250 kt/a輕芳烴加氫裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計

宋蓉楓

（中建安裝工程有限公司，南京 210000）

近年來，為了適應(yīng)日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求，不斷降低硫含量是汽油質(zhì)量升級的重點(diǎn)。催化裂化（FCC）汽油加氫脫硫技術(shù)作為提高汽油質(zhì)量的重要手段在煉油行業(yè)得到了較為廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[1]。250 kt/a輕芳烴加氫裝置的工藝是采用法國Axens公司的Prime G+技術(shù)，即采用固定床雙催化劑的加氫技術(shù)。正確理解該技術(shù)的工藝特點(diǎn)及自動化控制方案對工程設(shè)計、生產(chǎn)操作有著非常重要的作用。以下主要針對該裝置的安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行介紹。

1 工藝特點(diǎn)

250 kt/a輕芳烴加氫裝置的工藝流程如圖1所示，該裝置的工藝流程包括全餾分選擇性加氫（SHU）及分餾、精制油選擇性加氫脫硫（HDS）。

全餾分選擇性加氫（SHU）部分采用的是高選擇性加氫Mo-Ni系催化劑（HR-845）。在該反應(yīng)器內(nèi)主要進(jìn)行二烯烴選擇性加氫，輕硫組分轉(zhuǎn)變成重組分。該反應(yīng)耗氫比較少，氫油比比較小。反應(yīng)器流出物進(jìn)入分餾塔以分餾出3種餾分：輕組分汽油（LCN）、中間組分汽油（MCN）和重組分汽油（HCN），重組分汽油（HCN）被送往加氫脫硫（HDS）部分。

圖1 250 kt/a輕芳烴加氫裝置的工藝流程Fig.1 250 kt/a light aromatics hydrogenation unit process flow

加氫脫硫（HDS）部分采用的是高選擇性加氫Co-Mo系催化劑（HR-806）。在該反應(yīng)器內(nèi)主要進(jìn)行加氫脫硫反應(yīng)，將硫轉(zhuǎn)化為H2S，將烯烴加氫降到最低，限制產(chǎn)品中的硫醇含量。循環(huán)氣中硫含量比較高經(jīng)過胺洗后循環(huán)使用，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入汽提塔，經(jīng)汽提塔汽提后作為產(chǎn)品出裝置。

其工藝特點(diǎn)為通過工藝系統(tǒng)和催化劑系統(tǒng)的配置，建立合理的壓降分布、反應(yīng)溫度以及氫烴比，從而使操作條件相對緩和，空速較高，烯烴加氫活性低，不發(fā)生芳烴飽和裂化反應(yīng)，能夠在保證脫硫的同時，使烯烴飽和和辛烷值損失最小。汽油收率達(dá)99.5%，脫硫率大于98%[2]。

2 安全儀表系統(tǒng)SIS

安全儀表系統(tǒng)SIS是“靜態(tài)”系統(tǒng)，正常工況時，它始終監(jiān)視生產(chǎn)裝置的運(yùn)行，系統(tǒng)輸出不變，對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生影響；當(dāng)裝置操作工況發(fā)生異常且危及安全生產(chǎn)時，SIS獨(dú)立完成安全保護(hù)功能。根據(jù)發(fā)生危險情況的等級，及時自動（或手動）采取有效措施，聯(lián)鎖相關(guān)儀表執(zhí)行器動作，切斷危險源，以最大限度獲得人身和設(shè)備的安全。SIS包括傳感器、邏輯運(yùn)算器和最終執(zhí)行元件。

