湛江东兴石油企业有限公司三联合气体分馏装置于2009年完成建设工作，年产量30万t。该装置与三联合其他装置一并采用TPS系统进行生产过程监控，较好地实现了工艺生产的要求，本文从设计的角度阐述了气体分馏装置中TPS系统的配置情况，针对装置的实际应用探讨了控制方案的设计和组态。

30万t/a气体分馏装置是湛江东兴石油企业有限公司炼油配套完善工程三联合的一套新建装置。该装置采用常规三塔流程，包括脱丙烷部分、脱乙烷部分、精丙烯部分以及公用工程部分。装置原料液化石油气自催化裂化装置经过脱硫后通过管道输送至装置，或者自罐区通过管道输送至装置。装置主要产品是精丙烯（送至罐区）；副产品包括乙烷气（输送至催化装置或燃料气管网）、丙烷馏分和碳四碳五馏分（混合后送至罐区）。

图2 脱丙烷部分控制流程图

控制系统的设置

作为现代化大型联合炼油装置，设置了三联合装置中心控制室，联合控制室内设置集散控制系统（DCS），实现对三联合装置区内新建装置（催化裂化、产品精制、气体分馏、硫磺回收、溶剂再生及酸性水汽提）及新建公用工程进行集中操作、控制、监视和管理，并在过程控制层设置与工厂管理层的实时数据通信接口设备，为全厂管控一体化（CIMS）的改造、扩容和整合，建立良好的过程控制层网络结构平台，打下坚实的基础。

可燃气体及有毒气体检测报警（GS）采用DCS系统，但接入信号的卡件或控制站独立设置，除了装置的DCS操作站可监视装置内的可燃气体及有毒气体外，三联合中心控制室还设有独立的操作站对全厂的可燃气体及有毒气体进行检测和报警。

图3 脱乙烷部分控制流程图

经过技术和经济方面的评估， TPS系统被选为三联合装置的控制系统。

TPS系统配置

TPS(Total Plant Solution)系统是Honeywell公司开发的全厂一体化的过程控制系统，它集先进过程控制﹑优化﹑全厂历史数据和信息管理功能于一体，使这些功能成为自动化系统的有机组成部分，从而形成了功能强大﹑配置灵活﹑结构开放的自动控制系统。

图4 精丙烯部分控制流程图

TPS系统按照网络结构可以分为三层，包括工厂信息网(PIN)、局域控制网（LCN）、万能控制网UCN。

工厂信息网(PIN)，是管理信息系统(Management Information System)的一个重要组成部分。通过节点GUS、PHD或APP，工厂信息网可以与LCN连接，从而实现管理信息系统与过程控制系统的集成。

局域控制网(LCN)，是TPS系统控制管理网络的主干线，总线拓扑结构，以令牌存取通信控制方式进行链路存取，传输速率5Mbps。每条LCN可以挂接40个LCN模件(称为TPS节点或Node)，经过光缆和LCNE扩展后，挂接的LCN模件数目最多可以达到64个。主要的LCN模件包括GUS、HM等。

图5 脱乙烷塔回流泵控制流程图

万能控制网(UCN)，是以MAP为基础的双重化实时控制网络，采用令牌传送的总线网络，符合IEEE802.4和ISO标准通信协议，支持点对点通信，故障自动切换，传输速率为5Mbps。每条UCN可以挂接32台冗余设备，如HPM、APM、LM、PM等。UCN通过NIM与LCN连接。

气体分馏装置共有输入/输出信号205点，具体信号类型及数量见表1。

根据大型炼油装置联合操作的特点和业主的管理要求，结合TPS系统的功能，气体分馏装置配置了1个操作站(与产品精制装置共用)，1个工程师站(与催化、产品精制装置共用)，1个控制站，3个FTA及安全栅(端子)柜，1个继电器柜，系统配置见图1所示。装置内的仪表都采用防爆型(本安或隔爆)，本安仪表进/出DCS都采用隔离安全栅进行信号隔离，热电偶(mV)信号通过温度变送器型隔离安全栅转换成4~20mADC标准信号后进入DCS，考虑到防雷的因素，所有现场进/出DCS的信号都采用防雷栅与DCS的I/O通道加以隔离，与电气专业的信号交接使用继电器加以隔离。

气体分馏装置TPS主要设备见表2。

主要控制方案设计

气体分馏装置采用常规三塔流程，工艺过程分为脱丙烷部分、脱乙烷部分、精丙烯部分及公用工程部分。主要工艺设备包括脱丙烷塔、脱乙烷塔、精丙烯塔、空冷器、换热器和机泵等。装置的大部分控制回路采用单回路定值控制和串级控制，由DCS系统完成。

