90 kt/a正丁烷裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃麗梅

(中建安裝石化工程設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(safety interlock system，SIS)也稱緊急停車系統(tǒng)(emergency shutdown device，ESD)［1］，它是為生產(chǎn)過程的安全而設(shè)置的，適用于高溫、高壓、易燃、易爆等連續(xù)性生產(chǎn)作業(yè)領(lǐng)域。SIS的作用是對生產(chǎn)過程狀況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視，當(dāng)某些工藝參數(shù)達(dá)到或超過一定數(shù)值，或者生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常變化時(shí)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖關(guān)系自動(dòng)地采取安全措施，啟動(dòng)或關(guān)閉某些設(shè)備甚至停車，從而使裝置停在一定的安全水平上，大大降低了操作人員所面臨的危險(xiǎn)性。根據(jù)正丁烷裝置的工藝設(shè)備和控制過程的特點(diǎn)，研究和設(shè)計(jì)了一系列緊急停車聯(lián)鎖邏輯，提出了改進(jìn)優(yōu)化方案，以進(jìn)一步提高石油、化工、冶金等企業(yè)安全生產(chǎn)水平和自動(dòng)化生產(chǎn)管理水平。

1 正丁烷裝置的聯(lián)鎖系統(tǒng)

確保裝置和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及故障安全聯(lián)鎖，是進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)的主要目的。當(dāng)工藝生產(chǎn)過程一旦出現(xiàn)異常情況，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)按照已定的聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行控制，使相關(guān)設(shè)備聯(lián)鎖動(dòng)作，裝置安全停車或緊急停車，以盡可能減少對生產(chǎn)過程的不利影響［2-3］。因此，安全聯(lián)鎖邏輯(如信號(hào)報(bào)警聯(lián)鎖點(diǎn)的設(shè)置、邏輯運(yùn)算關(guān)系、狀態(tài)變量動(dòng)作的設(shè)定值等)的合理設(shè)計(jì)是非常必要的。

正丁烷裝置的工藝流程設(shè)計(jì)主要分為氣體分離單元、加氫反應(yīng)單元、公用工程單元三個(gè)單元，而在加氫反應(yīng)單元中，還包括了循環(huán)氫氣壓縮機(jī)部分和新氫氣壓縮機(jī)部分。其中，加氫反應(yīng)工段的工藝過程比較復(fù)雜，相互制約和影響的因素較多，而且加氫反應(yīng)是在高溫、高壓、臨界條件下進(jìn)行的，所以維持反應(yīng)器床層的溫度和壓力在要求范圍內(nèi)，是裝置安全生產(chǎn)的必要條件。壓縮機(jī)機(jī)組和電加熱爐的正常運(yùn)行和自動(dòng)保護(hù)是保證裝置安全運(yùn)行的關(guān)鍵，因此必須設(shè)計(jì)一套安全可靠的自動(dòng)控制及自動(dòng)聯(lián)鎖系統(tǒng)并加以嚴(yán)格管理，以確保裝置生產(chǎn)人員和工藝設(shè)備的安全［4］。

2 安全系統(tǒng)的常用指標(biāo)

①系統(tǒng)故障率

根據(jù)可靠性工程理論可知，系統(tǒng)故障概率是具有一定規(guī)律分布的隨機(jī)事件［2］。一般情況下，儀表系統(tǒng)故障率的計(jì)算公式可表示為:

式中:λ為儀表系統(tǒng)故障率;C為在Δt時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生故障的元件數(shù);N為整個(gè)系統(tǒng)使用的元件數(shù);Δt為考慮的時(shí)間范圍。

②平均無故障時(shí)間(mean time between failures，MTBF)

平均無故障時(shí)間MTBF是系統(tǒng)故障率的倒數(shù)，可用式(2)表示:

③ 平均故障修復(fù)時(shí)間(mean time to repair，MTTR)

MTTR是指系統(tǒng)或裝置在發(fā)生故障后，從維修到修復(fù)完善且投入正常使用后所需要的平均時(shí)間，它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值且遠(yuǎn)小于MTBF，可由下式表示:

式中:Δti為每次維修所花費(fèi)的時(shí)間。

④可用度(A)

可用度(A)是表征系統(tǒng)可靠性的一個(gè)指標(biāo)，是一個(gè)概率值，是指系統(tǒng)在任何情況下都可使用的工作期，一般用百分?jǐn)?shù)計(jì)算，常用式(4)來表示:

由式(4)可知，若提高系統(tǒng)的 MTBF或者降低MTTR，能夠有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

⑤表決(voting)

表決的基本原理是對系統(tǒng)中每個(gè)支路的數(shù)據(jù)通過多個(gè)原則進(jìn)行比較與修正，常用的表決器有:1取1表決(1oo1)、1取1帶診斷(1oo1D)、2取1表決(1oo2)、2 取1帶診斷(1oo2D)、3取2表決(2oo3)［5］、4取2帶診斷(2oo4D)。

⑥ 安全完整性等級(jí)(safety integrity level，SIL)

