常减压-催化裂化综合生产实训装置投标资料.docx

常减压-催化裂化综合生产实训装置1、 设计原理石油的流向改变着世界政治经济的格局，如果没有一种新的燃料能取代石油，国际间石油的争夺就不会停止。不可否认，上个世纪海湾地区爆发的几次战争，石油是其背后的重要动因。随着我国经济与世界市场联系的日益紧密，我国对石油的敏感度越来越高。石油是最重要的经济资源，通过对石油的炼制可得到汽油、煤油、柴油等燃料以及各种机器的润滑剂、气态烃等。通过化工过程，可制得合成纤维、合成橡胶、塑料、农药、化肥、医药、油漆、合成洗涤剂等。因此，石油被广泛运用于交通运输、石化等各行各业，被称为经济乃至整个社会的“黑色黄金”、“经济血液”。炼油厂通过复杂的物理和化学变化过程将石油转换为可利用的产品，绝大部分炼厂都将生产燃料和生产化工产品结合起来，依靠化工产品增加企业的经济效益，因此，综合型的炼油厂一般都具有以下装置：常减压蒸馏、催化裂化、加氢裂化、催化重整、烷基化、延迟焦化、尿素脱蜡等。随着经济的发展，社会对轻质燃料油的需求量越来越大，仅仅依靠常减压蒸馏装置从原油中分离出来的轻组分远远不能满足需求，而催化裂化装置是把原油中重组分裂解成轻质化的反应，因此，一般常减压蒸馏装置及催化裂化装置是炼厂中必不可少的装置。本装置有以下几个部分：原油电脱盐（预处理）、常减压蒸馏、催化裂化、裂化产品分离、裂化产品稳定。下面介绍下各部分的基本原理：1.1电脱盐原理原油中的环烷酸、胶质、沥青质是天然的乳化剂，随着原油的过度开采及采油技术越来越多的依靠油层注水和使用驱油剂（一种乳化剂），此外，原油从油田经过长途运输和多次泵的加压传送最后送到常减压装置，其中的水被均匀的分散到油中，水和油滴过度混合形成牢固的乳化液。乳化液的状态分为油包水型和水包油型两种。其中，95%原油属于稳定的油包水型。简单地说，原油电脱盐就是在电场、破乳剂、温度、注水、混合强度等因素综合作用下，破坏原油乳化状态、实现油水分离的过程。由于原油中大多数盐溶于水，这样的盐类就会随水一起脱掉。1.2常减压蒸馏原理1.2.1常压蒸馏原理原油之所以能够利用分馏的方法进行分离，其根本原因在于原油内部的各组分的沸点不同。同时，分馏需要经过汽化和冷凝过程。1、平衡汽化过程：平衡汽化过程其特点是加热后所生成的汽相和液相始终保持紧密的接触，直至最后才分离。如果接触足够充分的话，两相分离时即达到相平衡状态，则这种汽化过程称为平衡汽化过程。2、平衡冷凝过程：平衡冷凝过程是平衡汽化的相反过程。若将过热的气体进行分离则需采用冷凝的方法。冷凝过程中所生成的凝液若与蒸汽保持紧密的接触，分离时达到相平衡，则这种冷凝称为平衡冷凝过程。3、常压分馏工艺原理：原油加工过程中，把原油加热到360370左右进入常压分馏塔，在汽化段进行部分汽化，其中汽油、煤油、轻柴油、重柴油这些较低沸点的馏分优先汽化成为气体，而蜡油、渣油仍为液体。含有汽油、煤油、轻柴油、重柴油的气体混合物离开汽化段进入塔的上部（称为分馏段），在塔盘上与液体回流相接触，被冷却而部分冷凝，则沸点较高的重柴油首先冷凝，而沸点较低的汽油、煤油、轻柴油仍为气体，该气体再继续上升而部分冷凝，则又有沸点较高的轻柴油冷凝为液体。如此进行汽液相的多次部分汽化、冷凝，煤油、轻柴油、重柴油在其各自蒸汽分压下的泡点温度从塔侧抽出。最后剩余的气体即沸点最低的汽油在其蒸汽分压下的露点温度从塔顶馏出。常压分馏精确度不高，从塔侧抽出的产品，必然含有低沸点产品，这些低沸点产品，则需从辅助汽提塔用水蒸汽汽提返回常压分馏塔，从而得到合格的侧线产品。汽化的常压重油，也就是蜡油和渣油，从汽化段下流至塔的下部分，称为提馏段，经水蒸汽汽提后从塔底抽出。1.2.2减压蒸馏原理在汽液平衡状态下，物质的蒸汽压随温度而变化，温度愈高，蒸汽压就愈大，温度愈低蒸汽压愈小。液体沸腾的必要条件是蒸汽压必须等于外界压力，因此，降低外界压力就相当于降低液体沸腾时所需要的蒸汽压，也就是降低了液体的沸点，压力愈小，沸点降的愈低。如果使蒸馏过程在压力低于大气压以下进行，就可以使操作温度降低，这种过程称为减压蒸馏。要从常压重油中分割出沸点高达510甚至550的馏分来作为二次加工原料，若加热到这样的温度，油品早已发生裂解，使馏分品质变坏，为了防止馏分的分解，重油蒸馏一般都在低于410以下进行，为此采用在塔顶抽真空的减压蒸馏方法。减压程度的大小用真空度来衡量，所谓真空度是指设备内的残压与大气压的差值，真空度越高，残压越低，减压塔的抽真空系统由冷凝器和蒸汽喷射抽空器所组成。1.3催化裂化反应原理R，R:C+ R*HR:C+ H催化裂化反应可以用正碳离子反应机理解释，所谓正碳离子，是指表面缺少一对价电子的碳原子形成的烃离子，其形式如（1） 这些正碳离子不能自由存在，它只能吸附在催化表面进行反应。正碳离子是催化剂与烯烃分子作用形成的，在酸性催化剂存在的情况下，生成正碳离子所需的能量比热裂解生成自由基要小得多（而在无催化剂条件，热裂解过程是气相热反应，此时生成正碳离子所需能量比裂解成自由基又大得多，其结果是烃分子均匀断裂成自由基，遵循自由基反应机理），此时催化剂活性中心给出质子，使烯烃质子化生成正碳离子，正碳离子开始形成必须具备两个条件，一、要有烯烃（来源于原料或热裂解产物），二、要有给出质子的酸性催化剂。