依據(jù)本裝置危險與可操作性分析（HAZOP）報告和安全儀表的安全完整性等級（SIL）定級報告，SIS回路的設(shè)計根據(jù)SIL等級（SIL1級安全儀表系統(tǒng)，傳感器可與控制系統(tǒng)共用；SIL2級安全儀表系統(tǒng)，傳感器宜與控制系統(tǒng)分開；SIL3級安全儀表系統(tǒng)，其傳感器應(yīng)與過程控制系統(tǒng)分開）確定現(xiàn)場檢測儀表的設(shè)置。當(dāng)多個單元的保護(hù)功能由一套安全儀表系統(tǒng)完成時，其公共部分應(yīng)符合（其內(nèi)）最高安全等級要求[3]。因此該裝置的安全儀表控制系統(tǒng)按照SIL3級設(shè)計。

3 現(xiàn)場儀表的設(shè)置

3.1 傳感器的設(shè)計選用

傳感器的設(shè)計選用應(yīng)遵循獨(dú)立設(shè)置原則、冗余設(shè)置原則、冗余選擇原則。下面就HDS反應(yīng)器床層和出口溫度舉例說明。

反應(yīng)器既存在軸向溫差又存在徑向溫差，測溫點(diǎn)數(shù)分布越均勻、越詳細(xì)、越能全面地反映反應(yīng)器內(nèi)床層溫度的變化。通過測量不同高度但同一圓周方位的床層溫度，了解床層中的反應(yīng)程度。通過測量同一高度但不同圓周方位的床層溫度，了解反映物流分布均勻程度[4]。

本裝置HDS反應(yīng)器設(shè)有2個催化劑床層，在每個催化劑床層按上中下3層設(shè)置測溫點(diǎn)，每個催化劑床層入口、出口處各設(shè)置一組測溫點(diǎn)，共4組，每組6點(diǎn)（冗余設(shè)置原則）。反應(yīng)器出口管線上設(shè)置一個測溫點(diǎn)。每個管嘴都安裝了獨(dú)立的溫度傳感器，一個用于SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖，一個用于DCS系統(tǒng)控制顯示（獨(dú)立設(shè)置原則）。共設(shè)置了50點(diǎn)的溫度傳感器（25點(diǎn)進(jìn)SIS系統(tǒng)，25點(diǎn)進(jìn)DCS系統(tǒng)），并采用了25取2的聯(lián)鎖邏輯（冗余選擇原則），從而保證了設(shè)備的安全生產(chǎn)。

3.2 最終執(zhí)行元件的設(shè)計選用

最終執(zhí)行元件包括控制閥（調(diào)節(jié)閥、切斷閥）、電磁閥、電機(jī)等，遵循故障安全型（正常工況處于勵磁狀態(tài)，故障工況時處于非勵磁狀態(tài)）原則。DCS和SIS不共用控制閥。閥門使用彈簧復(fù)位型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并設(shè)置閥位回訊開關(guān)，在SIS顯示閥位狀態(tài)。采用單電控電磁閥，電源由SIS提供，失電聯(lián)鎖，執(zhí)行器內(nèi)的空氣/液體通過電磁閥排出，使彈簧推動閥門至故障安全位置，下列情況除外：

（1）特殊設(shè)計禁止使用彈簧復(fù)位執(zhí)行器；

（2）使用了彈簧復(fù)位執(zhí)行器，但由于工藝方面的原因，例如，該裝置的緊急泄壓閥，彈簧實(shí)現(xiàn)的故障位置剛好與安全停車位置相反，則配置了事故空氣儲罐，保證閥門在聯(lián)鎖時到達(dá)安全位置。

4 SIS系統(tǒng)的選用

加氫裝置為高溫、高壓、臨氫系統(tǒng)，存在易燃、易爆、有毒介質(zhì)，因此為了保證裝置在異常情況下能夠迅速、安全地聯(lián)鎖停車，必須要求SIS系統(tǒng)具有較高的可靠性。根據(jù)本裝置安全儀表的安全完整性等級 （SIL）定級報告，裝置選用了HIMA公司的H51q-HRS系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有TüV認(rèn)證，安全級別達(dá)到 SIL3（IEC61508）和 AK6（TüV）。 系統(tǒng)采用了以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，四重化模塊的冗余容錯技術(shù)；采用了冗余和容錯的通信方式；與DCS通信接口模塊采用冗余配置，并帶自診斷功能，在DCS的操作站上顯示運(yùn)行狀態(tài)；回路設(shè)計成故障安全型，并能實(shí)現(xiàn)時序控制、計算、脈沖調(diào)幅、積算、數(shù)據(jù)鍵入、操作、通信等功能。

