期的偏差控制范圍是±50Pa，但時(shí)間持續(xù)較短，完全可以滿足工藝上的要求。

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

3、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

鼓風(fēng)冷凝工段流程圖

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(gè)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(cè)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(shí)現(xiàn)：采用常規(guī)的PID控制即可。

脫硫及硫回收工段主要有三個(gè)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(gè)控制回路和一個(gè)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(shí)候，切斷入管式爐的煤氣，等到其煤氣壓力高于2.0kPa的時(shí)候，再打開入管式爐的煤氣。

出管式爐富油溫度串級(jí)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(jí)調(diào)節(jié)，以減少蒸汽壓力波動(dòng)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(jí)調(diào)節(jié)，以減少蒸汽壓力波動(dòng)的干擾。

另外實(shí)際生產(chǎn)過程中，蒸汽壓力會(huì)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(jí)調(diào)節(jié)中增加一個(gè)切換，當(dāng)塔內(nèi)壓力大于某一值的時(shí)候，改為以塔壓作為調(diào)節(jié)對(duì)象。

4、蒸氨

工藝概述

蒸氨工段主要完成對(duì)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

5、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(diǎn)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(duì)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(jí)控制來實(shí)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(shí)引入進(jìn)料流量進(jìn)行前饋控制，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)塔釜的溫度控制，由于蒸汽的加入量對(duì)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(gè)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(jí)控制，當(dāng)塔壓過高時(shí)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�，由于塔的進(jìn)料量和其組成是主要干擾因素，由于5個(gè)塔是前后串聯(lián)的，前一個(gè)塔的出料是后一個(gè)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

6、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：?jiǎn)嗡�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(jí)控制，T2為爐膛溫度，作為串級(jí)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(zhǎng),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(dòng)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。

7、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(shí)也穩(wěn)定了塔底溫度，該環(huán)節(jié)采用串級(jí)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

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(shì)圖中可以看出，其它相關(guān)工藝也運(yùn)行平穩(wěn)。