基于信息總線的煤化工MES平臺(tái)

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(duì)生產(chǎn)原料伴有化學(xué)、物理、相變等變化，變化過程連續(xù)進(jìn)行。原材料按照一定的工藝流程連續(xù)不斷地通過一系列設(shè)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(xù)，生產(chǎn)批量大，前后關(guān)聯(lián)；生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過程涉及多種化學(xué)變化與物理變化；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)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(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)、均衡、高產(chǎn)、低耗和減少污染為主要目標(biāo)。為了達(dá)到該目的，企業(yè)需要通過計(jì)劃調(diào)度、節(jié)能降耗、優(yōu)化操作、先進(jìn)控制等手段使生產(chǎn)制造過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，要達(dá)到流程型企業(yè)的生產(chǎn)目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益最大化，生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息化是至關(guān)重要的。
　　當(dāng)前以節(jié)能降耗為目標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理是上海焦化有限公司在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十一五規(guī)劃”指導(dǎo)思想下發(fā)展的重中之重。將先進(jìn)的現(xiàn)代制造集成信息技術(shù)MES應(yīng)用于上海焦化有限公司的生產(chǎn)流程，使企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境中立于不敗之地。
　　本論文以國(guó)家發(fā)改委重大專項(xiàng)項(xiàng)目“上海焦化有限公司煤化工過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”為背景，主要研究目標(biāo)為建立企業(yè)的MES信息總線平臺(tái)，生產(chǎn)信息集成系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)和處理，連續(xù)跟蹤生產(chǎn)裝置可靠一致的實(shí)時(shí)信息，挖掘生產(chǎn)過程的知識(shí)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(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，將企業(yè)的生產(chǎn)過程、物料移動(dòng)、設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品指標(biāo)等各種數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)并加工成新的信息資源，提供給管理、銷售、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(yīng)瞬息萬變的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，求得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.焦化廠工藝流程概況
　　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(yīng)，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(jié)合起來，使能量利用與配置比較合理。由變換反應(yīng)方程式CO+H2O=CO2+H2+Q可知，該反應(yīng)為一放熱反應(yīng)，放熱量、平衡常數(shù)和CO變換率，隨著反應(yīng)溫度的變化而變化，從平衡轉(zhuǎn)化率考慮，CO變換反應(yīng)宜在較低溫度下進(jìn)行，但反應(yīng)溫度太低，反應(yīng)速度緩慢，提高溫度時(shí)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡有著矛盾的兩個(gè)方面的影響，因此，需要求得該反應(yīng)的最適宜溫度以達(dá)到最大的反應(yīng)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(yīng)后大量CO轉(zhuǎn)化為CO2，酸性氣體量大大增加，為保護(hù)合成催化劑，必須脫除H2S;為使甲醇合成反應(yīng)優(yōu)化進(jìn)行，CO2 應(yīng)被脫除到一定含量（3%左右）。本工藝采用低溫甲醇洗法來去除酸性氣體。低溫甲醇洗脫硫脫碳是一種物理吸收法，由于低溫甲醇對(duì)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(nèi)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(jié)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(duì)設(shè)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(jī)制冷能力大，操作費(fèi)用和總能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，雖然丙烯制冷壓縮機(jī)的耗電量較多，但耗蒸汽，耗冷卻水較少，總的能耗相對(duì)較低。低溫甲醇洗系統(tǒng)需要外加的-40℃級(jí)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
　　從凈化工序來的甲醇合成氣，經(jīng)聯(lián)合壓縮機(jī)的合成氣壓縮段壓縮后，與甲醇聚結(jié)式分離器來的循環(huán)氣混合后，進(jìn)入循環(huán)氣壓縮段，升壓至合成反應(yīng)壓力，送至入塔氣預(yù)熱器預(yù)熱至反應(yīng)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(zhuǎn)化為甲醇，含有未能轉(zhuǎn)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，依次通過脫鹽水預(yù)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(jié)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(xù)分離出少量甲醇后，氣體進(jìn)入聯(lián)合壓縮機(jī)二段進(jìn)口，同時(shí)部分氣體在聚結(jié)式分離器出來連續(xù)排放以維持合成系統(tǒng)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(yīng)器，列管內(nèi)裝填催化劑，甲醇合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量通過列管傳遞到管間的中壓鍋爐水，通過控制所產(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(yīng)溫度的變化相當(dāng)小，所以調(diào)節(jié)汽包壓力能夠較準(zhǔn)確地控制合成塔溫度。
甲醇合成生產(chǎn)出來的粗甲醇，除甲醇外還含有水，不溶性氣體和少量的甲醇合成反應(yīng)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是：三塔精餾流程，預(yù)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(yù)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。