淺談聚丙烯裝置中PDS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隋欣

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

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淺談聚丙烯裝置中PDS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隋欣

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

摘要：產(chǎn)品卸料系統(tǒng)(PDS)的穩(wěn)定性與可靠性直接影響到聚丙烯產(chǎn)品的產(chǎn)率。簡要介紹了采用UNIPOL工藝生產(chǎn)聚丙烯裝置中PDS的流程及其特點(diǎn)；闡述了PDS控制系統(tǒng)的組成、PLC硬件的選型、PLC軟件的設(shè)計(jì)、PDS閥門的選型與設(shè)計(jì)、順序控制和聯(lián)鎖邏輯的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)描述了順序控制邏輯的步驟、順序控制時(shí)間的設(shè)定、順序控制終止與聯(lián)鎖邏輯保護(hù)等相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從而為同類型聚丙烯裝置中PDS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了思路與參考。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品卸料系統(tǒng)卸料閥聚丙烯可編程控制器

Brief Discussion on PDS Control System Design in Polypropylene Plant

Sui Xin

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

Abstracts: Production yield of polypropylene is directly affected by the stability and reliability of product discharge system(PDS). The process and its characteristics of PDS in polypropylene installation with UNIPOL process are briefly introduced.PDS control system composition, PLC hardware type selection, PLC software design, type selection and design of PDS valve, sequence control and interlocking logic design are expounded. Relative key design points of steps of sequence control logic, sequence control time setting, sequence control termination and interlock logic protection etc. are described in detail. The thinking and reference for PDS control system design for same type of polypropylene installation are provided.

Key words:product discharge system; discharge valve; polypropylene; programmable logic controlle

UNIPOL是一項(xiàng)以低壓氣相流化床反應(yīng)器生產(chǎn)聚丙烯的工藝技術(shù)，產(chǎn)品卸料系統(tǒng)PDS (products discharge system)是聚丙烯裝置中重要的組成部分。由于聚合反應(yīng)的生成物聚丙烯粉料容易自聚，如果PDS控制系統(tǒng)中閥門動作順序不對或者動作時(shí)間配合不當(dāng)，粉料自聚輕則引發(fā)管道堵塞，造成長時(shí)間減產(chǎn)，重則直接引發(fā)全廠緊急停車，甚至造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。況且，PDS控制系統(tǒng)每一次故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失很大，已遠(yuǎn)超PDS控制系統(tǒng)自身的價(jià)值。因此，正確合理地設(shè)計(jì)PDS控制系統(tǒng)是聚丙烯裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1PDS工藝流程

催化劑和氣態(tài)丙烯被連續(xù)加入流化床反應(yīng)器內(nèi)，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ψ饔孟戮酆戏磻?yīng)生成粉狀的聚丙烯，當(dāng)粉狀的聚丙烯在流化床的床層堆積到一定量時(shí)，通過邏輯順序控制，聚丙烯粉料在壓差的作用下以批次的方式從反應(yīng)器排出至產(chǎn)品倉，在產(chǎn)品倉中循環(huán)氣與聚丙烯粉料進(jìn)行氣固分離，循環(huán)氣返回到反應(yīng)器頸部，聚丙烯粉料則被送至產(chǎn)品卸料罐，然后根據(jù)最終產(chǎn)品的不同將聚丙烯粉料送往產(chǎn)品脫氣倉(當(dāng)生產(chǎn)均聚物和無規(guī)共聚物時(shí))或是送往轉(zhuǎn)送罐過濾器(當(dāng)生產(chǎn)抗沖共聚物時(shí))，形成聚丙烯產(chǎn)品。從聚丙烯粉料離開反應(yīng)器開始，經(jīng)過產(chǎn)品倉至產(chǎn)品卸料罐最后排出的工藝過程，被稱為PDS。

聚丙烯反應(yīng)器有4套PDS，共分為2對。通常這2對PDS交替切換進(jìn)行卸料，而每1對PDS內(nèi)部既可以交互運(yùn)行，也可以獨(dú)立運(yùn)行。為了防止反應(yīng)器壓降過快而使整個(gè)聚合反應(yīng)的運(yùn)行受到影響，原則上規(guī)定： 反應(yīng)器只能同時(shí)給1個(gè)產(chǎn)品倉進(jìn)行卸料，即只有當(dāng)1套PDS完成產(chǎn)品倉進(jìn)料和產(chǎn)品倉氣體交互后，才允許另1套PDS開始進(jìn)行產(chǎn)品倉進(jìn)料的順控邏輯。1對PDS的流程如圖1所示。

