VCM 生產(chǎn)工藝安全儀表控制系統(tǒng)的應(yīng)用

辛 丹，雷 霆，王鈺棟，郭亞東

（金川化工新材料有限責(zé)任公司，甘肅 金昌）

聚氯乙烯項目氯乙烯（VCM）生產(chǎn)過程涉及多種有毒有害、易燃易爆氣體，金川化工新材料有限責(zé)任公司（簡稱“金川化工”）2018年委托安全評價單位完成了危險化學(xué)品重大危險源現(xiàn)狀評價，依據(jù)《危險化學(xué)品重大危險源分級方法》，計算出對重大危險源級別進行確定的R 值為29.09， 構(gòu)成三級重大危險源，屬于政府安監(jiān)部門重點監(jiān)管的危險化工工藝、重點監(jiān)管的危險化學(xué)品和重大危險源，簡稱“兩重點一重大”。

聚氯乙烯整個生產(chǎn)過程中，原料、中間產(chǎn)品及各種輔料助劑大都為有毒易燃易爆物質(zhì)， 其中乙炔、氯乙烯、二氯乙烷泄漏后屬于甲級防火防爆物質(zhì)。 聚氯乙烯生產(chǎn)裝置氯乙烯球罐區(qū)屬三級重大危險源，氯乙烯合成和聚合裝置分別為重點監(jiān)管的氯化工藝和聚合工藝，氯乙烯、乙炔、燒堿、鹽酸為重點監(jiān)管的危險化學(xué)品。 按國家安全要求，為保證“兩重點一重大”生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運行，重大危險源和重點工藝必須增設(shè)安全儀表控制系統(tǒng)。 目前，金川化工VCM 工序聯(lián)鎖回路采用集散控制系統(tǒng)（DCS）實現(xiàn)，若DCS 系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中發(fā)生通訊中斷、設(shè)備故障等異常情況，導(dǎo)致DCS 失控，則極易造成爆炸，有毒氣體泄漏等重大生產(chǎn)安全事故。 按國家安監(jiān)總局第40 號令要求， 重大危險源必須增設(shè)獨立的安全儀表系統(tǒng)，并與DCS 獨立，因此VCM 生產(chǎn)工藝需增設(shè)獨立的安全儀表控制系統(tǒng)。

1 安全儀表控制系統(tǒng)

安全儀表控制系統(tǒng)（Safety Instrumented System）簡稱SIS，又稱為安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（Safety Interlocking System）。SIS 系統(tǒng)是一種由專門機構(gòu)認(rèn)證，用于降低生產(chǎn)過程風(fēng)險的儀表安全保護系統(tǒng)，其安全等級高于DCS 系統(tǒng)。生產(chǎn)系統(tǒng)正常狀態(tài)時系統(tǒng)處于休眠備用狀態(tài)，但會連續(xù)不斷地對系統(tǒng)進行檢測，一旦檢測到工藝參數(shù)達到安全聯(lián)鎖極限，則立即執(zhí)行設(shè)置好的安全聯(lián)鎖停車操作， 其控制獨立于DCS 系統(tǒng)，響應(yīng)速度高于DCS 系統(tǒng)。