4.1 處理器模塊

H51q-HRS系統(tǒng)是基于HI-Quad技術(shù)的四重化QMR CPU結(jié)構(gòu)的中央處理單元以及安全冗余的I/O模塊組成。如圖2所示，安全儀表系統(tǒng)的中央控制單元共有4個微處理器，每2個微處理器集成在1塊CU模件上，再由2塊同樣的CU模件構(gòu)成中央控制單元。一塊CU模件已經(jīng)構(gòu)成1oo2D（2取1帶診斷）結(jié)構(gòu)，而HIMA的1oo2D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可以滿足AK6/SIL3的安全標(biāo)準(zhǔn)。采用雙1oo2D結(jié)構(gòu)，即2oo4D（4取2帶診斷）結(jié)構(gòu)的目的是為用戶提供最大的實(shí)用性（可利用性），其容錯功能使系統(tǒng)中任何一個部件發(fā)生故障，均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行[5]。IO模件的每個信號通道都包含有相互獨(dú)立的3個通道，每塊IO模件實(shí)際相當(dāng)于相互獨(dú)立的3個單通道卡件。在中央?yún)^(qū)域故障的情況下，整個系統(tǒng)可通過1個獨(dú)立的高優(yōu)先級別的檢測看門狗（watchdog）的硬電路系統(tǒng)，發(fā)出停機(jī)命令而使生產(chǎn)裝置安全停車。

圖2 H51q-HRS處理器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Processor structure diagram of H51q-HRS

4.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本裝置系統(tǒng)硬件構(gòu)成包括工程師站、SOE站、輔操臺和控制機(jī)柜（系統(tǒng)柜和輔助柜）。裝置的I/O點(diǎn)數(shù)如表1所示，根據(jù)裝置的I/O點(diǎn)數(shù)，該系統(tǒng)配置了1個中央機(jī)架、1個附加5 V電源套件、3對I/O機(jī)架、7塊DI卡件、9塊DO卡件、18塊AI卡件，均不含冗余卡件。每對I/O機(jī)架分主機(jī)架和冗余機(jī)架，彼此卡件布置完全相同，之間采用冗余的I/O BUS相連，以實(shí)現(xiàn)I/O完全冗余。此外，3取2的信號分別引入不同的輸入卡件，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

表1 輕芳烴加氫裝置的SIS輸入輸出點(diǎn)數(shù)匯總Tab.1 I/O points of light aromatics hydrogenation unit SIS

5 裝置主要聯(lián)鎖保護(hù)方案

本裝置的SIS系統(tǒng)是圍繞著原料泵聯(lián)鎖系統(tǒng)、新氫/循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、SHU/HDS反應(yīng)器聯(lián)鎖系統(tǒng)、加熱爐聯(lián)鎖系統(tǒng)、緊急泄放聯(lián)鎖系統(tǒng)為中心進(jìn)行設(shè)計的。SIS系統(tǒng)將各個關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并通過設(shè)計合理的邏輯關(guān)系，使之相互影響，共同協(xié)作。

5.1 緊急泄放聯(lián)鎖系統(tǒng)

本裝置加氫反應(yīng)單元的緊急泄放聯(lián)鎖系統(tǒng)分為選擇性加氫（SHU）和加氫脫硫（HDS）兩部分。通過對緊急泄放聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)置，使得裝置在遇到突發(fā)事故時，反應(yīng)系統(tǒng)的緊急卸壓閥將自動打開，保護(hù)設(shè)備，防止發(fā)生超壓。同時，卸壓時閃蒸的物料將反應(yīng)系統(tǒng)的大量熱量攜帶出去，降低反應(yīng)器床層溫度，避免超溫或“飛溫”事故，防止催化劑結(jié)焦。