圖1　1對PDS流程示意

2PDS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PDS控制系統(tǒng)主要由負(fù)責(zé)自動化控制的PLC系統(tǒng)、負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)邏輯控制的閥門以及相關(guān)測量儀表組成。PDS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮PLC系統(tǒng)的選型、軟件的設(shè)計(jì)、PDS特殊閥門的選型、順控與聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)等問題。

2.1PLC系統(tǒng)的選型

PDS具有極高的動作頻率和循環(huán)次數(shù)，相關(guān)閥門每年動作約50萬次，頻繁動作就要求PDS控制系統(tǒng)應(yīng)具有高可靠性和高穩(wěn)定性。因此，PDS控制系統(tǒng)應(yīng)由1套獨(dú)立的、高安全性的、滿足三重化冗余要求的PLC系統(tǒng)來完成。具體要求如下：

1) PLC系統(tǒng)應(yīng)為三重化冗余結(jié)構(gòu)。包括處理器模塊(CPU)、內(nèi)部通信模塊(內(nèi)部接口模塊、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線模塊)、輸入輸出模塊(I/O)必須全部為三重化冗余配置，并且可以做到在線更換。

2) PLC系統(tǒng)電源實(shí)現(xiàn)1∶1方式冗余配置。

3) PLC系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的通信應(yīng)為冗余配置。

4) PLC系統(tǒng)應(yīng)為故障安全型系統(tǒng)，控制失效——安全型降級模式為3—2—1—0模式，即模塊的3個(gè)通道有1個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，剩余2個(gè)冗余通道進(jìn)行“2選2”的表決方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，系統(tǒng)相當(dāng)于雙重化結(jié)構(gòu)繼續(xù)正常運(yùn)行。

2.2PLC系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了便于組態(tài)和操作，并減少人為操作事故的發(fā)生，PLC系統(tǒng)的軟件操作界面需要包含以下內(nèi)容：

1) 能指示PDS控制系統(tǒng)順控的步驟，并能查看每一步允許條件的滿足情況和動作的完成情況。

2) 對于趨勢圖來說，可以按類型分成若干畫面，每個(gè)畫面都有各類趨勢畫面的菜單及功能鍵，包括趨勢時(shí)間間隔設(shè)定和起始時(shí)間，并能顯示系統(tǒng)中發(fā)生報(bào)警或聯(lián)鎖點(diǎn)的位號、名稱、發(fā)生的具體時(shí)間、報(bào)警或聯(lián)鎖點(diǎn)的值。

3) 建立閥門狀態(tài)列表，能顯示每套PDS控制系統(tǒng)中閥門的狀態(tài)，閥門完成動作的時(shí)間，手動/自動狀態(tài)等。每個(gè)閥門都有手動軟開關(guān)，能在閥門置于手動狀態(tài)時(shí)遠(yuǎn)程開關(guān)閥門。

4) PDS控制系統(tǒng)應(yīng)有“自動”、“單步”和“手動”三種工作模式。其中“手動模式”中，可以在操作員站的閥門狀態(tài)列表內(nèi)對閥門進(jìn)行任意的開關(guān)動作?！皢尾健庇脕頇z驗(yàn)每一步驟的完成情況，便于更好地調(diào)整動作時(shí)間和允許時(shí)間。工作模式的切換，只允許具有特定操作權(quán)限人員進(jìn)行切換。

2.3PDS閥門的選型

1對PDS控制系統(tǒng)中包括30個(gè)氣動切斷閥和4個(gè)手動切斷閥。其中任意1個(gè)閥門出現(xiàn)故障，都會造成整套PDS控制系統(tǒng)的停車，所以閥門的選型與設(shè)計(jì)也是PDS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

根據(jù)工藝包的要求，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，PDS閥門的選型應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1) PDS閥應(yīng)采用全通徑固定球閥，對介質(zhì)無任何阻力和節(jié)流。

2) PDS閥門閥體和法蘭應(yīng)全部為整體鍛造，并做內(nèi)拋光處理，內(nèi)表面需要非常光滑以確保固體粉料不會掛壁。鍛造材料需要保證無砂眼等質(zhì)量缺陷，能耐應(yīng)力沖擊，并且在頻繁快速開關(guān)的情況下能夠保證長期的使用壽命。