2 VCM 工藝流程

由乙炔裝置送來的乙炔氣體經(jīng)阻解器進入乙炔冷卻器冷卻至10～14 ℃，經(jīng)除霧后與氯化氫在混合器中按比例（乙炔∶氯化氫=1∶1.05～1∶1.10）混合，經(jīng)混合氣冷卻器冷卻至（-14±2） ℃，脫除混合氣中的水分，經(jīng)一級鹽酸酸霧過濾器、二級鹽酸酸霧過濾器分離混合氣中的鹽酸酸霧，再經(jīng)混合氣預(yù)熱器將混合氣升溫后，進入合成轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。 預(yù)熱后的混合氣依次經(jīng)Ⅰ段、Ⅱ段轉(zhuǎn)化器，在催化劑的作用下，反應(yīng)生成粗氯乙烯。 反應(yīng)熱通過轉(zhuǎn)化器殼程的庚烷撤出，氣化的庚烷由轉(zhuǎn)化器冷凝器冷凝。 粗氯乙烯氣由除汞器除去夾帶的氯化汞升華物，經(jīng)反應(yīng)氣冷卻器、降膜吸收器、水洗塔除去過量的氯化氫后進入堿洗塔，除去殘余的氯化氫和二氧化碳，再經(jīng)機前冷卻器、機前分離罐除去大部分夾帶水，凈化后的部分粗氯乙烯氣體進入氣柜進行緩沖。 凈化后的粗氯乙烯被壓縮后， 經(jīng)機后冷卻器送至單體脫水裝置。 粗氯乙烯依次經(jīng)一、二段全凝器冷凝后，進入粗氯乙烯緩沖罐， 未冷凝氣體經(jīng)尾氣冷凝器再次冷凝，不凝氣送至尾氣變壓吸附。 粗氯乙烯依次經(jīng)低沸塔、高沸塔除去乙炔、高沸物后，送往單體球罐。主要控制技術(shù)指標(biāo)見表1。

3 工藝控制點確認(rèn)

VCM生產(chǎn)系統(tǒng)目前采用DCS系統(tǒng)進行過程控制和檢測，實現(xiàn)集中控制操作。生產(chǎn)現(xiàn)場為連續(xù)運行的化工裝置， 有乙炔氣、 氯乙烯氣和氯化氫氣體的存在，且具有劇毒、易燃、易爆、易腐蝕的特性，為保證裝置在事故狀態(tài)下保持安全狀態(tài)，根據(jù)VCM生產(chǎn)工藝控制要求，委托具有分析、評價、設(shè)計資質(zhì)的機構(gòu)對VCM工序進行HAZOP和LOPA分析，并進行安全等級SIL認(rèn)證（SIL等級設(shè)置見表2），設(shè)置一套完整的安全儀表系統(tǒng)（SIS），用于裝置的安全聯(lián)鎖和保護停車。

表2 SIL等級設(shè)置表

通過對VCM 生產(chǎn)工藝的HAZOP 和LOPA 分析，VCM 工序SIS 系統(tǒng)主要儀控設(shè)備設(shè)計方案如下。

設(shè)置一套獨立的SIS 控制系統(tǒng)，3 臺氯乙烯儲罐進出口各增加1 臺自動切斷球閥引入SIS 系統(tǒng)，原有進出口自動切斷閥不做變動，仍由DCS 系統(tǒng)控制。 3臺氯乙烯儲罐，每臺設(shè)置3個液位計，將原有液位計更換為具有SIL2認(rèn)證的雷達液位計， 液位信號直接引入SIS系統(tǒng)， 液位與SIS系統(tǒng)新增進出口自動閥聯(lián)鎖，由SIS系統(tǒng)通過一入二出安全柵，各引出一路液位信號進入DCS系統(tǒng)，與DCS系統(tǒng)自動閥聯(lián)鎖。

氯乙烯氣柜增加1臺自動切斷閥引入SIS系統(tǒng)，原有進出口自動切斷閥不做變動，仍由DCS控制。氣柜原有雷達液位計更換為具有SIL2認(rèn)證的液位計，液位信號引入SIS系統(tǒng)， 液位與SIS新增自動切斷閥聯(lián)鎖。 由SIS系統(tǒng)通過一入二出安全柵，各引出一路液位信號進入DCS系統(tǒng)， 與DCS系統(tǒng)氣柜自動閥聯(lián)鎖。氣柜進口增加3臺壓力變送器引入SIS系統(tǒng)，與氣柜SIS系統(tǒng)新增進出口自動切斷閥聯(lián)鎖； 由SIS系統(tǒng)通過一入二出安全柵， 各引出一路壓力信號進入DCS系統(tǒng)，與DCS系統(tǒng)氣柜自動閥聯(lián)鎖。

