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安全控制成就煤化工战略
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修改时间：2009/1/15 14:01:59 浏览次数：4402
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2005年10月底，全球首个煤制烯烃工业化装置工程--神华集团煤制烯烃项目在内蒙古包头市奠基。作为中国最大的采煤和煤化工企业，神华集团借助中国煤制化学品市场快速升温之机，目前即将在内蒙古包头建设完成这个集煤制甲醇、煤制烯烃、发电于一体的综合性化工企业。这一总投资高达16亿美元的国际一流项目对化工流程的自动化控制系统提出了国际一流标准的需求。基于MAV（自动化设备）保护伞协议，霍尼韦尔过程控制部所提供的以新一代过程知识系统Experion PKS C200为主的一系列解决方案，实现了新型煤化工工艺的控制、安全、信息利用的全面集成，为神华集团的能源业务多样化战略提供了有力支持。
美国Nexant公司评论认为："近年来石油和天然气价格的上涨已将使用煤生产化学品的趋势推向了一个战略转折点。"尤其在像中国这样的能源需求迅速增长的发展中国家，更加促使煤制化学品市场快速升温起来。
由于中国拥有丰富的煤炭资源，居世界第三位，成本相对低廉，而中国石油和天然气资源又相对短缺。因此在一定范围内，从石油化工向煤化工转型不但具有发展潜力，更成为国家的能源补充性战略之一。
作为中国最大的采煤和煤化工企业，神华集团借助中国煤制化学品市场快速升温之机，即将在内蒙古包头市建设完成这一集煤制甲醇、煤制烯烃、发电于一体的综合性化工企业--神华包头煤化工公司。神华集团是中国唯一一家以煤炭生产和销售，电力、热力生产和供应，煤制油及煤化工，相关铁路、港口等运输服务为主营业务的大型综合性能源企业，目前拥有29个全资拥有和主要控股的下属机构，以及148,000名员工，并已经连续5年在中国国民经济贡献率中名列煤炭行业榜首。
作为神华集团的独资公司，投资总额高达16亿美元的神华包头在神华集团的规划中将成为后续即将上马的MTP（甲醇制丙稀）、MTO和煤间接液化一系列其他项目的模型示范工厂。针对这样一个庞大复杂的工程项目，神华包头采取了国际流行的具有多家工程、采购和建设（EPC）方的MAV（自动化设备）保护伞协议。首期MAV框架协议合同额为700万美元。经过多方比较与前期论证咨询，用户方最终决定选择霍尼韦尔作为主自动化设备提供商，一家不但能够提供世界最先进水平控制平台的供应商，同时还能监控协调各个工程建设方的服务伙伴。2007年9月15日，双方正式签订供货协议，供货范围包括霍尼韦尔Experion PKS C200控制系统、高性能过程管理站（HPM） I/O、故障安全控制系统FSC、闭路电视监控系统（CCTV）等等，几乎覆盖了框架协议所有合同产品的70％以上，预计2010年年初交付完毕。
挑战关键性目标
用户方的战略目标很清楚，不但要利用自身丰富的煤资源生产高附加值的烯烃产品如聚乙烯、聚丙烯和化肥，也是响应政府号召，从原煤生产转向清洁能源生产，符合国家方针政策的大事情。然而，为保障总体战略的实现，霍尼韦尔要面临的却是实实在在的技术挑战。
首先，作为全球首个煤制烯烃工业化装置工程，神华包头项目的一些重要工艺装置还是首次在中国进入工业化应用。在该项目中，煤经甲醇制烯烃的工艺主要由煤气化制合成气、合成气制取甲醇、甲醇制烯烃三项主要技术组成，即煤经气化过程生成CO和H2(合成气)，然后合成甲醇，再借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，生产低碳烯烃(乙烯和丙烯)。其中，为满足经济规模甲醇制烯烃装置所需的大型煤气化技术、百万吨级甲醇生产技术均成熟可靠，关键是甲醇制烯烃装置技术。目前，世界上具备商业转让条件的甲醇制烯烃技术的有美国环球油品公司和挪威Hydro公司共同开发的甲醇制低碳烯烃(MTO)工艺、德国鲁奇公司的甲醇制丙烯(MTP)工艺、中国科学院大连化学物理研究所的甲醇制低碳烯烃(DMTO)工艺。但是这三种工艺之前都还没有在工业化装置中运行，这是项目前期专家论证中的难点之一，对霍尼韦尔的控制系统来说也是一项新的工程挑战。
另外，从工程项目的规模来看，神华包头项目采用上述的水煤浆气化－合成气－甲醇－烯烃的工艺路线，年产中间产品甲醇180万吨、烯烃60万吨，以及最终产品聚乙烯30万吨、聚丙烯30万吨及其他副产品。在这些主要工艺环节中，杭氧公司的4套6000标准立方米/时的空分单元（ASU）、雪佛龙德士古公司的7套水煤浆气化装置（5套投入运行，2套备用，神华包头可能是雪佛龙德士古公司全球最大的安装项目）、戴维公司的甲醇制备装置、中国科学院大连化学物理研究所的甲醇制低碳烯烃（DMTO）装置、ABB LUMMUS公司的聚乙烯（PE）制备装置，以及陶氏UNIPOL提供的聚丙烯（PP）装置是霍尼韦尔控制系统要面对的主要工艺控制对象。