图6 脱乙烷塔回流泵火灾联锁系统联锁逻辑框图

1． 脱丙烷部分

从装置外来的液化石油气进入脱丙烷塔进料罐，经脱丙烷塔进料泵送至脱丙烷进料－碳四换热器换热，再经脱丙烷塔进料加热器由100℃热水加热至泡点后，进入脱丙烷塔第31层塔板。碳二、碳三馏分从顶部蒸出，经脱丙烷塔顶空冷器和脱丙烷塔顶后冷器冷凝冷却后，进入脱丙烷塔回流罐。冷凝液一部分用脱丙烷塔回流泵抽出作为脱丙烷塔回流，另一部分用脱乙烷塔进料泵加压后作为脱乙烷塔进料。塔底物料碳四碳五馏分与脱丙烷进料换热后用碳四碳五冷却器冷却至40℃后自压出装置。脱丙烷部分的主要控制回路见图2，包括：

脱丙烷塔进料罐液位与脱丙烷塔进料——碳四换热器壳层入口流量构成串级控制。

图7 脱乙烷塔进料流量比值控制流程图

脱丙烷塔进料加热器壳层出口温度与其管层入口热水流量构成串级控制。

脱丙烷塔各床层温度（多支热电偶的输入切换）与脱丙烷塔重沸器管层入口1.0MPa蒸汽流量构成串级控制。

图8 比值控制回路组态框图

脱丙烷塔塔底液位与塔底出口流量构成串级控制。

为了塔的平稳操作，保证分馏塔的产品质量。脱丙烷塔设有塔顶压力控制，采用三通热旁路控制，增大或降低塔顶气相冷凝量，达到稳定塔顶压力的目的。当脱丙烷塔压力过高时，还可进一步通过不凝气的排放来降低压力。本次设计方案中，三通阀实际由二个直通调节阀代替，在操作和安装上都更加灵活。

图9 脱丙烷塔塔顶压力分程控制系统流程图

2．脱乙烷部分

脱乙烷塔进料从脱丙烷塔回流罐抽出经脱乙烷塔进料泵加压后进入脱乙烷塔第21层塔板。塔顶碳二、碳三气体经脱乙烷塔顶冷凝器部分冷凝后，进入脱乙烷塔回流罐。不凝气自脱乙烷塔回流罐顶经压控阀送至燃料气管网，或至催化裂化装置吸收塔重新回收丙烯。冷凝液用脱乙烷塔回流泵送回脱乙烷塔顶全部作为回流。脱乙烷塔底物料自压至精丙烯塔A第135层塔板，作为精丙烯塔进料。脱乙烷部分的主要控制回路见图3，包括：

脱丙烷塔回流罐液位与脱乙烷塔进料流量构成串级控制；脱乙烷塔进料与脱乙烷塔重沸器管层入口热水流量构成比值控制。

图10 分程控制回路组态框图

脱乙烷塔底液位与塔底出口流量构成串级控制；塔底出口流量与精丙烯塔重沸器A与B管层入口热水流量构成比值控制。

脱乙烷塔回流罐液位与脱乙烷塔回流流量构成串级控制。

图11 脱丙烷塔塔底温度选择控制流程图

对于脱乙烷塔顶塔顶的压力控制，由于脱乙烷塔顶的不凝气较多，直接通过排放不凝气控制塔顶压力。

3．精丙烯部分

精丙烯塔分为两塔串联操作。精丙烯塔A塔底丙烷馏分经丙烷冷却器冷却至40℃与碳四碳五馏分混合后自压送出装置。塔顶气体进入精丙烯塔B底部，精丙烯塔B底部液体由精丙烯塔中间泵送回精丙烯塔A顶部作为回流。精丙烯塔B顶部气体经精丙烯塔顶空冷器和精丙烯塔顶后冷器冷凝冷却后，进入精丙烯塔回流罐，冷凝液一部分用精丙烯塔回流泵从精丙烯塔回流罐抽出后送回精丙烯塔B顶部作为回流；另一部分经精丙烯送出泵加压送至丙烯冷却器冷却至40℃后送出装置。精丙烯部分的主要控制回路见图4，包括：

脱乙烷塔底出口流量与精丙烯塔重沸器A、B管层入口热水流量构成比值控制。

图12 “选择＋串级”控制回路组态框图

精丙烯塔回流罐气相入口丙烯含量分析与精丙烯塔B返塔流量构成串级控制，控制产品质量。

精丙烯塔回流罐液位与塔底出口精丙烯流量构成串级控制。

精丙烯塔A塔底液位与塔底出口丙烷流量构成串级控制。

分馏塔的压力恒定与否，对塔的平稳操作有很大影响，只有在压力稳定的条件下，才能保证分馏塔的产品质量。精丙烯塔采用三通热旁路控制，增大或降低塔顶气相冷凝量，达到稳定塔顶压力的目的。本次设计方案中，三通阀实际由二个直通调节阀代替。