（1）在選擇性加氫（SHU）部分設(shè)置了SHU反應(yīng)器至穩(wěn)定塔的緊急泄壓閥和穩(wěn)定塔塔頂緊急泄壓閥。當(dāng)按下緊急泄壓現(xiàn)場按鈕或輔操臺按鈕，裝置緊急泄壓，泄放介質(zhì)由SHU反應(yīng)器先經(jīng)泄壓孔板（保證SHU反應(yīng)器在15 min內(nèi)泄壓至7 bar）降壓后至穩(wěn)定塔，在穩(wěn)定塔中將泄放介質(zhì)進(jìn)行氣液兩相分離，以減少液相損失，并避免大量汽油進(jìn)入放空罐，氣相在穩(wěn)定塔頂泄放至火炬系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的主要聯(lián)鎖動作為打開SHU反應(yīng)器至穩(wěn)定塔旁路泄壓閥和穩(wěn)定塔頂泄壓閥；關(guān)閉SHU穩(wěn)定塔回流罐氫氣壓控閥和不凝氣排放閥；切斷SHU反應(yīng)器進(jìn)料（輕芳烴和氫氣）；切斷SHU反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱器和SHU穩(wěn)定塔重沸器的熱源；關(guān)閉分餾塔回流罐氫氣壓控閥和不凝氣排放閥。

（2）在加氫脫硫（HDS）部分設(shè)置了HDS反應(yīng)器至火炬的緊急泄壓閥。當(dāng)按下緊急泄壓現(xiàn)場按鈕或輔操臺按鈕，裝置緊急泄壓，泄放介質(zhì)由HDS反應(yīng)器經(jīng)換熱器、空冷器進(jìn)入HDS分液罐，將泄放介質(zhì)進(jìn)行氣液兩相分離，氣相在分離罐罐頂經(jīng)泄壓孔板（保證HDS反應(yīng)器在15 min內(nèi)泄壓至7 bar）降壓后泄放至火炬系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的主要聯(lián)鎖動作為HDS至火炬泄壓閥打開；新氫壓縮機(jī)旁路返回線和穩(wěn)定塔底重沸器熱源旁路線全開；停止循環(huán)氫壓縮機(jī)；停止HDS加熱爐和貧胺液泵；切斷HDS部分進(jìn)料 （重汽油和氫氣）；切斷HDS穩(wěn)定塔進(jìn)料；切斷酸性水、貧富胺液、工藝注水和分離罐底輕烴等，防止系統(tǒng)竄入循環(huán)氫；聯(lián)鎖停止SHU部分的進(jìn)料和熱源，有效避免了工藝系統(tǒng)因失去控制而持續(xù)超溫、超壓[6]。

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

本裝置共有4臺壓縮機(jī)，包括2臺循環(huán)氫壓縮機(jī)，2臺新氫壓縮機(jī)。氫氣壓縮機(jī)是加氫裝置的心臟，它既為反應(yīng)過程提供氫氣，又為控制反應(yīng)器床層溫度提供冷氫，一旦發(fā)生停機(jī)、供氫中斷、供氫壓力出現(xiàn)劇烈波動，會造成反應(yīng)器超溫、超壓引起爆炸等事故。此外，高壓分離器液面過高、循環(huán)氫帶液，也會使壓縮機(jī)產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時會損壞設(shè)備，造成氫氣泄漏引起爆炸事故。下面以循環(huán)氫壓縮機(jī)為例，說明壓縮機(jī)部分的聯(lián)鎖系統(tǒng)，聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。

圖3 循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖邏輯Fig.3 Interlock logic diagrams of circulating hydrogen compressor

