基于信息總線(xiàn)的煤化工MES平臺

1.引言
　　流程工業(yè)的生產(chǎn)制造，泛指化工、煉油、石化、冶金、造紙、電力等原材料加工和能源工業(yè)行業(yè)，其特點(diǎn)是對生產(chǎn)原料伴有化學(xué)、物理、相變等變化，變化過(guò)程連續進(jìn)行。原材料按照一定的工藝流程連續不斷地通過(guò)一系列設備和裝置，被加工處理成產(chǎn)品。和離散的制造業(yè)相比，流程工業(yè)的生產(chǎn)制造具有一些特殊性，如生產(chǎn)流程連續，生產(chǎn)批量大，前后關(guān)聯(lián)；生產(chǎn)工藝復雜，生產(chǎn)過(guò)程涉及多種化學(xué)變化與物理變化；產(chǎn)品結構復雜，會(huì )產(chǎn)生大量副產(chǎn)品和中間產(chǎn)品等。流程型企業(yè)生產(chǎn)制造必須以安全、穩定、長(cháng)周期、滿(mǎn)負荷、優(yōu)質(zhì)、均衡、高產(chǎn)、低耗和減少污染為主要目標。為了達到該目的，企業(yè)需要通過(guò)計劃調度、節能降耗、優(yōu)化操作、先進(jìn)控制等手段使生產(chǎn)制造過(guò)程實(shí)現實(shí)時(shí)優(yōu)化，以獲得最大的經(jīng)濟效益。由此可見(jiàn)，要達到流程型企業(yè)的生產(chǎn)目標和經(jīng)濟效益最大化，生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)信息化是至關(guān)重要的。
　　當前以節能降耗為目標的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理是上海焦化有限公司在國民經(jīng)濟發(fā)展“十一五規劃”指導思想下發(fā)展的重中之重。將先進(jìn)的現代制造集成信息技術(shù)MES應用于上海焦化有限公司的生產(chǎn)流程，使企業(yè)在競爭的市場(chǎng)環(huán)境中立于不敗之地。
　　本論文以國家發(fā)改委重大專(zhuān)項項目“上海焦化有限公司煤化工過(guò)程綜合自動(dòng)化系統高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”為背景，主要研究目標為建立企業(yè)的MES信息總線(xiàn)平臺，生產(chǎn)信息集成系統，對生產(chǎn)數據進(jìn)行協(xié)調和處理，連續跟蹤生產(chǎn)裝置可靠一致的實(shí)時(shí)信息，挖掘生產(chǎn)過(guò)程的知識模型，建立動(dòng)態(tài)物耗能耗模型，將能源損耗與生產(chǎn)實(shí)時(shí)工況結合起來(lái)，實(shí)現優(yōu)化運行，將企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程、物料移動(dòng)、設備狀態(tài)、產(chǎn)品指標等各種數據采集、存儲并加工成新的信息資源，提供給管理、銷(xiāo)售、技術(shù)、操作等各層次人員，幫助他們做出有利于生產(chǎn)要素優(yōu)化組合的決策，使企業(yè)能適應瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)競爭環(huán)境，求得最大的經(jīng)濟效益。

2.焦化廠(chǎng)工藝流程概況
　　上海焦化有限公司的主要生產(chǎn)原料為煤，產(chǎn)品主要有城市煤氣、焦碳及其化工產(chǎn)品、甲醇（CH3OH）、一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、液氧和液氮，如圖1所示。本論文所涉及的焦化工藝流程只涉及生產(chǎn)甲醇的部分。
　　上海焦化有限公司碳一分公司甲醇工藝過(guò)程可分為三個(gè)部分：一氧化碳變換部分，脫硫脫碳部分，壓縮合成精餾部分。

