基于信息總線的煤化工MES平臺

1.引言
　　流程工業的生產制造，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行業，其特點是對生產原料伴有化學、物理、相變等變化，變化過程連續進行。原材料按照一定的工藝流程連續不斷地通過一系列設備和裝置，被加工處理成產品。和離散的制造業相比，流程工業的生產制造具有一些特殊性，如生產流程連續，生產批量大，前后關聯；生產工藝復雜，生產過程涉及多種化學變化與物理變化；產品結構復雜，會產生大量副產品和中間產品等。流程型企業生產制造必須以安全、穩定、長周期、滿負荷、優質、均衡、高產、低耗和減少污染為主要目標。為了達到該目的，企業需要通過計劃調度、節能降耗、優化操作、先進控制等手段使生產制造過程實現實時優化，以獲得最大的經濟效益。由此可見，要達到流程型企業的生產目標和經濟效益最大化，生產過程的實時信息化是至關重要的。
　　當前以節能降耗為目標的生產過程優化運行、優化控制與優化管理是上海焦化有限公司在國民經濟發展“十一五規劃”指導思想下發展的重中之重。將先進的現代制造集成信息技術MES應用于上海焦化有限公司的生產流程，使企業在競爭的市場環境中立于不敗之地。
　　本論文以國家發改委重大專項項目“上海焦化有限公司煤化工過程綜合自動化系統高技術產業化示范工程”為背景，主要研究目標為建立企業的MES信息總線平臺，生產信息集成系統，對生產數據進行協調和處理，連續跟蹤生產裝置可靠一致的實時信息，挖掘生產過程的知識模型，建立動態物耗能耗模型，將能源損耗與生產實時工況結合起來，實現優化運行，將企業的生產過程、物料移動、設備狀態、產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、銷售、技術、操作等各層次人員，幫助他們做出有利于生產要素優化組合的決策，使企業能適應瞬息萬變的市場競爭環境，求得最大的經濟效益。

2.焦化廠工藝流程概況
　　上海焦化有限公司的主要生產原料為煤，產品主要有城市煤氣、焦碳及其化工產品、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上海焦化生產流程圖

2.1一氧化碳變換部分
　　進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作用下進行CO變換反應，以廢鍋方式回收較高能位的廢熱，副產蒸汽；低能位廢熱經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結合起來，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行，但反應溫度太低，反應速度緩慢，提高溫度時反應速度和化學平衡有著矛盾的兩個方面的影響，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化進行，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，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，動力消耗少，凈化度高等優點。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，最后通過蒸餾熱再生脫除酸性氣體，并進行水分的分離脫除。由于在低溫下操作，因此對設備、管道的材質加工有一定的技術要求，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點，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，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，經聯合壓縮機的合成氣壓縮段壓縮后，與甲醇聚結式分離器來的循環氣混合后，進入循環氣壓縮段，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溫度以下，依次通過脫鹽水預熱器、循環水冷卻器后，在分離器中進行氣液分離，氣體進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，然后進入上層繼續分離出少量甲醇后，氣體進入聯合壓縮機二段進口，同時部分氣體在聚結式分離器出來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工加熱爐作燃料，多余氣體送至城市煤氣管網；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入閃蒸槽，經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副產物。精餾的目的是要利用精餾的方法除去這些雜質而提高甲醇產品質量，得到產品精甲醇。
　　精餾工序采用的工藝路線是：三塔精餾流程，預精餾塔中脫除不凝性氣體和低沸點副產物，在加壓塔、常壓塔和廢水汽提塔中脫除高沸點副產物和水。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。