安全完整性等級(jí)［6］是指ESD系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對操作人員和生產(chǎn)設(shè)備造成的損害程度所進(jìn)行的定性分析。根據(jù)IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，可以將安全完整性等級(jí)定義為4級(jí)(SIL1～SIL4)，且安全等級(jí)與安全性呈正比關(guān)系，即安全等級(jí)越高，ESD系統(tǒng)的安全性越高。

3 SIS系統(tǒng)的硬件方案

本裝置所設(shè)計(jì)的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用了 GE Intelligent Platforms三重化冗余［7］的控制系統(tǒng)平臺(tái)，最高可達(dá)到SIL3/AK6的安全等級(jí)。

SIS系統(tǒng)的硬件配置如圖1所示。系統(tǒng)配置了工程師站、操作員站;三重化冗余表決控制器;三重化表決AI/DI模塊組，I型的DO輸出;冗余光纖，三重化冗余的Genius I/O通信網(wǎng)絡(luò)。其中，工程師站擁有最高的操作權(quán)限，它除具有操作員站的全部功能，還具有軟件編程組態(tài)、邏輯修改、監(jiān)控界面組態(tài)和事件順序記錄功能(sequence of event，SOE);而操作員站僅允許操作人員進(jìn)行流程顯示、報(bào)警顯示以及一般操作等，用于存放過程歷史數(shù)據(jù)。事件順序記錄站(SOE)與工程師站共用，并通過冗余光纖與各控制器進(jìn)行通信，用于在線記錄系統(tǒng)的各類報(bào)警及動(dòng)作事件。

圖1 SIS系統(tǒng)的硬件配置Fig.1 Hardware configuration of SIS

Genius通信網(wǎng)絡(luò)是基于GE智能化平臺(tái)開發(fā)的并應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一種工業(yè)現(xiàn)場總線。Genius總線是一條對等的令牌網(wǎng)絡(luò)，一條網(wǎng)絡(luò)最多可以有32個(gè)站點(diǎn)。該網(wǎng)絡(luò)具有很高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率和良好的實(shí)時(shí)性。Genius通信網(wǎng)絡(luò)采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)(frequency shift keying，F(xiàn)SK)，可以有效防止工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾。

在SIS系統(tǒng)中，三重化冗余Genius通信網(wǎng)絡(luò)是三重冗余表決控制器與各個(gè)I/O輸入、輸出表決模塊組的通信紐帶，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中負(fù)責(zé)冗余表決控制器以及I/O站之間的數(shù)據(jù)同步和交換。而各自獨(dú)立的控制器從每條Genius總線上接收這些輸入信號(hào)并對信號(hào)進(jìn)行表決，然后根據(jù)表決結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)用程序。

系統(tǒng)中模擬量或數(shù)字量的輸入、輸出信號(hào)的點(diǎn)數(shù)是選擇SIS系統(tǒng)和I/O設(shè)備的主要依據(jù)。依據(jù)正丁烷裝置聯(lián)鎖邏輯的控制需求和功能，系統(tǒng)所需的I/O點(diǎn)數(shù)如表1所列。

表1 I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of the I/O points

一般情況下，在進(jìn)行系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)后，應(yīng)在得到的I/O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，增加15% ～20%的裕量，以便于系統(tǒng)日后的修改或升級(jí)。

4 聯(lián)鎖邏輯的設(shè)計(jì)

對于加氫反應(yīng)過程中的不正常操作(如停電、停風(fēng)、壓縮機(jī)停車等故障)［8］，如果處理不及時(shí)，就會(huì)發(fā)生重大事故，尤其是加氫裝置屬于高溫高壓裝置，處理不當(dāng)還可能發(fā)生爆炸等事故。因此，為了確保裝置的安全運(yùn)行，必須配置聯(lián)鎖自保系統(tǒng)。加氫反應(yīng)單元的一般聯(lián)鎖點(diǎn)為:壓縮機(jī)組、反應(yīng)進(jìn)料泵、緊急放空系統(tǒng)和電加熱爐之間的相互聯(lián)鎖自保。加氫反應(yīng)單元中的聯(lián)鎖的目的是在緊急狀態(tài)下，保證加氫反應(yīng)系統(tǒng)不超壓、反應(yīng)器不超溫或“飛溫”，保證催化劑不結(jié)焦或積炭。局部聯(lián)鎖點(diǎn)為:壓縮機(jī)自身的聯(lián)鎖自保(如潤滑油壓力、冷卻水、電機(jī)溫度、氣缸溫度等);反應(yīng)進(jìn)料泵自身的聯(lián)鎖自保(如潤滑油壓力、冷卻水和軸承溫度)。局部聯(lián)鎖的目的是保證機(jī)泵本身不受損壞。

4.1 循環(huán)氫/新氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

循環(huán)氫壓縮機(jī)的作用是壓縮來自高壓分離罐的循環(huán)氫，并將其再次打入反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)。一般加氫裝置要求設(shè)有兩臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī)(C3301A/B)，一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用，這對裝置的長周期安全生產(chǎn)十分重要。新氫壓縮機(jī)(C3302)的作用是將新鮮氫氣增壓并送入反應(yīng)系統(tǒng)，壓縮機(jī)出入口壓差較大，一般采用二級(jí)或三級(jí)壓縮，且均采用往復(fù)式壓縮機(jī)。