正碳离子形成后，其发生一连串平行-顺序反应，反应过程复杂，反应类型多样。1.催化裂化的化学反应种类催化裂化过程中的化学反应并不是单一烃类裂化反应，而是多种化学反应同时进行。在催化裂化条件下，各种化学反应的快慢、多少和难易程度都不同。主要化学反应如下：（1） 裂化反应裂化反应是催化裂化主要反应，它的反应速度比较快，同类烃分子量越大，反应速度越快；烯烃比烷烃更易裂化；环烷烃裂化时，既能脱掉侧链，也能开环生成烯烃；芳烃环很稳定，单环芳烃不能脱甲基，只有三个碳以上侧链才容易脱掉。（2） 异构化反应异构化反应是催化裂化的重要反应，它是在分子量大小不变的情况下，烃类分子发生结构和空间位置的变化。异构化反应可使催化裂化产品含有较多的异构烃，汽油异构烃含量高，辛烷值高。（3） 氢转移反应氢转移反应即某一烃分子上的氢脱下来，加到另一个烯烃分子上，使这一烯烃分子得到饱和的反应。氢转移是催化裂化独有的反应，反应速度比较快，带侧链的环烷烃是氢的主要来源。氢转移不同于一般的氢分子参加的脱氢和加氢反应，它是活泼的氢原子从一个烃分子转移到另一个烃分子上去，使烯烃饱和，二烯烃变成单烯烃或饱和烃，环烷烃变成环烯烃进而变成芳烃，使产品安定性变好。氢转移的反应结果是一方面某些烯烃转换成烷烃，另一方面给出氢的化合物转化为芳烃和缩合成更大的分子甚至结焦，使生焦率提高。氢转移反应是放热反应，需要高活性催化剂和低反应温度来获得较高反应速度。（4） 芳构化反应芳构化反应是烷烃、烯烃环化生成环烷烃及环烯烃，然后进一步进行氢转移反应，放出氢原子，最后生成芳烃的反应过程。芳构化是催化裂化的重要反应之一，由于芳构化反应，催化汽油、柴油含芳烃量较多，也是催化汽油辛烷值较热裂解汽油辛烷值高的一个重要原因。（5） 叠合反应叠合反应是在烯烃与烯烃之间进行的，其反应结果是生成大分子烯烃。（6） 烷基化反应烯烃与芳烃的加合反应叫烷基化反应。叠合反应和烷基化反应，在正常催化裂化操作条件下（500，常压），这两个反应所占总反应的比例不大。2.各类单体烃的催化裂化反应规律（1） 烷烃主要是发生裂化反应，分解成较小分子的烷烃和烯烃，生成的烷烃可以继续分解成更小的分子。烷烃裂化时多从中间的C-C键处断裂，而且分子越大越易断裂、异构烷烃的反应速度又比正构烷烃快。（2） 烯烃分解反应裂化反应分解为两个较小分子的烯烃，烯烃的裂化反应速度比烷烃的大的多，大分子烯烃的裂化反应速度比小分子快，异构烯烃的裂化速度比正常烯烃快；异构化反应烯烃的异构化反应有两种：一种是分子骨架结构的改变，正构烯烃变成异构烯烃；另一种是分子的双键向中间位置转移。氢转移反应环烷烃或环烷-芳香烃放出氢，使烯烃饱和而自身逐渐变成稠环芳烃，或烯烃之间发生氢转移，这类反应的结果是：一方面某些烯烃转化为烷烃，另一方面给出氢的化合物转化为芳烃或综合成更大的分子。氢转移反应速度较低，需要活性较高的催化亮晶晶上，反应温度高对氢转移不利。芳构化反应烯烃环化并进一步脱氢成为芳香烃。（3）环烷烃环烷烃的环可断裂生成烯烃，烯烃再继续进行上述各项反应。（4）芳烃多环芳烃的裂化反应速度很低，他们的主要反应是缩合稠环芳烃，甚至生成焦炭，同时放出氢使烯烃饱和。1.4裂化产品分馏原理催化裂化反应油气的分离是在分馏塔内完成的，反应油气进入分馏塔的脱过热段，与人字挡板上向下流动循环油浆逆流接触，脱除洗涤油气中夹带的催化剂粉尘，并使反应油气进行部分冷凝。先被冷凝的是沸点较高的油浆，上升的油气混合物在塔内上升过程中温度逐渐降低，又出现部分冷凝，冷凝液为回炼油。再降低温度使其逐渐部分冷凝为柴油，最后不能冷凝的是汽油、蒸气及富气。此时，在分馏塔底得到的是最高沸点馏分（油浆），塔侧自下而上可取得回炼油、柴油馏分，自塔顶在油气分离罐底可取得汽油馏分，在分离罐顶得到富气组分。气相混合物在精馏段逐渐降温冷凝，气体降温冷凝为液体要放出冷凝潜热，这部分热量要通过塔顶和中段回流取走，并使回流中所含的轻组分加热汽化为气相，同时，中段回流还提供了分离过程所需要的内回流。1.5裂化产品稳定原理催化裂化压缩富气吸收过程是在填料塔内进行，解吸分离是在板式塔内进行。其目的是把干气和液化气分开，分离的关键组分是C2和C3。要求吸收后的干气中尽量少含C3，解吸后的脱乙烷汽油中尽可能不含C2，从而使其按C2和C3这两种关键组分分开。在吸收塔内，贫吸收油自塔顶入进入，与由塔下部进塔的烃类混合气体在塔板上进行多次气、液逆向接触，完成吸收过程。关键组分C3在随气体上升过程中，也逐渐被吸收油溶解而由气相转入液相之中。它们在塔板上达到平衡时，C3在气液两相中的浓度是按C3平衡常数K值分配的。就其操作条件来说，整个吸收过程基本处于相同的操作压力和操作温度下，可看作是等温吸收过程。因此在平衡时，C3的平衡常数K值基本不变，只是C3组分在塔的各层塔板上气、液两相中的浓度有所不同。吸收塔顶部蒸汽还有少量的C3及更重组分，为此，吸收塔顶部贫气需要进入再吸收塔下部与新鲜贫吸收油逆向接触，在达到平衡时，C3平衡常数K值仍然不变，因而溶解于吸收油中的C3组分浓度很低，再吸收塔顶部贫气中剩余的C3组分含量进一步较少，从而使C3吸收率达到其分离要求。