近年來隨著石油資源的有限性、供給和需求的失衡，以及國際油價(jià)的持續(xù)高漲，各國都在積極尋求替代的能源資源，作為介于煤炭和石油之間儲量巨大的固體化石燃料——油母頁巖，可在650℃左右干餾后制取人造石油——頁巖油。頁巖油性能優(yōu)越、用途廣泛，可作為石油加工及化工生產(chǎn)的原料，也可根據(jù)需要調(diào)和生產(chǎn)船用燃料油。
1 工藝簡介
頁巖煉油工藝主要由原料凈化及出渣單元、干餾單元、油回收單元、脫硫單元、成品油儲運(yùn)系統(tǒng)等組成（如圖1、圖2所示）。
油頁巖來自露天礦6~50mm的成品礦，經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)送至成品礦儲倉，再經(jīng)倉底皮帶通過轉(zhuǎn)運(yùn)站凈化后運(yùn)送至干餾爐上部料倉，通過上料裝置送入干餾爐進(jìn)行干餾。干餾處理后油品收集至成品油庫儲存、裝車及外銷，油頁巖干餾渣經(jīng)爐底皮帶運(yùn)送至排渣場。
圖 1 頁巖煉油（全循環(huán)）工藝
圖 2 油回收工藝
2 系統(tǒng)配置
DCS負(fù)責(zé)完成煉油過程的數(shù)據(jù)采集、過程控制、安全報(bào)警、安全聯(lián)鎖停車等任務(wù)。通過合理的工段劃分，配置相應(yīng)的控制站來完成上述功能。另外，全廠設(shè)置中央調(diào)度室，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將各裝置控制室的控制系統(tǒng)連接起來，將各裝置控制室的重要信息送至中央調(diào)度室。在中央調(diào)度室可以對全廠生產(chǎn)裝置進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)度。各裝置控制室可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)調(diào)用其它裝置控制室的信息，實(shí)現(xiàn)信息資源共享和全場一體化管理。同時(shí)，通過中央調(diào)度室的上位計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全廠優(yōu)化控制。
UW500集散控制系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別是管理網(wǎng)絡(luò)MNet、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNet、控制網(wǎng)絡(luò)CNet。CNet連接各個(gè)功能模件；SNet采用工業(yè)以太網(wǎng)，可連接多套控制站，或多臺操作站/工程師站，并通過MNet可連接MES/ERP（如圖3所示）。
圖3 UW500集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
3 控制策略
3.1 干餾爐的控制
本工藝干餾爐內(nèi)無內(nèi)燃裝置，無空氣進(jìn)入，干餾所需熱量全部由循環(huán)瓦斯供給。經(jīng)預(yù)熱干餾的油頁巖從上部進(jìn)入干餾爐。干餾爐內(nèi)設(shè)有與油頁巖顆粒大小相適應(yīng)的布料花墻和布?xì)饨Y(jié)構(gòu)。700℃熱循環(huán)瓦斯均衡連續(xù)送入干餾爐中部。干餾完的半焦排入水封的半焦池，冷卻至80℃用刮板排出爐外。干餾爐內(nèi)最高溫度控制在550℃以下，既保證了油頁巖的完全干餾，又避免了過熱、結(jié)焦等問題的發(fā)生[4]。干餾爐上面緩沖倉，采用雙閘板放料，作為油頁巖的干燥室。一來減少入爐頁巖水分，減輕回收系統(tǒng)負(fù)荷；二來提高了干餾爐效率。
UW500是基于多領(lǐng)域工程對象模型的控制工程設(shè)計(jì)開發(fā)平臺（如圖4所示），通過建立典型控制工程模型庫（靜動態(tài)模型與工藝數(shù)據(jù)）、控制方法庫（設(shè)備控制及過程優(yōu)化算法與運(yùn)行參數(shù)）、顯示界面庫（顯示與操作面板），逐級構(gòu)建基礎(chǔ)元件、單元設(shè)備、行業(yè)裝備的多領(lǐng)域描述模型庫，以重用的方式“搭建”裝備模型，以重構(gòu)的模式“構(gòu)建”運(yùn)行程序，通過對抽象、孤立、松散的數(shù)據(jù)（常數(shù)、參數(shù)、變量等）、函數(shù)（計(jì)算、語義等）、圖形（線條、多邊形、色塊等）進(jìn)行多領(lǐng)域統(tǒng)一建模，構(gòu)建起緊密關(guān)聯(lián)并具有物理意義的工程對象模型、工程控制策略、顯示操作面板，實(shí)現(xiàn)控制工程設(shè)計(jì)編程的形象直觀與高效穩(wěn)定。
圖4 工程對象模型
在本項(xiàng)目中，干餾爐被抽象為一種工程對象模型，干餾爐的畫面、操作面板、算法、相關(guān)工藝的歷史數(shù)據(jù)記錄自然的相互關(guān)聯(lián)。對于每個(gè)干餾爐某段時(shí)間的生產(chǎn)效果可以被系統(tǒng)根據(jù)組態(tài)好的判斷算法或者人為來評判。干餾爐的控制學(xué)習(xí)算法會依據(jù)干餾爐模型的工藝歷史數(shù)據(jù)自動逐步調(diào)節(jié)當(dāng)前的工藝參數(shù)，去獲得最佳的工況。
通過一周的調(diào)試，算法投到自動后，20臺干餾爐運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，油收率為90％以上[5]。智能的干餾爐模型在集群狀態(tài)下（20臺干餾爐之間相互學(xué)習(xí)）會有更快的反應(yīng)速度和更好控制效果。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證的干餾爐模型可以在以后的項(xiàng)目里重復(fù)使用。
