硝化反应装置自动化控制系统项目设计方案.docx
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硝化反应装置自动化控制系统项目设计方案
硝化反应装置自动化控
制系统项目设计方案
根据国家安全监管总局《关于公布首批重点监管的危险化工
工艺目录的通知》（安监总管三[2009]116号）；《关于规化工企
业自动控制技术改造工作的意见》（安监[2009]109号）；《关于
在全市化工生产企业开展高度危险工艺装置加装DCS专项行动的通
知》（盐安监[2008]47号）等文件规定，的硝化反应属于重点监管
的危险化工工艺。
受的委托，本院对其硝化反应装置进行自动化控制设计。
根据
相关规和设计的要求，对照该企业的所采用的危险化工工艺的具体
特点，确定重点监控的工艺参数，装备和完善自动控制系统，确定
该公司硝化反应装置必须加装集散控制系统（DCS）和紧急停车系
统（ESD）。
在本次自动化控制设计方案的编制过程中，得到了滨海县安全
生产监督管理局的指导，得到了的积极配合与协助，在此表示诚挚
的感！
三、相关设计规和依据：
（1）《过程检测和控制系统用文字和图形》（HG20505－92）；
（2）《自动化仪表选型》（HG20507－92）；
（3）《石油化工仪表安装设计规》（SHT3104－2000）；
（4）《石油化工自动化仪表选型设计规》（SH3005-1999）;
（5）《仪表供电设计规》（HG20509-92）;
（6）《信号报警、连锁系统设计规定》（HG20511-92）;
（7）《仪表配管、配线设计规定》（HG20152-92）;
（8）《仪表系统接地设计规定》（HG20153－92）；
（9）《仪表及管线伴热和绝热保温设计规定》（HG20514-92）;
（10）《工业自动化仪表工程施工及验收规》（GBJ93－86）；
（11）《自控安装图册（上、下册）》（HG/T21581-95）;
（12）《控制室设计规定》（HG/T20508-2000）。
（13）《关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》（安监总管三[2009]116号）；
（14）《关于规化工企业自动控制技术改造工作的意见》（安监
[2009]109号）；
（15）《关于在全市化工生产企业开展高度危险工艺装置加装DCS专项行动的通知》（盐安监[2008]47号）
四、硝化工艺简述：
反应类型
放热反应
重点监控单元
硝化反应釜、
分离单元
工艺简介
硝化反应是有机化合物分子中引入硝基（
-NO）的反应。
2
工艺危险特点
（1）反应速度快，放热量大。
大多数硝化反应是在非均相中进行的，反应组分的不均匀分布容易引起局部过热导致危险。
尤其
在硝化反应开始阶段，停止搅拌或由于搅拌叶片脱落等造成搅拌失
效是非常危险的，一旦搅拌再次开动，就会突然引发局部激烈反应，
瞬间释放大量的热量，引起爆炸事故；
（2）反应物料具有燃爆危险性；
重点监控工艺参数
硝化反应釜温度控制、硝化剂滴加调节控制，搅拌速率检测；
冷却水控制；蒸汽控制；紧急卸料控制；
安全控制的基本要求
反应釜温度的报警和联锁；自动进料控制和联锁；紧急冷却系
统；搅拌的稳定控制和联锁系统；安全泄放系统等。
五、硝化工艺控制要求：
1、重点监控工艺参数：
硝化反应釜温度、硝化剂的流量和搅拌状态
2、安全控制的基本要求：
硝化反应釜温度的报警和连锁；
硝化剂进料的控制和连锁；
搅拌的控制和连锁；
热量系统（加热和降温）的控制和连锁。
3、采用的DCS控制方式：
将硝化反应釜的温度、搅拌速度和反应釜的硝化剂进料调节阀门、蒸汽阀门、冷却水阀门、搅拌电机形成连锁关系；
当反应釜的温度超标时，系统能够自动报警并自动停止硝化剂进料，关闭蒸汽阀门，打开冷却水阀门，将硝化反应釜的温度将至适宜的温度围。
4、采用的ESD控制方式：