在充分地吸收C3及更重的C4、C5等组分的同时，由于相平衡关系，富吸收油中势必也吸收了相当数量的C2组分。在解吸塔内，要将富吸收油中C2组分解脱出来，再回到吸收贫气中去。在解吸时，为了把C2组分脱净，由于相平衡关系，其中一部分C3、C4组分也必然要随之被解吸出来，所以解吸气要送回吸收塔再进行吸收。这样，通过吸收、再吸收与解吸操作，使吸收塔顶得到基本不含C3组分的气体（再吸收塔顶为干气）；在解吸塔底得到基本不含C2的脱乙烷汽油。从而按C2、C3这两种关键组分将其分离开来。将液化气（C3、C4）从脱乙烷汽油中分离出来的操作过程是在稳定塔中进行的。稳定塔操作是在压力下精馏分离液态烃和汽油的过程。2、常减压-催化裂化实训装置设计方案与特点2.1设计方案装置设计是以工业上生产能力为350万吨/年的现代化石油催化裂化生产装置为原型，按10:1左右比例缩小而制成。在设计时应充分考虑了装置的安全性、实用性、经济性。具体设计方案为：2.1.1数字高真仿真：系统以工厂真实装置为背景，采用开放性的工艺参数设计和先进的软件平台。要求工艺参数高真仿真，实现工厂运行数据的真实再现，体现工厂现场的真实状态。2.1.2工厂化对象背景：以常减压蒸馏、催化裂化、产品分馏、产品稳定成四个车间作为对象背景，以主物料工艺流程为基础，可整体或单元运行。并结合职业教育的教学大纲要求，设计一定量的可解剖设备，以便设备解剖、认识掌握设备内部结构，部分替代物料，增强现场实物感，避免一线生产过程中存在的安全隐患。同时，设备、仪表等选用要求多元化形式。装置中适量的采用工厂中真实使用仪表、阀门，使学生认识各种显示仪表，学会使用调节器并感知其重要性，可允许学生对仪表、阀门等进行仿真随意性调节。2.1.3情景化真实操作：设计要求按中控SUPCONDCS系统控制和现场操作相结合，使得操作控制实现工厂情景，并能满足进行正常运行操作、开停车、断电事故处理等工厂中的全部操作，学生们还能自行设计，试验不同的开、停车方案，极限运行状态等。2.1.4开放性故障点设置：全部参数均可作为故障点，模拟工厂实际生产中出现的各种故障。通过教师站对学员站的操作设置事故，学生根据已有知识进行利判断，采用必要措施进行解决，以培养学生认识故障现象，分析故障原因，完成故障处理，提高学生判断意识、锻炼和提高学生排除故障的能力。2.1.5广泛性教学目的：设计时应充分考虑化工类专业、机械类专业、仪表及自动化专业的特点，选型时要求同类设备多样化，并兼顾设备的经典性和先进性。2.2装置特点2.2.1该装置由常减压蒸馏、催化裂化、产品分离和产品稳定四部分组成石油化工实体仿真实训生产过程系统(设备系统工厂化真实在线，安全物料替代真实物料，控制操作系统全程实现工厂实景）。2.2.2由常减压、催化裂化、产品分离及稳定四个车间组成，整套装置由14台化工塔、31台机泵、29台容器、3台工业炉、34台换热器等组成，并结合职业教育的教学大纲，设计了一定量的可解剖设备，以便设备解剖、认识掌握设备内部结构。2.2.3过程控制系统，完全是一个真实的工业控制系统，具有真实的工厂化情景，系统由知名品牌中控SUPCONDCS进行控制，能进行正常运行操作、开停车、断电事故处理。可对生产系统温度、压力、流量、液位进行检测、显示、控制，根据各个测量点的变化，帮助学生思考，发展分析综合能力，更好地透过现象看本质。本装置还可实现自控系统、报警系统、趋势图、带控制点的工艺流程图、仪表界面等操作。2.2.4故障点设置：可模拟实际生产中出现的故障现象，通过计算机发出故障信号设置故障，培养学生故障判断意识、锻炼和提高学生排除故障能力。2.2.5本装置涵盖了石油化工经典的生产过程及多种化工单元操作，主要用于化工专业进行化工生产过程操作实训、考核、生产事故研究等等；本装置也适用于仪表、自动化控制等专业进行生产过程控制、DCS系统的实训、工业控制网络系统（EPA现场总线技术、工业以太网技术）过程控制方案研究等等。3、装置功能3.1主要用途3.1.1使学生掌握常减压蒸馏、催化裂化等经典炼油项目的工艺流程，对各个工段的主要设备的结构及性能、生产原理深刻了解。 3.1.2使学生理解、掌握化工过程的基本操作技能，提高了学生对典型化工过程的开车、停车、事故处理的能力，加深了学生对化工过程基本原理的理解；3.1.3使学生掌握调节的基本操作技能，尤其是自动调节、手动调节、串级调节的使用，为以后掌握P、I、D参数的在线整定及复杂控制系统的投运和调整能力打下良好基础。3.1.4使学生掌握最优的开车方案，对生产操作进行优化研究。3.2实现多种技能的培训3.2.1化工工艺技能培训：a电脱盐部分；b常减压蒸馏部分；c催化裂化部分；d压缩机运行部分；e催化裂化产品分馏部分；f催化裂化产品稳定部分。3.2.2化工操作(系统操作员）技能培训：a装置的开停车操作；b单元装置的正常操作及异常现象的分析；c系统装置的正常操作及异常现象的分析；d典型事故的案例分析；e.生产控制的优化管理。3.2.3化工机械技能培训：a传质设备的作用与主要结构形式；b传热设备的作用与主要结构形式；c化工塔的工作原理与主要结构形式；d化工泵的工作原理与主要结构形式。