根據(jù)SIS系統(tǒng)的故障安全原則，在本文的聯(lián)鎖系統(tǒng)中，I/O信號(hào)均采用常閉觸點(diǎn)開關(guān)儀表，即在正常情況下，觸點(diǎn)閉合通電為“1”;在事故情況下，常閉觸點(diǎn)斷開為“0”［9］。循環(huán)氫/新氫壓縮機(jī)開機(jī)邏輯圖如圖2所示。

圖2 循環(huán)氫/新氫壓縮機(jī)開機(jī)邏輯圖Fig.2 Startup logic of the recycle/fresh hydrogen compressor

圖2中:上方左側(cè)虛線框內(nèi)是聯(lián)鎖邏輯的輸入信號(hào);上方右側(cè)虛線框內(nèi)是所設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系;下方虛線框內(nèi)則是聯(lián)鎖邏輯所控制的執(zhí)行單元。循環(huán)氫/新氫壓縮機(jī)的開機(jī)啟動(dòng)條件比較簡單，即只要潤滑油供油壓力和溫度正常，便允許開機(jī)。

當(dāng)過程氣的成分、液位、壓力、溫度以及流量等狀態(tài)變量發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)、機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障或某些能源中斷時(shí)，循環(huán)氫/新氫壓縮機(jī)仍然能保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

加氫反應(yīng)單元必須設(shè)置系統(tǒng)的緊急放空閥(XV-2301)。在裝置遇到突發(fā)事故時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)的緊急放空閥將自動(dòng)打開，它的作用主要是在單位時(shí)間內(nèi)，通過卸壓將反應(yīng)系統(tǒng)的大量熱量攜帶出去，保證反應(yīng)器床層不超溫或“飛溫”，保證催化劑不結(jié)焦。

循環(huán)氫/新氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖邏輯圖如圖3所示。

圖3 循環(huán)氫/新氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖邏輯圖Fig.3 Interlock logic of the recycle/fresh hydrogen compressor

當(dāng)潤滑油供油壓力、電機(jī)軸承溫度或者循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐液位出現(xiàn)異常時(shí)，循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車，火炬放空總管切斷閥打開。新氫壓縮機(jī)的聯(lián)鎖邏輯較為簡單，當(dāng)潤滑油供油壓力或者新氫壓縮機(jī)入口分液罐液位出現(xiàn)異常時(shí)，新氫壓縮機(jī)緊急聯(lián)鎖停車。

4.2 加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖系統(tǒng)

加氫精制工段中的加氫反應(yīng)為強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)［10］，而且系統(tǒng)壓力也關(guān)系到加氫反應(yīng)單元平穩(wěn)操作、設(shè)備和人員安全，所以加氫反應(yīng)器的溫度、干氣密封氮?dú)鈮毫?、干氣密封火炬壓力、加氫進(jìn)料泵油壓系統(tǒng)壓力是加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖的重要條件。

高壓分離罐的作用主要是將反應(yīng)產(chǎn)物分離為氣、油、水三相。如果高壓分離罐的液位超高，會(huì)導(dǎo)致循環(huán)氫帶液，危害壓縮機(jī)的正常運(yùn)行;如果高壓分離罐的液位低或者液位抽空，會(huì)導(dǎo)致惡性爆炸事故發(fā)生。因此，高壓分離罐的液位也是加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖的重要條件之一。在加氫進(jìn)料泵的聯(lián)鎖邏輯中，當(dāng)聯(lián)鎖條件經(jīng)過聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算之后，若符合聯(lián)鎖動(dòng)作的要求，則加氫進(jìn)料泵和輔助油泵均相應(yīng)的啟動(dòng)或停止。

4.3 電加熱爐聯(lián)鎖系統(tǒng)

在加氫反應(yīng)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，嚴(yán)防超溫。溫度過高，反應(yīng)劇烈，易造成飛溫，損壞設(shè)備本體材質(zhì)，降低使用壽命，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸事故，而在溫度控制中，電加熱爐爐膛的過熱保護(hù)極其重要。因此，電加熱爐的聯(lián)鎖自保系統(tǒng)也起著非常重要的作用。在聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)中，各個(gè)連鎖系統(tǒng)是相互依存、相互影響的。例如，當(dāng)加氫進(jìn)料泵或者循環(huán)氫壓縮機(jī)處于運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電加熱爐也應(yīng)相應(yīng)地聯(lián)鎖停車。

5 結(jié)束語

本文通過設(shè)計(jì)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對正丁烷裝置的各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，并通過設(shè)計(jì)合理的聯(lián)鎖條件，使之相互影響，協(xié)同動(dòng)作。在工藝參數(shù)即將超限或某一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可能對整個(gè)裝置造成危害性影響之前，其他相關(guān)設(shè)備聯(lián)鎖動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)裝置安全停車、緊急停車。

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