5.2.1 啟動聯(lián)鎖

當(dāng)下列條件均具備時允許啟動：供油總管油壓≥0.2 MPa，供油總管油溫＞10℃，盤車機(jī)構(gòu)脫開，壓縮機(jī)入口、出口切斷閥全開，沒有聯(lián)鎖存在，人工確認(rèn)允許啟動。

5.2.2 停車聯(lián)鎖

停車聯(lián)鎖系統(tǒng)包含裝置工藝聯(lián)鎖和設(shè)備保護(hù)聯(lián)鎖。

裝置工藝聯(lián)鎖啟動條件為循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐高高液位（3取2）；輔操臺上循環(huán)氫壓縮機(jī)急停按鈕；循環(huán)氫壓縮機(jī)入口切斷閥關(guān)閉；循環(huán)氫壓縮機(jī)出口切斷閥關(guān)閉。

設(shè)備保護(hù)聯(lián)鎖啟動條件為循環(huán)氫壓縮機(jī)潤滑油供油總管壓力低低（3取2）；循環(huán)氫壓縮機(jī)主電機(jī)定子溫度高高；循環(huán)氫壓縮機(jī)主軸承溫度高高。

該系統(tǒng)的聯(lián)鎖動作為循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)；關(guān)閉壓縮機(jī)入口、出口切斷閥、至HDS的補(bǔ)充氫切斷閥；HDS反應(yīng)系統(tǒng)馳放氣排放閥關(guān)閉；HDS穩(wěn)定塔至HDS反應(yīng)部分進(jìn)料切斷；加熱爐熄火。

SIS系統(tǒng)按故障安全型設(shè)計，即正常時帶電，事故時失電。所有聯(lián)鎖保護(hù)輸入輸出觸點(diǎn)正常操作條件下閉合，在事故情況下打開。其中，聯(lián)鎖復(fù)位按鈕采用軟按鈕，設(shè)置在操作站上，緊急停車按鈕設(shè)置在中心控制室的SIS輔助操作臺上。每個聯(lián)鎖輸入設(shè)置了儀表維護(hù)軟旁路開關(guān)和軟旁路指示燈。軟按鈕和軟開關(guān)設(shè)在操作站上，儀表維護(hù)軟旁路開關(guān)、工藝旁路軟開關(guān)采用密碼方式啟動。

5.3 SHU/HDS反應(yīng)器聯(lián)鎖系統(tǒng)

在SHU反應(yīng)器中，由于選擇性加氫反應(yīng)器主要在液相下操作，因此設(shè)置了輕芳烴進(jìn)入SHU反應(yīng)器流量低低（3取2），確保反應(yīng)器入口有足夠的液相流速。反應(yīng)器床層溫度是判斷反應(yīng)分布情況的依據(jù)，床層最高溫度與入口溫度之差是床層的溫升，溫升大小表示反應(yīng)的激烈程度和反應(yīng)深度。入口溫度變化、原料性質(zhì)變化、進(jìn)料量大小、催化劑使用狀況等影響床層溫度和溫升變化。如果反應(yīng)器床層超溫或飛溫，超過鋼材的耐受范圍，反應(yīng)器外殼鋼材材質(zhì)會發(fā)生過燒、受損，機(jī)械承壓強(qiáng)度迅速降低，在操作壓力的作用下可能出現(xiàn)鼓包等現(xiàn)象，嚴(yán)重者會在操作壓力作用下發(fā)生物理性爆炸，進(jìn)而引發(fā)化學(xué)性爆炸。因此SHU反應(yīng)器軸向在不同的截面位置上，徑向在進(jìn)出口處均設(shè)有溫度測溫點(diǎn)（10取2），能夠全面地監(jiān)測加氫反應(yīng)溫度，監(jiān)測“熱點(diǎn)”溫度的變化。