3.2.4化工仪表及自动化技能培训：（1）自动控制基本概念方面：a.掌握自动控制系统的组成，了解各种组成部分的作用及相互影响和关系；b.理解自动控制系统中常用的各种术语，掌握方块图的意义及画法；c.熟悉管路及控制系统上常用的符号和意义；d.了解控制系统的几种形式，掌握系统的动态与静态；e.掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程中的几种基本形式及过渡过程的品质指标的含义。（1）检测仪表与传感器方面：a.掌握仪表精度的意义及测量误差的关系；b.了解仪表的性能指标；c.掌握各种压力测量仪表的基本原理及基本选用方式；d.了解各种流量计的测量原理；e.了解各种液位计的测量方法，掌握液位测量中零点迁移的意义及方法；f.掌握温度检测元件；g.自动检测仪表选型、安装；h.恶劣环境下仪表的安装维护；（3）自动控制显示仪表方面：a.掌握PLC可编程控制器的功能和特点；b.掌握DCS现场控制站及操作站的软件及硬件组成；c.掌握现场总线的特点及基本设备；d.单回路温度、压力、液位、流量控制方案制定、投运、PID参数整定；f.复杂控制系统（串级、比值等）控制方案制定、投运、PID参数整定；g.综合控制方案制定；h.高级控制方案与算法的实现；i.联锁控制、报警功能的控制方案的实现。（4）执行机构方面：a.掌握控制阀的流量特性意义，了解串级管道中阻力比s和并联中管道中分流比x对流量特性的影响；b.掌握气动薄膜控制阀的基本结构、主要类型及使用场合；c.掌握气动执行机构的气开、气关形式及选择原则；d.掌握电气转换器及电-气阀门定位器的用途及工作原理；e.掌握电动执行器的本原理及结构；f.各类调节阀的安装、调校、投运。（5）仪表系统故障处理方面:a.锻炼仪表检修人员处理事故过程中的协调能力；b.系统设置故障点,锻炼仪表检修人员判断处理故障能力；3.3满足技术要求及主要参数3.3.1总体动态运行控制功能：现场控制台仪表控制同时与微机通讯，基于MCGS工控软件平台的实时数据采集及过程监控；DCS工程师站与现场控制台连接，实现单回路、串级控制、比值控制和PID控制等形式，可实现手动控制和自动控制方式的切换、远程监控、流程组态的上传下载实时报警记录。3.3.2智能仪表显示功能：多通道输入输出可完成组态、控制、通讯和实时数据及趋势显示和控制等功能。3.3.3执行机构及管路阀门：各种工业级别管道阀门，通过温度传感器、压力变送器、远传液位计、可控硅调压模块等智能传感器完成压力和电加热管等执行器及电控单元的反馈控制。3.3.4故障设置功能：用软件和硬件相结合的方式实现故障设置，可轻松实现化工操作的故障模拟。3.3.5智能计量检测：包含微调转子流量计、远传液位计、声光报警器及各类就地弹簧指针表等仪表；3.3.6设备主体结构恢弘大气：规格：长宽高：30000170009000mm。材质：设备、管道为不锈钢，配套：现场控制台（含嵌入式微机位、报警器及开关位、二次仪表）并内 含DCS和仪表控制转换接入口。3.4常减压-催化裂化装置的仿真系统3.4.1常减压-催化裂化仿真系统的特点：常减压-催化裂化仿真系统软件由两部分内容构成：1、 仿真系统数学模型；2、 系统组态和组态运行平台。仿真系统数学模型：1、工艺流程涵盖了当前最为普遍常减压蒸馏及催化裂化系统实际工艺过程，是真实的、当前国内主流的生产工艺流程。2、物料平衡和能量平衡l 针对工艺流程，从流态平衡的过程，对每一设备进出的物料，对每一个采样周期（目前暂定为500mS），严格按照物料平衡和能量平衡的原则进行仿真计算，并输出瞬时结果。l 系统由来自现场技术管理的资深工程技术人员进行与实际过程的拟合，达到既符合理论计算的结果，又符合实际过程运行的特征（过程技术参数的定性、定量变化）。l 有超过4000个常微分方程（几个常微分方程构造一个多变量变系数微分方程）。3、 开停车方案与实际过程吻合l 数学模型能响应原始的开停车过程，并且真实反映了瞬时过程。l 能够提供局部实时变化过程。4、 创新的要点和对实际过程的指导意义 （1）一般实际的生产装置设计过程中，先确定原料，装置设计针对某一具体物进行设计，当物料性质有较大的改变后设备必须进行整改，因此，工业生产中的设备和原料间有专属性的局限性！而本套实景仿真装置采用仿真模拟物料，可以较灵活改变原料的性质，打破了工业生产中装置炼制原料固定性的限制。 （2）实际生产装置的设计是以实际物料的实验测定为基础数据，并且忽略了中间变化过程，本套实景仿真装置应用仿真系统进行实际物料平衡和能量平衡计算，具有基础数据来源简便、广泛等特点，同时还能体现物系中局部中间变化过程等优点。 （3）本套实景仿真装置应用仿真系统可以进行比较不同物料的产品收率及转化率的分析，同时，还能对同一物料加工方案进行最优操作条件的比较测定，因此，对实际工业装置的优化生产生产具有一定的指导意义。5、 培训操作人员的内涵仿真系统用于操作工人的培训，可以达到：l 熟练掌握生产过程的工艺原理。l 清晰生产过程的的控制（操作）原理和技巧。