HCl 總管增加1 臺自動切斷閥引入SIS 系統(tǒng)，乙炔總管增加1 臺自動切斷閥引入SIS 系統(tǒng)。 混合器原有3 臺熱電阻更換為具有SIL2 認(rèn)證的熱電阻，熱電阻信號引入SIS 系統(tǒng)， 混合器溫度信號與氯化氫總管及乙炔總管切斷閥聯(lián)鎖。 由SIS 系統(tǒng)通過一入二出安全柵，各引出一路熱電阻信號進入DCS 系統(tǒng)，與DCS 系統(tǒng)HCl 及乙炔總管自動閥聯(lián)鎖。

HCl 來自燒堿合成系統(tǒng)， 通過合成爐將H2與Cl2燃燒產(chǎn)生HCl，輸送至VCM 混脫工序。 當(dāng)VCM SIS 觸發(fā)，造成HCl 閥門關(guān)閉時，會造成HCl 氣體回流，影響HCl 壓力，對上游HCl 合成系統(tǒng)造成很大影響。 因此，需要增加HCl 閥門聯(lián)鎖觸發(fā)報警信號，引入HCl 合成DCS 系統(tǒng)。 HCl 合成系統(tǒng)增加了HCl自動吸收裝置， 當(dāng)VCM 系統(tǒng)聯(lián)鎖觸發(fā)時，HCl 閥門關(guān)閉，聯(lián)鎖報警信號觸發(fā)后，HCl 合成控制系統(tǒng)中系統(tǒng)HCl 吸收裝置自動投用。

4 SIS 設(shè)計及系統(tǒng)配置

SIS系統(tǒng)由控制站、操作員站、工程師站等輔助設(shè)備組成獨立完整的系統(tǒng)。根據(jù)控制點數(shù)設(shè)置1臺控制柜，1臺工程師站及1臺操作員站， 并設(shè)置1臺輔操臺。 SIS控制柜及工程師站設(shè)置在PVC事業(yè)部VCM控制室機柜間， 操作員站及輔助操作臺設(shè)置在PVC事業(yè)部中央控制室操作室內(nèi)。 輔操臺設(shè)置單臺球罐進出口閥急停按鈕及全部球罐進出口閥總急停按鈕。

4.1 聯(lián)鎖設(shè)置

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求及HAZOP 和LOPA 分析，VCM 生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)鎖設(shè)置見圖1。

圖1 VCM生產(chǎn)工藝聯(lián)鎖圖

混合器溫度采用三取二模式，當(dāng)溫度大于45 ℃或溫升2 s 內(nèi)達到3 ℃， 氯化氫及乙炔總管切斷閥聯(lián)鎖關(guān)閉。 氣柜液位及氣柜頂部壓力采用三取二模式，當(dāng)液位大于等于80%或小于等于15%，壓力大于等于6 kPa 或小于等于1 kPa 時， 氣柜進出口閥聯(lián)鎖關(guān)閉。 球罐液位采用三取二模式，當(dāng)液位大于等于85%時，球罐進口閥聯(lián)鎖關(guān)閉。

4.2 SIS 控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

VCM 生產(chǎn)工藝的SIS 系統(tǒng)采用浙江中控TCS-900 系統(tǒng)，具備SIL3 等級認(rèn)證。 其控制站的每個控制器和I/O 模塊都有3 個獨立的通道回路， 輸入模塊內(nèi)的3 個通道同時采集同一個現(xiàn)場信號并分別進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)表決后發(fā)送到3 條I/O 總線，控制器從3 條I/O 總線接收數(shù)據(jù)并進行表決， 將表決后的數(shù)據(jù)送3 個獨立的處理器，各處理器完成數(shù)據(jù)運算后， 控制器對3 通道中的運算結(jié)果進行表決，將表決結(jié)果送I/O 總線， 輸出模塊從I/O 總線接收數(shù)據(jù)并進行表決，表決結(jié)果送3 個通道進行數(shù)據(jù)輸出處理，處理結(jié)果表決后輸出驅(qū)動信號?？刂普綢/O 模塊和控制器模塊支持冗余設(shè)置，冗余模式下，如果檢測到某個模塊出現(xiàn)故障，則可在線更換。

