丙烯腈裝置吸收塔聯(lián)鎖控制策略淺析

金玉輝

丙烯腈裝置吸收塔聯(lián)鎖控制策略淺析

金玉輝

(中國石化 上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

針對丙烯腈裝置吸收塔聯(lián)鎖控制方案設(shè)計缺陷，造成運行不穩(wěn)定，裝置反應(yīng)器停車事故多發(fā)的問題，介紹了丙烯腈裝置吸收塔聯(lián)鎖控制方案的改進(jìn)措施，解決了原設(shè)計因聯(lián)鎖動作時，吸收塔頂部壓控閥全開直接放空尾氣，造成反應(yīng)器失壓，操作線速瞬時增大，床內(nèi)催化劑跑損的缺陷。應(yīng)用表明： 該方案改進(jìn)了工藝操控性能、提高了操作安全性，增加了產(chǎn)品收率并有效地減少了工藝能耗。

丙烯腈 吸收塔 控制策略 安全性

1 工藝流程簡介

丙烯、氨和空氣在催化劑作用下，在反應(yīng)器中進(jìn)行氧化反應(yīng)生成丙烯腈，同時還生成氰化氫、乙腈、一氧化碳、二氧化碳、水、丙烯醛、丙烯酸、乙醛、丙腈等。未反應(yīng)的丙烯、氨、氮與反應(yīng)生成物進(jìn)入急冷塔，進(jìn)行降溫、除氨、除催化劑。經(jīng)冷卻的反應(yīng)氣進(jìn)入吸收塔底部，與水進(jìn)行逆流吸收得到含丙烯腈、乙腈、氫氰酸和其他有機物的水溶液，用泵送至回收塔。未吸收的一氧化碳、二氧化碳、氮氣及未反應(yīng)的氧和烴類由塔頂排出送入廢氣焚燒爐(AOGI)，該爐屬于熱力氧化爐，對含氰氣體進(jìn)行熱氧化后，達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。某丙烯腈裝置吸收塔頂壓力控制方案如圖1所示。

圖1 吸收塔頂壓力控制方案

2 吸收塔壓力控制

對于吸收塔而言，反應(yīng)器壓力由吸收塔塔頂壓力控制。由于丙烯氨氧化主副化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K值都很大，故可視為不可逆反應(yīng)，而反應(yīng)壓力的變化對反應(yīng)的影響僅表現(xiàn)在動力學(xué)上。 丙烯氨氧化反應(yīng)對丙烯是一級反應(yīng)，反應(yīng)速度和丙烯的分壓成正比，提高丙烯的分壓，對反應(yīng)是有利的，而且還可以提高反應(yīng)器的效率，但加快反應(yīng)速度的同時，反應(yīng)熱也在激增，過高的丙烯分壓使反應(yīng)溫度難于控制。實驗表明： 增加反應(yīng)壓力，催化劑的選擇性會降低，從而使丙烯的收率下降，故丙烯氨氧化反應(yīng)不宜在加壓下進(jìn)行；過低的壓力又會使反應(yīng)器線速度過高，造成催化劑跑損和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低[1]。高壓控制有利于反應(yīng)氣體吸收，但不利于反應(yīng)器運行[2-3]。正常反應(yīng)情況下，反應(yīng)器丙烯、氨入口溫度為66℃，反應(yīng)器的壓力為65 kPa，反應(yīng)線速度為0.60～0.78 m/s;吸收塔塔頂壓力為20 kPa，塔釜壓力為29 kPa。

2.1 吸收塔原控制方案及問題

吸收塔頂壓力聯(lián)鎖控制邏輯如圖2所示。當(dāng)裝置正常運行時，吸收塔廢氣切入AOGI燃燒。當(dāng)意外發(fā)生，聯(lián)鎖動作時，吸收塔廢氣放空閥直接全開，進(jìn)入AOGI的控制閥全閉。