l 熟练掌握真实系统发生异常的处理方法和措施。l 熟练的掌握实际系统的原始开停车过程和技术。l 因为仿真系统是个按物料平衡和能量平衡进行全过程的系统仿真，并且在控制参数（操作指标）上与实际过程拟合。可以使操作者从书本上学得的理论与实际进行有效的拟合。3.4.2系统组态和组态运行平台：1、 系统的主要技术指标及特点l 仿真软件系统开发平台采用差分的方法，实现对数学模型的计算，差分采样周期为500mS,实时度高。l 为达到高的实时度，需要采用内存数据库的设计技术。l 有50多种功能模块供数学模型求解组态者使用，通过组态可实现对复杂的微分方程的实时求解。l 用户可在运行状态下，在线添加、删除和修改组态的构稽关系，无须编译、装载组态文件等常规操作。l 可在一个采样周期内，完成4000个以上的功能模块运算（高阶微分方程可分解成多个低阶微分方程，通过组态实现高阶微分方程、变系数微分方程和偏微分方程的计算）。l 开发平台可数倍实际时间运行，以缩短数学模型的设计者调试模型的时间。l 拥有曲线、数据显示等调试画面。l 原始数据可直接来自I/O硬件输入，也可来自计算机的键盘、鼠标输入。每个点的数据来源可由组态设定。l 可多台机器的通过网络连接，直接形成软件操作界面，可供多人同时使用。2、 运行的效率和效果l 真实的实时度取决于仿真系统的I/O硬件的采样周期，即选用的硬件越好，采样周期就越小，系统则更逼真。l 无须I/O硬件的软件系统,采样周期与使用的功能模块数量呈比例。有超过4000个功能块可做到500mS的采样周期。3.4.3系统的拓展和展望：1、 多系统平行运行该组态平台运行效率高，功能强大，组态灵活，数学方程多、是个复杂的仿真系统。可以把若干个不同的生产岗位集中到一台工作站上一样。2、 纯软件的仿真系统用户可以把一个生产过程，用一组数学模型进行描述，通过组态，形成一个可以在计算机上运行的程序，这个程序就相当于一个关于该生产过程的电子游戏。可通过该电子游戏使得操作者深刻理解该生产过程的机理和操作要素。通过局域网，可以是多台工作站同时在操纵生产过程，达到训练人员的目的。3.4.4仿真系统的构成：系统大致构成如下：生产设备布置区过程仿真系统过程监控操作室1、 生产设备布置区目前拟按350wt/a常减压蒸馏及联合催化裂化的生产规模，制定整个工艺过程的物料平衡和能量平衡衡算基础，以10：1的比例规划，主体由14台化工塔、31台机泵、29台容器、3台工业炉、34台换热器等组组成，全部分布在生产设备布置区，通过管线，阀门构成常减压蒸馏催化裂化联合装置主流程。由于是个教学模型（或称仿真系统），不可能用实际的物料进入过程。因而，对于特定的教学点，除用实际的空气或水进行模拟过程物料运动之外，基本上是模型设备（外型酷似）。为了达到一定的仿真度，在生产设备和工艺流程研制方面强调了：l 外形与实际的生产过程外型仅只有尺寸和材质的差异。外形极其相似。l 过程控制（或操作）的执行系统，本系统采用真实的调节阀、截止阀等，其中自动调节阀受控制仪表制约，手动阀由人工控制，但阀位的信号作为控制过程的动力源，直接进入仿真系统。l 机、泵类设备则直接通过启动、停止按钮或其他控制设备进行操作。l 流体在过程中的噪音，l 就地显示仪表上采用数显表，其测量值的显示来源是仿真系统的计算值。l 远程测量仪表，如变送器采用其外壳及内部接线端子仿真仪表。2、 过程监控操作室是一个真实的装置中央控制室，可以由中控的DCS系统进行操作组织。控制系统输入信号，来自现场的设备布置区的测量仪表（仿真数据通过仪表转接）。控制系统的输出信号，直接送到现场的执行器上，仿真系统通过执行器转接控制系统给执行器的操作信号。这样的设计有助于装置的真实性。便于开展除化工操作以外的实训。比如，DCS系统的培训，过程控制的培训、过程控制的方案研究等等。中央操作室的控制设备完全按一个真实系统设计。和真实系统的最大差别，主要是其信号源的来源有所不同，虽然物理上还是从测量仪表送来，但真正的数据是由仿真系统计算出来的，并非是测出来的。常减压蒸馏的过程控制系统，完全是一个真实的控制系统。相关的自控系统、报警系统、趋势图、带控制点的工艺流程图、仪表操作界面等，全部在控制机上完成。 仿真系统构成如下：这是一个由计算机系统构成化工过程设备性能、过程反应工程特性的仿真系统。它将一个系统的特征值（或者讲控制状态值）通过其反应机理、设备的物理尺寸等要素，利用数学的方法，将引起该特征值变化的众多因素组合成一个算式，构成数学模型。通过检测这些丛多因素的状态值，计算出当前特征值的数值和状态。对于石油化工的生产过程来说，每一个设备至少有一关于设备物理特性的一个数学方程。每一个化学反应，至少都有一个关于反应工程的动力学方程。通常的仿真机，应该是有一组数学方程和实时的求解这些方程的程序结合在一起。通过I/O通道，读进引起特征参数变化的调节参数或状态参数，计算当前的特征参数的变化，通过输出到担任操作界面的系统中去，显示其当前系统的状态。对于担任操作的系统（中央控制室）而言，仿真系统仅仅是一个控制的对象。仿真系统根据化工过程的内在规律，形象的反映了真实系统的操作变化。