圖1上海焦化生產(chǎn)流程圖

2.1一氧化碳變換部分
　　進(jìn)入工序中的煤氣是來(lái)自前面的德士古爐的。煤氣在催化劑QCS-01作用下進(jìn)行CO變換反應，以廢鍋方式回收較高能位的廢熱，副產(chǎn)蒸汽；低能位廢熱經(jīng)一系列換熱器回收利用，工藝上將廢熱回收與冷凝液處理及鍋爐的生產(chǎn)結合起來(lái)，使能量利用與配置比較合理。由變換反應方程式CO+H2O=CO2+H2+Q可知，該反應為一放熱反應，放熱量、平衡常數和CO變換率，隨著(zhù)反應溫度的變化而變化，從平衡轉化率考慮，CO變換反應宜在較低溫度下進(jìn)行，但反應溫度太低，反應速度緩慢，提高溫度時(shí)反應速度和化學(xué)平衡有著(zhù)矛盾的兩個(gè)方面的影響，因此，需要求得該反應的最適宜溫度以達到最大的反應程度。
2.2脫硫脫碳部分
　　該部分又分為低溫甲醇洗和丙烯制冷部分。由于德士古煤氣中含有CO2、H2S等酸性氣體，經(jīng)變換反應后大量CO轉化為CO2，酸性氣體量大大增加，為保護合成催化劑，必須脫除H2S;為使甲醇合成反應優(yōu)化進(jìn)行，CO2 應被脫除到一定含量（3%左右）。本工藝采用低溫甲醇洗法來(lái)去除酸性氣體。低溫甲醇洗脫硫脫碳是一種物理吸收法，由于低溫甲醇對H2S、CO2的吸收具有溶解度大 ，選擇性高的特點(diǎn)，因此，低溫甲醇洗法能在同一塔內分段吸收H2S和CO2，這比通常的分步脫硫脫碳具有流程短，動(dòng)力消耗少，凈化度高等優(yōu)點(diǎn)。富甲醇的再生，利用低溫下CO、H2、N2等在甲醇中溶解度小的原理，經(jīng)節流膨脹減壓閃蒸脫除溶解氣體后，再利用N2氣提脫除CO2，最后通過(guò)蒸餾熱再生脫除酸性氣體，并進(jìn)行水分的分離脫除。由于在低溫下操作，因此對設備、管道的材質(zhì)加工有一定的技術(shù)要求，還需為低溫甲醇洗部分配置致冷單元，這里選用的是丙烯制冷。
　　丙烯制冷與氨制冷相比具有單機制冷能力大，操作費用和總能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，雖然丙烯制冷壓縮機的耗電量較多，但耗蒸汽，耗冷卻水較少，總的能耗相對較低。低溫甲醇洗系統需要外加的-40℃級別的冷量，制冷單元提供的制冷劑為-20℃，0.385MPa(G)丙烯液體，在換熱器中膨脹蒸發(fā)，變成壓力為0.04MPa(G)，溫度為—40℃的丙烯氣體。
2.3壓縮合成精餾部分
　　從凈化工序來(lái)的甲醇合成氣，經(jīng)聯(lián)合壓縮機的合成氣壓縮段壓縮后，與甲醇聚結式分離器來(lái)的循環(huán)氣混合后，進(jìn)入循環(huán)氣壓縮段，升壓至合成反應壓力，送至入塔氣預熱器預熱至反應溫度后，由頂部進(jìn)入甲醇合成塔，在甲醇合成塔列管中充填催化劑的作用下，部分CO、CO2和H2轉化為甲醇，含有未能轉化的氣體和粗甲醇的出口氣被甲醇合成入口氣逆流冷卻到甲醇露點(diǎn)溫度以下，依次通過(guò)脫鹽水預熱器、循環(huán)水冷卻器后，在分離器中進(jìn)行氣液分離，氣體進(jìn)入甲醇聚結式分離器，在分離器下層分離出一部分甲醇液體，然后進(jìn)入上層繼續分離出少量甲醇后，氣體進(jìn)入聯(lián)合壓縮機二段進(jìn)口，同時(shí)部分氣體在聚結式分離器出來(lái)連續排放以維持合成系統中惰性氣體為一定值，這股馳放氣部分與閃蒸氣一起用于開(kāi)工加熱爐作燃料，多余氣體送至城市煤氣管網(wǎng)；而上、下兩層甲醇液體則和甲醇分離器分離處的甲醇一起進(jìn)入閃蒸槽，經(jīng)閃蒸槽閃蒸出溶解在甲醇中的大部分氣體后，送到甲醇精餾工序。
　　甲醇合成塔是一列管式均溫反應器，列管內裝填催化劑，甲醇合成反應產(chǎn)生的熱量通過(guò)列管傳遞到管間的中壓鍋爐水，通過(guò)控制所產(chǎn)生飽和蒸汽的壓力而使甲醇合成塔列管中的溫度保持一定。由于飽和蒸汽壓力的較大變化所引起的相應溫度的變化相當小，所以調節汽包壓力能夠較準確地控制合成塔溫度。
甲醇合成生產(chǎn)出來(lái)的粗甲醇，除甲醇外還含有水，不溶性氣體和少量的甲醇合成反應副產(chǎn)物。精餾的目的是要利用精餾的方法除去這些雜質(zhì)而提高甲醇產(chǎn)品質(zhì)量，得到產(chǎn)品精甲醇。
　　精餾工序采用的工藝路線(xiàn)是：三塔精餾流程，預精餾塔中脫除不凝性氣體和低沸點(diǎn)副產(chǎn)物，在加壓塔、常壓塔和廢水汽提塔中脫除高沸點(diǎn)副產(chǎn)物和水。預精餾塔、加壓塔和廢水汽提塔塔底再沸器的熱源是低壓蒸汽。常壓塔塔底再沸器實(shí)際上是加壓塔塔頂冷凝器，利用加壓塔甲醇蒸汽冷凝放出的潛熱加熱常壓塔塔底液體。