3) 金屬閥座的材質(zhì)應(yīng)為鍛造雙相鋼或鍛造不銹鋼，并采用與閥球同樣的硬化處理方式。個(gè)別氣相管道上的閥門可以為軟密封，軟密封閥座材質(zhì)采用PEEK或Lyton材質(zhì)。

4) 閥門的開關(guān)時(shí)長應(yīng)很短。要求DN200以下口徑的閥門,單次開關(guān)時(shí)長小于1.5 s，DN200以及DN200以上口徑的閥門,單次開關(guān)時(shí)長小于2.5s。

5) 應(yīng)同時(shí)考慮地區(qū)環(huán)境溫度和產(chǎn)品卸料均在冷態(tài)下工作這一特點(diǎn)。閥門應(yīng)進(jìn)行性能測試，以確保在高溫、低溫時(shí)及升溫、降溫過程中均能可靠地開關(guān)和嚴(yán)密地關(guān)斷。

6) 閥門應(yīng)采用防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，符合API 607的要求。

7) 閥門需要滿足SIL的等級要求，其中E閥和M閥需要滿足SIL2，其他PDS閥門需要滿足SIL1的要求。

8) 閥門泄漏等級為ANSI Class VI(TSO)。

9) 閥桿應(yīng)在高頻率動作下嚴(yán)格對中，使閥門扭矩保持長期均勻性。閥桿密封設(shè)計(jì)需要確保零泄漏。

10) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)保證400萬次的可靠動作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全系數(shù)至少按1.5倍核算。

11) 電磁閥應(yīng)為低功耗兩位三通電磁閥，須滿足Ex d ⅡC T4的防爆要求、IP65的防護(hù)等級要求和SIL的要求。

12) 閥門的閥位開關(guān)應(yīng)為NAMUR型，須滿足Ex ia ⅡC T4的防爆要求、IP65的防護(hù)等級要求和SIL的要求。

13) AA和GG閥為反應(yīng)器卸料手動閥，只有在PDS控制系統(tǒng)需要停車檢修時(shí)才關(guān)斷它們。當(dāng)這2個(gè)手動閥關(guān)閉時(shí)，閥球面與反應(yīng)器的內(nèi)壁面完全配合，不存在任何空隙，這樣可以避免聚合物自聚堵塞或抱死閥門。它們的密封應(yīng)為零泄漏，避免在線檢修時(shí)產(chǎn)生安全隱患。

14) 需要在E閥下設(shè)置1個(gè)兩位式防爆開關(guān)Q，當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)Q置于“AUTO”位時(shí)，E閥受順控邏輯控制，當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)Q置于“OFF”位時(shí)，E閥脫出順控邏輯控制，處于手動狀態(tài)，可用E閥自帶的手動氣控三通閥進(jìn)行現(xiàn)場手動開關(guān)閥。

15) GP閥為G閥的吹掃閥，G閥與GP閥共用1個(gè)電磁閥，2個(gè)閥門的開關(guān)狀態(tài)相反，即當(dāng)G閥關(guān)閉時(shí)GP閥打開，從而使GP閥向反應(yīng)器吹入循環(huán)氣。GP閥需要帶有手動三通閥，除了通過G閥的電磁閥遠(yuǎn)程控制外，還能通過手動三通閥現(xiàn)場進(jìn)行手動吹掃。

2.4PDS順控與聯(lián)鎖邏輯的設(shè)計(jì)

2.4.1PDS控制系統(tǒng)順控的步驟

以圖1中PDS1舉例說明，正常情況下，獨(dú)立的1套PDS控制系統(tǒng)的順控步驟共為6步，如圖2～圖7所示。PDS進(jìn)行每步動作前需要對允許條件做出檢查，PDS順控步驟允許開始的條件見表1所列。

表1　PDS順控步驟允許開始的條件

注： 1) 產(chǎn)品倉壓力低低限值；

2) 產(chǎn)品卸料罐壓力高高限值。

圖2　反應(yīng)器排出聚丙烯至產(chǎn)品倉(第1步)

圖3　產(chǎn)品倉進(jìn)行氣體交互(第2步)