由圖1可知原聯(lián)鎖的工作狀態(tài)，反應(yīng)正常時，當(dāng)有聯(lián)鎖發(fā)生，緊急停車系統(tǒng)(ESD)控制閥PV-1203A上的電磁閥失電，導(dǎo)致該閥全開，廢氣向大氣排放，同時，ESD控制控制閥PV-1203B上的電磁閥失電，導(dǎo)致進(jìn)入AOGI的PV-1203B 為全閉，這樣就保證了AOGI的安全性。反應(yīng)正常進(jìn)行時，當(dāng)壓力大于設(shè)定值(SP)，控制閥PV-1203A也會全開以保證系統(tǒng)安全，此時操作工可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況對閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)控制閥PV-1203A全開時，此時反應(yīng)器將失壓，操作線速度瞬時增大，造成床內(nèi)催化劑跑損。該裝置自2003年改造后已發(fā)生過多次該類事件。

2.2 改進(jìn)后的控制方案

針對丙烯腈裝置吸收塔原控制方案的不足，根據(jù)反應(yīng)器現(xiàn)場運行記錄改進(jìn)控制方案，當(dāng)純丙烯投料流量為5100 m3/h時，PV-1203A的開度在65%，反應(yīng)器頂壓為0.04 MPa，反應(yīng)線速度為0.78 m/s，反應(yīng)器達(dá)到設(shè)計能力。在AOGI運行、 吸收塔頂控制閥切入聯(lián)鎖時，PV-1203A限位于65%，一旦聯(lián)鎖動作，閥開度鎖定在65%，保證反應(yīng)器線速度控制在一定范圍內(nèi)，減少催化劑損失。同時，操作人員可根據(jù)實際情況，手動調(diào)節(jié)PV-1203A，使其在0～100%全行程范圍內(nèi)動作。

原控制方案中PV-1203A為FO型，有電磁閥時，當(dāng)聯(lián)鎖發(fā)生時，PV-1203A的狀態(tài)為全開，這跟新方案中控制閥開度在65%的要求不符。據(jù)該要求， 在DCS組態(tài)設(shè)計時增加了1路PV-1203A旁路聯(lián)鎖軟點連線，如圖2所示。修改的方案為保留電磁閥，在ESD中將原送至PV-1203A的輸出切除，改由DCS新組態(tài)的軟點HV-1203手動開關(guān)信號輸出至原PV-1203A 電磁閥接線位置，當(dāng)發(fā)生PV-1203A閥門定位器故障緊急情況時，由操作員直接通過HV-1203使電磁閥失電，控制閥PV-1203A緊急動作使閥打開至100%，實現(xiàn)最終的保護(hù)。

圖2 吸收塔DCS聯(lián)鎖修改后邏輯點示意

在不影響原邏輯狀態(tài)的前提下，DCS中增加了PV-1203A旁路聯(lián)鎖(L5)，增加回路必須要滿足以下要求：

1) 滿足工藝要求，且不能影響現(xiàn)有投用聯(lián)鎖關(guān)系。

2) 必須保證原有邏輯在各種條件下邏輯控制功能關(guān)系正常，且輸出正常。

3) 新增加的邏輯無硬線連接，考慮到程序下裝潛在的停車風(fēng)險，新的軟點組態(tài)必須停車修改。

4) 組態(tài)下裝后不能影響現(xiàn)有工況的全過程。

5) 改動后邏輯必須滿足安全聯(lián)鎖規(guī)范。

3 安全性分析

3.1 新控制方案中邏輯狀態(tài)分析

為了達(dá)到系統(tǒng)安全性的目的，筆者對各種工況下的邏輯進(jìn)行分析。由于控制閥PV-1203A(FO)和PV-1203B(FC)的狀態(tài)為相反的，PV-1203A的輸出為倒相，所以其中任一閥接入時，另一閥的定位器輸入信號為0。新控制方案DCS聯(lián)鎖邏輯關(guān)系如圖3所示，圖3中虛線框內(nèi)為修改后的內(nèi)容。