其中，包括煤处理设备、7套水煤浆气化装置与甲醇制备、甲醇制低碳烯烃（DMTO）等三个联合控制室（UCR），以及净水厂现场控制室（LCR）在内的共四个过程单元DCS I/O数目超过48,000个，安全仪表系统（SIS）的I/O总数超过5,500个。这些系统的自动化程度非常高，过程非常复杂，安全性要求非常高，控制中稍微出现一点差错，就有可能导致化学物质爆炸而危及人员和装置的安全。同时，由于装置各监控点间的逻辑关系和控制相当复杂，安全性要求很高，因此一方面对控制设备的质量和可靠性提出很高的要求，另一方面对控制系统的功能与全面性也提出了很高要求。
打造可靠而灵活的化工流程
现代化的化工流程行业尤其是像煤制烯烃这样的新兴大型化工行业，一方面要求传统的过程控制系统DCS必须稳定可靠，鲁棒性好，能够迅速处理数据和响应各类突发事件，另一方面还要求实现开放的网络连接，灵活的数据采集与一致的数据处理能力，从而与上层的先进控制优化和全厂生产与管理调度提供决策支持。作为霍尼韦尔新一代过程知识系统的核心之一，Experion PKS C200控制系统相比上一代产品，在安全可靠与灵活性方面都有了很大的改进。
位于联合控制室UCR2的空分ASU单元和水煤浆气化单元是整个项目中控制规模最大的装置，I/O点数占所有I/O数目的约1/4，基于控制执行环境CEE，C200控制系统成为能够实现该处常规控制、快速逻辑、顺序和批量控制应用的理想解决方案。集鲁棒性、灵活性和一致性为一体的控制执行环境CEE使现场的各种控制应用实现了确定性、一致性并可靠执行，用户可以通过组态的方式对Experion PKS C200系统进行配置，而无需从头构建系统。
为了满足工艺过程控制所要求的高可靠性，C200控制系统全部采用了控制处理器模件冗余和电源模件冗余。基本控制器与冗余控制器之间的同步对用户完全透明，故障切换时间对应用来说可以忽略不计，更不会中断任何控制，这也是用户感觉C200系统体现较高的冗余可靠性的地方。
另外，为了适应像水煤浆气化装置的高温环境，除尘除渣过程中的恶劣条件，或者是硫磺回收装置的腐蚀性环境，C200控制系统的所有模件不但都可以带电插拔，而且附加了防腐蚀镀层，直接按照在上述过程区域的HPM I/O更是具有很高的安全防护等级。
在系统开放性方面，为了满足用户对现场数据采集、系统集成和数据支持决策的要求，一方面C200系统利用现场总线接口模件FIM提供了与全数字基金会现场总线（FF）H1网络的连接，实现控制器与智能变送器、阀门定位器、流量计、执行机构等现场设备的互连，另一方面则通过FTE网桥模件支持容错以太网FTE解决方案，为Experion服务器同操作站的通信提供了可靠的100Mbps高速以太网连接，最终实现了从底层到上层的开放系统集成。
过程安全的保护神
随着安全标准的推出以及企业对安全系统重视度的不断升级，紧急停车系统(ESD)在化工系统的关键装置上正得到广泛应用，化工生产装置对紧急停车系统的依赖性也越来越强。在神华包头项目中，联合控制室UCR2和UCR3的气化、净化、甲醇、氢回收、MTO、烯烃分离、PP、PE等重要装置都有过程安全保护的需求，安全仪表系统I/O数目超过5,500个。根据上述装置的工作环境特性，选用了霍尼韦尔故障安全控制FSC系统，由它执行安全联锁系统的控制部分，独立于C200控制系统，使安全水平达到IEC提出的SIL3级标准。
经过15年可靠验证的FSC控制系统软硬件均通过IEC的IEC61508认证以及国际专业机构--异常状态管理联盟（ASM）的论证，是一个基于双重或四重化结构的安全控制系统。FSC系统支持最新的2oo4D表决原理，可以实现更高的安全控制与保护等级。在实际运行过程中，FSC将连续监控上述重要装置关键过程的各个变量，随时检查到超出安全运行界限的偏差，一旦发现问题便立即将过程强制到安全状态。
此外，为了防止因FSC安全系统自身故障而导致的不必要过程停车，FSC机柜采用了中央控制元件（Central Part）全冗余，I/O模件部分冗余的系统结构组成该安全联锁系统。这种控制器和重要I/O双冗余的结构，可以保证当一个CP或I/O卡故障时，另一个CP或I/O继续工作，从而保证系统的连续操作。
FSC利用了组态软件强大数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、操作简单、维护容易等特点，为装置事故状态下的安全提供了保证。
随着神华包头项目的成功投运，在今后2～3年内，神华集团计划将陆续建设神华宁煤60万吨/年MTP的MAV项目，榆林100万吨/年MTO、榆林煤间接液化项目、宁夏煤矿间接液化项目和通辽52万吨/年尿素、50万吨/年合成氨工厂项目等。霍尼韦尔的安全与控制平台在成就了神华集团的现代煤化工战略的同时，也将继续保持在这一领域的领先自动化系统提供商地位。