仿真系统有自己的输入信号，这些信号通常是代表进入某个设备的物料量，如蒸汽量、压缩空气量等。这些量进入仿真系统后，系统则根据设备的物理条件和化学反应的动力学方程，计算得出该设备状态变化、化学反应状态变化的状态特征量（化工过程参数），如温度、压力成分等等。由于输入的量是个随时间变化的物理量，因而，仿真系统的输出量也是一个动态的变化量。仿真系统所做的计算通常是一个关于输入和输出的之间的计算，计算工作量大，必须借助于计算机系统。一般的形式用下列矩阵表示：Y0 D00 D01 D01 D0n X0Y1 = D10 D11 D11. D1n X1 Ym Dm0 Dm1 Dm1 Dmn Xm式中：X 表示进入仿真系统的输入量 Y 表示进过计算后的状态量 Dmn 是各状态量对于各输入量的传递函数。本仿真系统的输入量，主要是进入系统物料、中间体物料的阀门开度。因为，阀门的开度与流过阀门的物料流量有一定的对应关系。在工作点附近，与实际的情况有较好的吻合度。仿真系统通过计算后的输出量，应该是化工系统运行状态的特征量，相当于仪表对实际系统的测量值。可通过仿真计算机的I/O端口直接送到就地显示仪表进行就地现实或送到中央控制室集控显示记录。3.4.5仿真系统与现场设备的关系：每一个设备、每一化学反应该至少有一个数学物理方程。现场的设备仅仅是一个外形，内在的规律，则用方程式来进行模拟。引起仿真系统输出的变化动因，除控制物料流量的阀门变化和机泵的开停外，还有物料在设备内部的随时间变化规律。因而，仿真系统与现场设备的关系是，阀门的开度变化和机泵的开停按钮是仿真系统系统输出变化的动因，设备的物理尺寸、化学反应的动力学规律（数学模型）是输出变化的基础。仿真系统的输入信号可直接来自测量阀门开度的传感器和反映机泵开停的按钮。输出信号可直接送到现场指示仪表进行就地显示也可直接送到中央控制室的显示设备上。3.4.6仿真系统与中央控制室的关系：中央控制室是以仪表盘为界面的控制系统，也可以是以DCS系统为操作界面的系统。中央控制室送出关于阀门开关的控制信号到现场阀门（同时也可送到仿真系统对应的输入端），现场阀门真实的产生一定的开度。或送出机泵开停的信号到现场设备，现场机泵是否要求真实的运转，可根据制造成本或教学要求确定。但仿真系统必须有接受该类信号的输入端口（包括在现场启动设备信号）。也即仿真系统接受中央控制室对于阀门的操作的信号（可以来自测量阀门开度的传感器）和对于机泵的操作信号。仿真系统经过对系统的实是模拟产生的输出信号经就地显示仪表或变送器（可以是空壳）的接线端子送到中央控制室。3.4.7仿真系统的设计原理：常减压-催化裂化装置的仿真系统，由两个部分。一部分主要是设备的仿真，相应的设备，完整的物理系统，完整的一个工艺流程，核心的问题是如何将一个实际的过程、所要控制的过程状态，利用计算机系统进行数字仿真。计算机系统的数字仿真实际上是个软件研发问题，有四部分主要内容：l 根据实际过程的设备能力尺寸和机械原理，写出关于工艺状态量和进入系统的物料流量之间的数理方程。l 根据该设备内部的化学反应过程机理，写出其关于工艺状态量的反应动力学的数理方程。l 将上述数理方程通过一定的算法，编写成计算机可执行的程序。l 测试和修正仿真系统，一个测试平台。3.4.8软件仿真系统功能及组成部分：l 功能建立一个原油预处理、常减压蒸馏、催化裂化、催化裂化产品分离、催化裂化产品稳定为工艺线路的石油加工数字仿真生产过程系统。能进行正常运行操作、开停车、断电事故处理。l 系统组成：、数字仿真系统的开发环境。一个先进的开发平台。可以在线进行软件组态。 、数学模型本系统有电脱盐、常减压蒸馏、催化裂化、催化裂化产品分离、催化裂化产品稳定五个主要过程。主要设备的物理过程运动方程式（数学模型）、主要化学反应过程、系统组态编程、算法调试、与实际系统的过程拟合。系统的开发平台完善和仿真系统的开发，整合了有三个方面的专家：过程控制专家，石油化工有亲身的工作经验和理论素养的工艺专家，算法和编程的专家，本系统是一个专家系统。软件系统与中央控制室、现场仪表和阀门、机泵控制连通。l 各类测量仪表的仿真测量信号来自数字仿真系统，控制信号来自真实仪表。l 阀门和机泵的机械特性仿真用数学的方法，刻画阀门和机泵的机械特性和远动规律。l 仿真过程设计 、实现数学模型的设计和组态设计。、实现与实际系统的过程拟合。、实现硬件系统的界限设计和现场调试。 、实现中央控制室的控制仪表设计。l 整个仿真显示、操作、控制的人机界面分三级界面： 、一、二级界面构成系统：采用国内知名的品牌一流的工业自动控制装置中控DCSWebField JX-300XP作为显示操作界面。、常规操作在DCS系统中实现，教师操作界面可在数字模型计算机操作界面上进行，方便教师人为制造故障，培训学员。l DCS中控室系统的组成满足以下要求3.4.9 DCS控制机柜：标准工业柜，长宽高：8006001100mm，内安装漏电保护空气开关、电流型漏电保护器充分考虑人身安全保护；配置带钥匙的电源启动控制回路和多组保险丝，同时每一组强电输出都有旋钮开，关控制，保证设备安全，操作控制便捷；装有分相电压表、指示灯，开关电源等。