该硝化反应装置除了安装集散控制系统（DCS）以外，还应装备紧急停车系统（ESD），并设有紧急放料系统，在DCS仍然无法控制反应装置正常的情况下，ESD能够立即启动，对该反应装置实施紧急停车和紧急放料。
六、自动化控制系统设计方案：
根据针对该硝化反应装置进行自动化控制系统改造要求，和国家
相关法规要求，结合我院多年来积累的安全自动化控制系统的设计经
验，编制了硝化反应装置自动化控制系统（包括DCS集散控制系统和
ESD紧急停车系统）设计方案。
1、自动化控制系统的设计思路：
该公司当前硝化反应装置的生产过程完全是人工控制，整个硝化反应装置安全完全依赖于操作工的技能和素质，不确定因素较多，风险较大，安全系数较低。
在实施自动化控制系统改造后，可以极大的提高生产过程的安全性和稳定性，无论是生产装置本身出现的故障危险，还是人为因素导致的危险以及一些不可抗拒因素引发的危险，自动控制系统都可以作出正确反应，并立即给出相应的逻辑信号，使生产装置进行自动调节和安全联锁；在特别紧急状态下可以实施紧急停车和紧急放料，从而阻止危险的发生和事故的扩散，从而使事故危害减少到最小。
2、自动化控制系统设计方案简述：
①、DCS控制方案：
控制硝化反应过程，关键是硝化反应装置的温度的控制，应当及时将硝化反应装置的温度、搅拌与硝化剂流量、冷却水和蒸汽进行连
锁，能够将硝化反应装置的温度及电流信号及时传输到DCS控制系统，系统根据生产工艺对反应温度的具体要求，及时对硝化剂流量、冷却
水和蒸汽进行调节。
根据温度实际数值与设定值进行比较与判断，如异常则执行相应
的动作；
当温度超高，先声光报警，同时切断硝化剂进料阀门和蒸汽阀门，
再打开冷却水进出口阀门进行降温；
各控制指令对应相应独立的工艺参数，所有控制指标、控制逻辑
可根据实际生产情况进行调整、修改；整个控制过程独立于操作，具
有最高的控制优先级，保护工艺、设备的安全，确保安全、清洁、文
明生产。
DCS系统逻辑关系方框图如下：
温度信号，流量信号
DCS控制系统
硝化剂调节阀门与电磁流量
计联锁控制流量；超温关闭
调节阀；自动关闭蒸汽进汽
阀门，关闭疏水器阀门；联
锁开启循环水进出口阀门。
搅拌电流控制报警
②、ESD控制方案：
当该硝化反应装置在DCS系统无法进行有效控制的情况下，即反应
装置的温度超出了极度危险设定值以后，ESD能够及时启动，对该硝化
反应装置进行紧急停车和紧急放料。
当反应装置温度超高限或者搅拌电机停机任一情况发生时，ESD
系统立即连锁切断硝化剂调节阀门。
硝化剂调节阀需打开时，在ESD系统中，必须经现场人员确认后
手动开阀，并对ESD复位后，ESD自动投入连锁控制保护状态。
在ESD系统中，设置紧急停车按钮，紧急停车启动时，ESD自动
投入连锁控制保护状态。
对连锁控制项目按启动条件和动作时序分组，将受相同条件触发
及需同时动作的输出合用同一切换开关。
手动切换开关具有3个位置，
其排列位置为执行单元（故障安全型）：
自动-脱机-手动。
电机开停：
自动（开/停）-脱机-手动停；切换开关由一位置切向另一位置的过程
中应先保持原状态。
ESD系统逻辑关系方框图如下：
温度超高限报警
ESD控制系统
紧急切断硝化剂
阀门；自动实施
紧急放料至应急
接收罐；
③、自动控制系统网络框图如下：
3、自动控制过程说明：
①、自动化控制系统应采用电源开关（配电箱）单独设置。
②、自动化控制系统应采用UPS不间断电源供电。
③、自动化控制系统中的检测仪表及执行器，应以隔爆型仪表为主，
不足部分采用正压或其它防爆措施。
④、为确保执行器在任何故障状态下都处于过程安全位置，其电路应
设计成故障安全型电路，即正常通电，故障断电动作。
⑤、电磁阀必须选用高可靠性电磁阀，并保证接线施工质量。
⑥、对送往电气控制盘用以开停电机的触点，应将隔离用的中间继电
器的励磁电路设计为故障安全型。
⑦、自动化控制系统接地，为独立接地系统，信号系统需加装防雷保
护。
⑧、ESD系统应当独立于DCS系统，包括设置专门的工作站和专门的氢
气切断阀门。
⑨DCS系统与ESD系统之间采用控制器间硬连线通信方式（Modbus通