該系統(tǒng)的聯(lián)鎖動作為切斷SHU反應(yīng)器進(jìn)料（輕芳烴和新氫）；切斷SHU反應(yīng)進(jìn)料預(yù)熱器的熱源；同時SHU反應(yīng)進(jìn)料/流出物換熱器，SHU反應(yīng)進(jìn)料/SHU穩(wěn)定塔底油換熱器完全甩開走旁路，從而停止加氫反應(yīng)進(jìn)料的加熱，使反應(yīng)器逐漸降溫。

在HDS反應(yīng)器中，HDS反應(yīng)為氣相全放熱反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)全部為氣相，設(shè)置了循環(huán)氫進(jìn)入HDS反應(yīng)器流量低低（3取2），采用第二床層入口溫度的平均值控制冷氫的流量以控制反應(yīng)器床層溫升，HDS反應(yīng)器內(nèi)部和出口設(shè)置了出口超溫（25取2）。在HDS反應(yīng)中，混氫原料在催化劑作用下，主要進(jìn)行加氫脫硫、烯烴飽和等精制反應(yīng)，并同時最大限度降低辛烷值損失。

該系統(tǒng)的聯(lián)鎖動作為HDS加熱爐熄火；停止HDS進(jìn)料泵、HDS穩(wěn)定塔底泵；切斷HDS穩(wěn)定塔至HDS反應(yīng)器進(jìn)料；此時主要通過維持循環(huán)氫壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)降低反應(yīng)器的溫度小于250℃，阻止反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生，保護(hù)反應(yīng)器床層。

5.4 加熱爐聯(lián)鎖系統(tǒng)

加熱爐是通過燃燒瓦斯釋放的熱量對反應(yīng)進(jìn)料（原料油、氫氣）進(jìn)行加熱，使反應(yīng)進(jìn)料的溫度達(dá)到加氫反應(yīng)的要求。如果進(jìn)料流量低低，則爐管內(nèi)介質(zhì)不能正常流動，而會受到持續(xù)加熱，造成局部過熱，超溫，導(dǎo)致爐管內(nèi)部結(jié)焦，從而導(dǎo)熱性能變差，不能正常工作[7]。所以當(dāng)裝置緊急泄壓、循環(huán)氫壓縮機(jī)停車、反應(yīng)進(jìn)料中混氫流量過低、加氫進(jìn)料泵出口流量過低、加氫進(jìn)料泵停車、反應(yīng)器床層和出口溫度過高等條件之一存在時聯(lián)鎖切斷瓦斯氣，加熱爐熄火。

5.5 機(jī)泵保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)

機(jī)泵的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)相對簡單，就本裝置而言，主要是原料泵的保護(hù)聯(lián)鎖。當(dāng)塔釜液位低低，循環(huán)氫進(jìn)HDS流量低低，原料泵將聯(lián)鎖自停。在聯(lián)鎖邏輯設(shè)計中，各個聯(lián)鎖系統(tǒng)是相互依存、相互影響的。例如，緊急泄放聯(lián)鎖啟動、循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖啟動、SHU/HDS聯(lián)鎖啟動時，加熱爐熄火時，原料泵也應(yīng)相應(yīng)地聯(lián)鎖停車。

6 結(jié)語

隨著石油化工生產(chǎn)裝置越來越大規(guī)模連續(xù)性的生產(chǎn)，在實(shí)現(xiàn)APC先進(jìn)控制的同時，設(shè)計操作指標(biāo)離安全臨界點(diǎn)越來越近，發(fā)生危險的可能性也隨之增加。SIS作為安全生產(chǎn)的一道關(guān)鍵防線，擔(dān)負(fù)著在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)、識別、確認(rèn)事故隱患，作出必要的反應(yīng)、保障生產(chǎn)安全的任務(wù)，其重要性是不言而喻的。因此，對于設(shè)計者和企業(yè)而言，必須在應(yīng)用方面繼續(xù)深入地探索并在實(shí)踐中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，長期維護(hù)并定期功能評價、測試，使SIS的設(shè)計和應(yīng)用在不斷改進(jìn)中日臻完善。

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