现场控制站：包括主控单元、集线器/光端机、I/O模块、电源模块等四个部分。I/O组件安装：在机柜的正面，它是以插件箱、总线底板为固定结构，在底板上插入系统电源模块和各种I/O功能模块组成。系统电源模块为各个I/O模块数字部分提供DC+5V电源。系统电源模块为冗余配置。I/O模块完成实时数据的物理I/O功能，它由I/O功能板、I/O调理板和安装在机柜背面的I/O端子板组成。I/O端子板则是现场信号的连接板，它与I/O调理板之间用扁平电缆实现互联。3.4.10 系统网络性能指标清晰的三层网络结构，涵盖管理层的以太网总线、控制层工业以太网总线、现场层PROFIBUS-DP总线。中控室可控制任意一台设备。管理网络和系统操作层速率为100Mbps，控制层网络速率为100Mbps或 10Mbps，现场信号处理PROFIBUS-DP，网络速率为1.5-11Mbps或1 Mbps硬件处理能力：控制站主控单元CPU Pentium II以上，带34M内存，其中有1M为SRAM； I/O信号处理单元全部为智能结构。系统处理能力：一套系统可支持8个域，每个域的处理能力物理I/O点达10000点，控制回路数量达1000个。一般模拟回路控制周期为115ms，采用回路控制模块可达10ms，逻辑回路控制周期为50ms 。系统图形画面分辨率为16001180，响应时间1s，数据刷新时间1s 。3.4.11 DCS工控平台系统软件及DCS控制实训软件系统配置软件：工程师站软件/控制器运行软件CONMAKER及操作员站监控组态软件FACEVIEW：硬件设备组态软件、数据库组态软件、控制组态软件、图形组态软件、算法组态软件。根据用户要求：完成设计、现场安装，完成系统与用户已有的控制对象的连接、调试，在DCS工控平台系统软件基础上，根据学校的要求开发相应的实验控制软件，组成一个完整的DCS过程控制系统，中控室对设备能够进行控制，做到交钥匙工程。3.4.12 中控WebField JX-300XP系统简介WebField JX-300XP系统是目前国内应用最广泛的单一型号控制系统产品，在化工、石化、电力、冶金、建材等多个流程工业行业有着1000多套成功应用案例。 WebField JX-300XP是浙大中控在基于JX-300X成熟的技术与性能的基础上，推出的基于web技术的网络化控制系统。在继承JX-300X系统全集成与灵活配置特点的同时，JX-300XP系统吸收了最新的网络技术、微电子技术成果，充分应用了最新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了系统性能，能适应更广泛更复杂的应用要求。同时，作为一套全数字化、结构灵活、功能完善的开放式集散控制系统，JX-300XP具备卓越的开放型，能轻松实现与多种现场总线标准和各种异构系统的综合集成。 DCS控制系统中控室示意图整个网络拓扑图分为中控室与实训基地两大部分，中控室功能参考中控室系统结构图；实训基地参考中控教仪化工实训基地建设方案，在中控室里主要具有以下功能：1信息管理：作为教师统一管理数据、分析数据的平台，并能够合理调度学生的实训课程等。2 OPC服务器：为教学研究提供实训的实时数据和历史数据。并且可与其他控制系统相连接的数据服务器。3 WEB远程服务：可以扩展为以后的远程控制系统，甚至通过远程控制来指导学生的操作和处理故障分析。4 工程师站：为专业工程师设计的，内装有相应的组态平台和维护平台。根据实训装置的工艺要求组态出相应的应用平台和操作平台，并且可相应组态查以下功能：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表组态等。5 操作站：操作站是由PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等人机界面组成。是学生（操作人员）完成对实训装置操作和监控管理任务的环境。是根据工程师站分配或者是组态好的任务下实现对底层实训装置的操作过程。6 现场控制站：它是作为直接与实训装置的模拟量打交道的处理单元，完成整个实训基地的监控功能。里面可以配以相应的控制系统，比如常规控制站，现场总线控制站，配以各种标准信号的I/O卡件；可以根据相应的要求配成冗余卡件、主从控制站等等。v 系统特点JX-300XP覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（SCFBD）、梯形图（SCLD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C语言编程环境SCX。系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。系统的主要特点如下。1开放性 融合各种标准化的软、硬件接口，方便地接入最先进的现场总线设备和第三方集散控制系统、逻辑控制器等，通过各种远程介质或Internet实现远程操作。2兼容性 符合现场总线标准的数字信号和传统的模拟信号在系统中并存。使企业现行的工业自动化方案和现场总线技术的实施变得简单易行。