圖4　粉料輸送至產(chǎn)品卸料罐(第3步)

圖5　產(chǎn)品卸料罐進(jìn)行氣體交互(第4步)

圖6　泄壓(第5步)

圖7　粉料離開產(chǎn)品卸料罐(第6步)

2.4.2PDS控制系統(tǒng)順控的時(shí)間設(shè)定

PDS控制系統(tǒng)順控中，計(jì)時(shí)器A，B，C和D可先根據(jù)工藝包給定值進(jìn)行粗設(shè)，然后再根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試時(shí)的具體情況，結(jié)合產(chǎn)品倉與產(chǎn)品卸料罐上的核料位計(jì)、壓力變送器以及相關(guān)閥門的動作時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，但計(jì)時(shí)器的設(shè)定值不應(yīng)超過如下的范圍：

1) 計(jì)時(shí)器A可調(diào)節(jié)時(shí)間T1是0～100s。

2) 計(jì)時(shí)器B可調(diào)節(jié)時(shí)間T2是0～60s。

3) 計(jì)時(shí)器C可調(diào)節(jié)時(shí)間T3是0～120s。

4) 計(jì)時(shí)器D可調(diào)節(jié)時(shí)間T4是0～30s。

想要保持PDS控制系統(tǒng)順控的平穩(wěn)進(jìn)行，除了以上計(jì)時(shí)器的設(shè)定時(shí)間外，還需要現(xiàn)場專業(yè)工程師根據(jù)實(shí)際閥門的動作完成時(shí)間，結(jié)合下料的時(shí)間要求，對順控和聯(lián)鎖邏輯做出微調(diào)。

每一套PDS控制系統(tǒng)順控自卸料開始到完成后，都需要記錄單套順控的完成時(shí)間，并把完成時(shí)間與工藝要求的設(shè)定值進(jìn)行比較，超過設(shè)定時(shí)長則需要報(bào)警通知操作員進(jìn)行檢查。

2.4.3PDS控制系統(tǒng)順控終止與聯(lián)鎖保護(hù)動作

PDS控制系統(tǒng)在“自動”和“單步”工作模式下，每次要進(jìn)行下一步動作時(shí)，都要對該步的滿足條件進(jìn)行判斷，通常的判斷允許時(shí)間設(shè)定為3～5s(T5，T6，T7可調(diào))，如果超過判斷允許時(shí)間后還不滿足該步的進(jìn)行條件，則需要馬上終止該套PDS順控的進(jìn)行，并發(fā)出報(bào)警信號通知操作人員解決。

如果是1對PDS中的某套PDS控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，則應(yīng)先關(guān)閉此套PDS控制系統(tǒng)的B閥和G閥，并打開A閥、C閥和GP閥；然后關(guān)閉W閥，并置W閥于手動關(guān)位置，使其脫出聯(lián)鎖順控的控制；再用L閥代替原W閥進(jìn)行順控，即通過L閥來平衡產(chǎn)品倉與反應(yīng)器之間的壓差。

當(dāng)出現(xiàn)工藝聯(lián)鎖事故引起全廠緊急停車時(shí)，需要通過“殺死系統(tǒng)”(或叫“反應(yīng)終止系統(tǒng)”)使聚合反應(yīng)停止。出現(xiàn)該情況時(shí)，需要立即停止所有PDS控制系統(tǒng)的順控，同時(shí)聯(lián)鎖關(guān)斷所有PDS控制系統(tǒng)的A閥、B閥、C閥和G閥，從而切斷反應(yīng)器與產(chǎn)品倉的聯(lián)系。

3結(jié)束語

總之，PDS控制系統(tǒng)通過順控邏輯與聯(lián)鎖邏輯控制相關(guān)卸料閥的打開與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器與產(chǎn)品倉以及產(chǎn)品卸料罐間的壓力循環(huán)與平衡，從而完成聚丙烯粉料排放的工藝過程。文中介紹的PDS控制系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于UNIPOL聚丙烯裝置，目前現(xiàn)場開車成功，并且能穩(wěn)定、高效地生產(chǎn)運(yùn)行,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)01-0022-05

作者簡介：隋欣(1983—)，男，2005年畢業(yè)于西安工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于華陸工程科技有限責(zé)任公司電控室，從事自動化控制及儀表專業(yè)的設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-11-11，修改稿收到日期： 2015-12-10。