4．火灾与安全

针对石油化工生产高温高压，易燃易爆的特点，为了保证火灾发生时能够迅速切断原料和产品的供给，把事故限定在最小范围，本设计在脱丙烷塔进料泵、脱丙烷塔回流泵、脱乙烷塔回流泵、精丙烯塔中间泵、精丙烯塔回流泵及精丙烯塔送出泵的入口均设置火灾联锁切断阀。操作人员在现场或DCS上关闭切断阀，DCS系统将按照组态好的逻辑关系将停泵信号送至电气专业停泵。以脱乙烷塔回流泵火灾联锁系统为例，控制流程图见图5，联锁逻辑框图见图6。

几种控制方案的实现

1.比值控制

FRC2001是脱乙烷塔进料流量控制回路，FRC2003是脱乙烷塔重沸器管程入口热水流量控制回路，控制方案要求热水流量应与进料流量组成比值控制，控制流程图见图7。

这是一个典型的双闭环比值控制系统，其特点是由于有两个流量闭环回路，可以克服各自的外界干扰，使主、副流量都比较平稳，而流量间的比值可以通过比值计算器实现，保证了两流量的比值恒定，使进入系统的总负荷平稳。

根据控制流程图，可以建立比值控制回路的组态框图，见图8。

第一步，建立I/O“硬”点，即数据点。组态内容见表3。

第二步，组态“软”点，即控制方案。建立两个常规控制点(PID算法)，分别用于实现流量控制；建立一个常规控制点(RATIO CTL算法)和一个常规PV点(CALCULATOR算法)，用于实现比值计算。组态内容见表4。

2.分程控制

为了塔的平稳操作，保证分馏塔的产品质量，脱丙烷塔设有塔顶压力控制PRC1001，采用三通热旁路控制，增大或降低塔顶气相冷凝量，达到稳定塔顶压力的目的, 三通阀实际由二个直通调节阀(PV1001A，PB1001B)代替。当脱丙烷塔压力过高时，则进一步通过不凝气的排放(PV1001C)来降低压力。控制流程图见图9。

这是一个分程控制系统，特点是PV1001A、PV1001B在同一分程区间内利用不同的作用型式实现相反的操作过程，而PV1001C则在另一分程区间内操作。

根据控制流程图，可以建立分程控制回路的组态框图，见图10。

第一步，建立数据点。组态内容见表5。

第二步，建立一个常规控制点 (PID算法)PRC1001，用于实现压力控制；建立两个常规PV点(GENLINE算法)GEN1001A和GEN1001C，用于实现分程功能；建立三个常规控制点 (AUTOMAN算法) P1001A、P1001B、P1001C，用于实现三个调节阀的手操功能；而逻辑点LOGIC1001的作用是用于连接输入和输出。

该回路组态的重点在于常规PV点内线性化算法的组态和逻辑点的组态。线性化算法的组态根据图中调节阀分程动作的情况填写输入和输出；逻辑点内填好输入和输出后，把输出的允许控制位直接写为“1”(TRUE)即可。

3.“选择＋串级”控制

TRC1002是脱丙烷塔T33001塔底气相温度调节，FRCQ1005是脱丙烷塔重沸器E33002B管程入口1.0MPa蒸汽流量调节。控制方案要求脱丙烷塔各床层温度（TRC1002、TR1007~1009切换）与脱丙烷塔重沸器管程入口1.0MPa蒸汽流量（FRC1005）构成串级控制。控制流程图见图11。

这是一个“选择控制＋串级控制”的控制系统，主回路TRC-1002的测量值在4个温度测量值间由操作员手动选择，主回路的输出作为流量副回路FRC-1005的设定值。

根据控制流程图，可以建立比值控制回路的组态框图，见图12。第一步，建立数据点。组态内容见表6。第二步，建立两个常规控制点(PID算法)，分别用于实现温度控制和流量控制；建立一个常规控制点(SWITCH CTL算法)，用于实现选择功能。组态内容见表7。

总结

作为在一套技术成熟的分散控制系统产品，TPS系统投运以来，取得了令人满意的效果：

控制效果良好，满足了工艺的生产控制要求，为企业创造了经济效益；

提供报表功能，可以生成班报表、日报表和特殊定制报表等，方便了生产管理；

提供历史数据采集功能，为事故分析和优化操作提供了帮助；

降低了劳动强度，减少了该装置操作人员的数量，节约了人工成本；

“填表”式的组态方法易于掌握，系统维护方便；

提供了与管理信息网的接口，为管控一体化的实现打下坚实的基础，有利于管理者了解装置的运行情况，并及时根据经营状况对生产作出调整，实现企业经济效益的最大化。

参考文献：

[1]王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M].2版.北京：化学工业出版社，1996
[2]陆德民，等.石油化工自动控制设计手册.[M].化学工业出版社，2001