3设备管理 增加先进的设备管理功能（AMS），能对现场总线的智能变送器进行参数设置等项目实现自动管理，达到了设备管理和过程控制的完美结合。4安全性 系统安全性和抗干扰性符合工业使用环境下的国际标准。5故障诊断 具有卡件、通道以及变送器或传感器故障诊断功能，智能化程度高，轻松排除热电偶断线等故障。6机械结构 采用19吋国际标准的机械结构，部件采用标准化的组合方式，方便各种应用环境。7供电电源 本系统采用集中供电方式。交直流电源都采用双重化热冗余供电模式，部件能进行热插拔，方便安装和维护。8远程服务 能够通过远程通信媒体实现远程监控、故障诊断、系统维护、操作指导、系统升级等。9实时仿真 系统具有离线的实时调试和仿真功能，缩短系统在现场的调试周期并降低了方案实施的风险。10系统容量 系统规模灵活可变，可满足从几个回路、几十个I/O信息量到上千个控制回路、10000个I/O信息量的用户应用要求。11运行环境 控制机柜内合理的冷却风路设计、防尘设计。12信号配置 提供1点、4点、6点、8点系列I/O卡件，为用户提供了多种选择，优化了系统的配置。13信号精度 I/O卡件采用国际上最新推出的高精度A/D采样技术（-A/D）、先进的信号隔离技术、严格测试下的带电插拔技术、以及多层板和贴片技术，使信号的采集精度更高、卡件的稳定性更好。14控制 系统控制组态具有符合IEC61131-3标准的组态工具FBD、LD、SFC、ST等，使DCS与PLC的控制功能得到统一，实现了局部控制区域内的实时过程信息的共享。15集成性 WebField是一个开放的可扩展系统，它可以方便地进行扩展和集成，利用数据站、OPCServer或网关卡，可实现与异构系统的互联。16图形界面 提供集成化图形界面组态工具，可以方便、快捷地生成图形画面，提供多种预定义图库对象。17数据管理 收集并管理数据、储存历史数据并将之传到公共数据库，也可以将数据分散到不同的报表中，从而保证过程在一个最佳的状态运行。v 控制系统结构JX-300XP控制系统由控制站、操作站节点（操作站节点是工程师站、操作员站、服务器站、数据管理站、时间同步服务器等的统称）及系统网络（过程控制网、操作网）等到构成。系统整体结构如下图所示。 中控室系统结构图，整体分为三层，最上层为信息管理层，采用工业以太网协议，连接了各个控制实验装置网桥以及整个系统的信息管理，并且把实验装置的数据统一采集到某一服务机上，通过OPC协议作为可为外部软件使用的OPC服务器。中间层为过程控制网，采用了双高速冗余ScnetII作为其过程控制网络，连接操作员站，工程师站、控制站与数据采集站等。在这一层里，我们可以实时操控实训装置，并能够及时参看设备实时的运行状况与处理故障和分析数据；同时配以相应的打印机设备设备，及时素取相应的曲线、数据和流程概要。底层网络为内部控制网络，采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。它主要包括主控制卡，各种标准信号I/O卡件，数据转发卡等。实现实训装置上模拟量和开关量的采集和控制。工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台和系统维护工具。通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等。而使用系统的维护工具软件可实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。操作员站是由工业PC机、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的人机界面。高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。服务器站可与企业管理计算机网（ERP或MIS）交换信息，实现企业网络环境下的实时数据和历史数据采集，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。通过具有对等C/S特征的操作网可实现操作站节点之间的实时数据通信和历史数据查询。数据管理站用于实现系统与外部数据源的通信，从而实现过程控制数据的统一管理。时间同步服务器用于实现系统的时间同步。控制站是系统中直接与工业现场进行信息交互的I/O处理单元，由主控卡、数据转发卡、I/O卡、接线端子板及内部I/O总线网络组成，完成整个工业过程的实时监控功能。控制站内部各部件可按用户要求冗余配置，确保系统可靠运行。过程控制网络实现操作站节点及控制站的连接，完成信息、控制命令的传输与发送，过程控制网采用双重化冗余设计，使得信息传输可靠、高速。操作网采用快速以太网技术，实现C/S模式下服务器与客户端的数据通讯及操作网节点的时间同步。v 系统规模JX-300XP系统站点容量最高可达31个冗余的控制站和31个操作站节点，可根据I/O规模大小决定控制站数量，操作站节点可根据用户操作的不同决定配置的数量与规格。每个控制站最多可带8个I/O机笼，每个机笼最多可配置10块卡件，即除了最多配置一对互为冗余的数据转发卡及两块电源指示卡之外，最多可配置