3.2 加熱爐的控制
格子磚式加熱爐形狀為直立圓筒型，爐內(nèi)以耐火磚墻分割為蓄熱室和燃燒室兩部分，蓄熱室占全爐截面積的70%。燃燒室下部有干餾氣燃燒器，燃燒干餾氣和空氣在此處混合后噴入燃燒室燃燒以加熱格子磚。
首先將燃燒干餾氣和空氣在爐內(nèi)燃燒，熱煙氣通過蓄熱室，將格子磚加熱到一定溫度，然后切斷燃燒干餾氣和空氣，通入冷循環(huán)干餾氣，使之與格子磚換熱形成熱循環(huán)干餾氣，作為補(bǔ)充熱源進(jìn)入干餾爐。當(dāng)循環(huán)干餾氣溫度下降一定程度后，切斷循環(huán)干餾氣，再通入燃燒干餾氣和空氣，重新燃燒以加熱格子磚。如此循環(huán)加熱、換熱，一小時(shí)進(jìn)行一次切換，達(dá)到為干餾爐提供熱循環(huán)干餾氣的目的。一組干餾爐配備三臺加熱爐，采用兩燒一送臺供熱機(jī)制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。
格子磚式加熱爐采用UW500順控圖邏輯（如圖5所示），全程自動化控制，供給干餾爐的熱干餾氣溫度控制在650℃±5℃區(qū)間，熱效率可達(dá)70%以上。
圖5 加熱爐順控邏輯
3.3 油回收單元溫度控制
干餾氣自集合管進(jìn)氣液分離器，進(jìn)行氣液分離。氣液分離后干餾氣進(jìn)入旋噴塔用冷循環(huán)池來的冷循環(huán)洗滌水噴淋降溫、除塵；冷卻后的干餾氣進(jìn)間冷器繼續(xù)冷卻，而后被電捕油器進(jìn)一步脫出頁巖油霧。氣液分離器中的冷凝液進(jìn)入熱循環(huán)池，在水池內(nèi)油水分層。冷循環(huán)池、熱循環(huán)池中頁巖油到頁巖油池后經(jīng)中間油泵抽送至立式油水分離槽進(jìn)一步分離油水，分離后頁巖油自流到頁巖油中間罐，用油泵送到成品油罐儲存。在油回收流程里，關(guān)鍵是控制住各個(gè)關(guān)鍵工藝位置的溫度[6]，如表所示。
表1 溫度控制點(diǎn)
UW500提供PID參數(shù)自整定功能，在顯示畫面上，對每一個(gè)過程參數(shù)都提供一個(gè)調(diào)整窗口，該窗口顯示每一塊儀表的所有信息，對于控制回路，可顯示過程變量（PV）、輸出值（MV）、設(shè)定值（SV）、運(yùn)行方式、高低限值、報(bào)警狀態(tài)、工程單位、調(diào)節(jié)參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)以及與PID有關(guān)的參數(shù)值，每一參數(shù)調(diào)整畫面均有實(shí)時(shí)趨勢畫面，用戶可以在該畫面上仿真PID參數(shù)，方便用戶對PID參數(shù)的調(diào)整。
UW500提供的PID參數(shù)自整定功能，減少了操作量，很好的保證了常規(guī)控制的控制效果。
3.4 油品儲運(yùn)自動化
油品儲運(yùn)系統(tǒng)分管理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。
管理系統(tǒng)包括提貨單管理、任務(wù)單管理、操作數(shù)據(jù)處理、權(quán)限管理、報(bào)表管理等功能。它由服務(wù)器端和客戶端組成，提貨單數(shù)據(jù)由它下載給監(jiān)控系統(tǒng)，并從監(jiān)控系統(tǒng)讀取最終數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫中。它可提供SAP/ERP接口，相關(guān)提貨單信息可以直接通過SAP/ERP傳給管理系統(tǒng)服務(wù)器[7]。
監(jiān)控系統(tǒng)主要提供各種裝車過程中的監(jiān)視、控制功能。在操作站上可對整個(gè)汽車的定量裝車的工藝參數(shù)和現(xiàn)場泵、流量計(jì)、閥、液位開關(guān)、裝車鶴位等設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)也可以通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議與其它子系統(tǒng)集成，如稱重系統(tǒng)、讀卡器、批控儀(數(shù)據(jù)交換單元)和ESD等子系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)提供友好，靈活的人機(jī)交互界面。
油品儲運(yùn)自動化解決方案實(shí)現(xiàn)了各作業(yè)子系統(tǒng)之間的信息交換和數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)管理的自動化,為生產(chǎn)管理提供了有效的技術(shù)保障。
4. 運(yùn)行效果
優(yōu)穩(wěn)公司設(shè)計(jì)的DCS系統(tǒng)在頁巖油煉制過程中成功實(shí)施應(yīng)用，已實(shí)現(xiàn)全流程、
連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，控制效果如下：
1） 制定的控制方案符合工藝的控制要求，結(jié)合過程優(yōu)化、先進(jìn)控制等控制策略，提高了原料的利用率，并使油品的回收率達(dá)到了90%以上，接近世界先進(jìn)水平；
2） 循環(huán)硫化床鍋爐中的溫度控制在650±5℃之間，熱效率達(dá)70%，負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)，控制精度高；
3） 基于多領(lǐng)域工程對象模型的控制工程設(shè)計(jì)開發(fā)平臺為用戶節(jié)省90%的工作量；
4） 人機(jī)交互界面友好，易學(xué)、易懂、易上手；
5） 自動保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠；
5. 工程截圖