信等），将DCS数据传到ESD系统中。
七、自动化控制系统的可靠性与实用性：
自动化控制系统由监控中心工业控制计算机、通讯网络、现场智能控制器、现场仪表组成，具有参数收集、联锁控制、组态、信号传输、监督、预警干预、报表生成、流程显示、历史趋势显示、现场及远程报警等功能。
本方案采用先进的分布式和模块化设计理念，利用成熟的软硬件产品完成整个系统体系架构的搭建。
通过实时数据库，实现监控数据的高效记录、长期存储、海量查询和数据处理等；并使用数据转存功能，为上层应用系统提供稳定的数据源。
1、维护工作量小
自动化控制系统涉及的终端为智能型控制器，精度高，稳定性好，可大大减少维护人员的工作量，减少维护开支。
2、独立可靠的系统
自动化控制系统为分布式安全控制系统，用户通过方便灵活的组态就可以实现需要的功能。
单台服务器的故障，不会祸及整个系统，只对局部的实时数据有影响；同时，用户主机房服务器和通讯网络的故障，也不会造成现场的事故。
3、组态灵活，操作方便
自动化控制系统可全部自行组态，可以通过设备按键或者相关的组态软件进行组态。
计算机上的图表，如网点分布图、数据日报表、月报表等，以及报表格式、功能选择、数据采集点的增减等等，均可由软件应用方的工程师来设置。
防爆箱操作键盘完全与现场工艺对应，操作简便，安全。
4、系统实时监督功能
公司相关职能部门从网络计算机上就可以实时了解各采集点的数
据情况。
对于个别异常的数据点，可及时的进行分析和调查，找到问
题原因，为公司切实节省能源开支。
对于突发事故，职能部门可马上
找出事故地点进行及时处理，并可根据记录的历史记录找寻事故原因，
以保证公司部装置的安全。
5、自动化程度高
采用自动化控制系统后，作业现场整洁有序，企业自动化流程会有
很大提升。
所有数据在现场的智能仪表和监控软件上均可以查询，各
种报表和所有数据的统计全部由监控软件自动完成。
八、自动化控制系统的技术特点：
1、本设计方案具有良好的稳定性、可维护性、独立性，设计合理。
2、数据采集记录终端拥有独立数据存储功能，实现历史数据的本地存储和查询，与上层的监控软件相互独立，可自成一套稳定的数据采集记录体系。
3、本设计方案具有良好的可扩展性，其中监控软件的设计适应大型应用需求，适应今后业务扩展。
并可在软件不变的情况下，通过直接改变硬件配置而成倍提高系统的整体性能指标。
4、监控软件提供数据转存功能，按实际需求开发数据转存工具，为以
后的ERP系统提供精确、稳定的一线数据。
5、动态的监控数据画面，集数据点地理分布显示、详细数据调取，动
态报警、报警历史与一体，令监控及管理的工作变的及时、直观。
6、多种监控方式集成的监控环境，提供了实时趋势、历史趋势、动态
棒图，全方位满足用户的监控需求。
7、强大的报表系统，同时支持C/S、B/S模式，支持Excel所见即所
得的报表模板组态，方便用户扩展报表系统。
8、支持Web发布功能，方便用户的数据浏览。
9、关系数据库转存：
监控软件可以按规则将保存在历史数据库中的数据转储为信息系
统所支持的关系数据库，并通过特定开发的转存软件，对数据进行处
理，而后写入到ERP数据库，为企业的信息化提供真实而精确的数据。
（数据转存）
10、权限管理：
权限管理是整套软件的重要组成部分，通过权限管理与权限认证，
让用户在系统权限允许的围访问和修改自己所对应的资源，从而保证
系统的安全性。
九
仪表清单
序号
名称
口径
介质
数量
备注
1
一体化温度传感器
10
硝化反应釜温度；双
支
2
电动调节阀
DN40
水
20
冷却水进出口阀门
3
高温电动调节阀
DN25
蒸汽
20
蒸汽进出口阀门
4
电动调节阀
DN25
硝化剂
10
硝酸进料调节阀
5
电动切断阀
DN25
硝化剂
10
硝酸进料切断阀
6
电磁流量计
DN25
硝化剂
10
7
声光报警器
10
现场报警
8
隔离变送器
10
电流信号
9
电流互感器
10
控制搅拌电机
10
电动放料阀
DN50
酸性
10
紧急放料阀门
11
可燃气体报警器
4
升级会员 