1) 當(dāng)正常運轉(zhuǎn)時主聯(lián)鎖投入，此時系統(tǒng)聯(lián)鎖L2=1，聯(lián)鎖動作主要由聯(lián)鎖信號L4來決定，而PV-1203A的閥門開度由L3，L4，L5共同決定。

a) 若PRCA-1203小于聯(lián)鎖設(shè)定值，即L4=0，則S03=0，S06=1，S07=1，S12=0。此時PV-1203B受控于PRCA-1203，而無論旁路聯(lián)鎖L5、選擇開關(guān)L3怎么動作，PV-1203A都是全閉狀態(tài)。

b) 若PRCA-1203大于聯(lián)鎖設(shè)定值，則L4=1，則S03=1，S06=0，S07=0。此時 PV-1203B全閉，而PV-1203A的開度由L3，L5共同決定。

若L5=1即PV-1203A旁路聯(lián)鎖投用的情況下，則S09=0，S12=1，此時無論選擇開關(guān)L3放在什么位置， PV-1203A的開度為65%。若L5=0即PV-1203A旁路聯(lián)鎖未投用的情況下，則S09=1，S11=0；此時 PV-1203A的開度由L3決定。若此時選擇開關(guān)L3的狀態(tài)為ON，則S12=0，此時 PV-1203A受控于PRCA-1203；若此時選擇開關(guān)L3的狀態(tài)為OFF，則S12=1，此時 PV-1203A的開度在0～65%，受控于PRCA-1203。

2) 當(dāng)L2=0，即主聯(lián)鎖未投用，此時聯(lián)鎖動作主要由選擇開關(guān)L3來決定，而 PV-1203A的開度由L3，L4，L5共同決定。

圖3 新控制方案DCS聯(lián)鎖邏輯關(guān)系

a) 若選擇開關(guān)L3=0，則S03=0，S06=1，此時 PV-1203B受控于PRCA-1203，而 PV-1203A的開度由L4，L5共同決定。

若L5=0，即PV-1203A旁路聯(lián)鎖未投用的情況下，則S09=1，S07=1，此時若PRCA-1203大于設(shè)定值即L4=1，則S10=1，S12=1，即此時 PV-1203A的開度為65%；此時若PRCA-1203小于設(shè)定值即L4=0，則S10=0，S12=0，S07=1，即此時 PV-1203A的開度為0。若L5=1即PV-1203A旁路聯(lián)鎖投用的情況下，則S10=0，此時若PRCA-1203大于設(shè)定值即L4=1，則S09=0，S12=1，即此時 PV-1203A的開度為65%；此時若PRCA-1203小于設(shè)定值即L4=0，則S09=1，S12=0，S07=1，即此時 PV-1203A的開度為0。

b) 若選擇開關(guān)L3=1，則S03=1，S06=0，S07=0，S10=0，此時 PV-1203B為全閉，而PV-1203A的開度由L4，L5共同決定。只有L4，L5同時為1的情況下， PV-1203A的開度為65%；此外， PV-1203A的開度都會在0～100%的范圍內(nèi)受控于PRCA-1203。

3.2 系統(tǒng)安全性

由于PV-1203A的開度由100%改為65%，這也給系統(tǒng)帶來了一定的風(fēng)險。當(dāng)系統(tǒng)聯(lián)鎖時，PV-1203A開度為65%，這時若系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升會對裝置帶來危害，這時要求工藝人員通過HV-1203開關(guān)將其開度打到100%或通過將L5旁路解除聯(lián)鎖，手動對閥進(jìn)行0～100%的開度調(diào)節(jié)。若以上措施仍不能解決問題，為保證裝置安全可強行進(jìn)行停車，這樣可以避免設(shè)備內(nèi)壓力過高造成危險，減少了爆炸的可能性。

4 結(jié)束語

軟件邏輯修改后吸收塔控制系統(tǒng)的操控性能與修改前相比有了明顯的提高，生產(chǎn)安全性經(jīng)多年實踐，在各種極端情況下都能得到很好保證，達(dá)到了預(yù)期效果。

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金玉輝(1965—)，男，上海人，1987年畢業(yè)于華東化工學(xué)院生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化上海石油化工股份有限公司，主要從事儀表管理及技術(shù)改造工作，任高級工程師。

TP 273

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1007-7324(2017)02-0063-03

稿件收到日期： 2016-12-22，修改稿收到日期： 2017-02-15。