TCS-900 系統(tǒng)具有以下特點。

（1）模塊采用三重化結(jié)構(gòu)設(shè)計，3 個完全相同的通道獨立工作， 模塊的輸入和輸出采用表決機制；冗余配置時，可在保持控制器在線期間實現(xiàn)模塊的安裝與更換，可在不更改現(xiàn)場接線的情況下更換I/O 模塊；

（2）系統(tǒng)響應(yīng)時間在20 ms 以內(nèi)，響應(yīng)速度高于DCS；

（3）SIL3 安全系統(tǒng)，符合3-2-0 降級模式，降級模式最高可達3-3-2-2-0；

（4）支持模塊環(huán)境實時監(jiān)測；

（5）高速處理器SCU9020，系統(tǒng)控制周期最快可達10 ms；

（6）高速輸出AO 模塊SAO9010-H 為三重化通道冗余架構(gòu)，通道間相互獨立；

（7）自動隔離故障而不會造成性能降級，支持模塊熱更換無擾的故障處理；

（8）支持通過SIL3 認(rèn)證的遠程擴展機架的光纖連接，大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

根據(jù)VCM 生產(chǎn)工藝控制點數(shù)設(shè)計要求， 系統(tǒng)配置測點清單見表3 和系統(tǒng)配置清單見表4。

表3 測點清單

表4 系統(tǒng)配置清單

4.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

VCM 生產(chǎn)系統(tǒng)SIS 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)采用冗余形式將控制站、 操作員站和工程師站等連接起來。TCS-900 系統(tǒng)的工程師站和控制站間通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊和以太網(wǎng)SCNet IV 實現(xiàn)連接。

4.4 電源配置

SIS 系統(tǒng)設(shè)置一套獨立的冗余10 kVA UPS 電源，可保證系統(tǒng)斷電后實現(xiàn)無擾動切換，供電時間滿足60 min。

5 SIS 控制系統(tǒng)操作

SIS 系統(tǒng)操作設(shè)置在DCS 操作室內(nèi)，在DCS 操作室內(nèi)設(shè)置1 臺SIS 系統(tǒng)的操作員站，SIS 系統(tǒng)日常操作由操作員站完成， 操作由中控操作人員實施。SIS 系統(tǒng)工程師站設(shè)置在控制系統(tǒng)機柜間內(nèi)， 工程師站不可進行SIS 的聯(lián)鎖投入等常規(guī)操作， 工程師站由儀控系統(tǒng)工程師操作。

工藝系統(tǒng)開車前儀控工程師配合中控操作人員對所有SIS 聯(lián)鎖點進行聯(lián)鎖調(diào)試， 調(diào)試完成后對每一臺閥門進行復(fù)位操作， 保證閥門處于開狀態(tài)?；旌厦撍到y(tǒng)開車穩(wěn)定后，乙炔流量大于6000 m3/h，乙炔總管流量、乙炔總管壓力、氯化氫總管壓力和氯化氫總管流量均達到正常值， 投入DCS 聯(lián)鎖后，投入SIS 混合器溫度聯(lián)鎖。 凈化壓縮系統(tǒng)開車穩(wěn)定后，氯乙烯氣柜壓力控制在3.0～4.0 kPa，氯乙烯氣柜液位控制在綠區(qū)指標(biāo)25%～70%（雷電或大風(fēng)天氣情況下﹤65%）， 投入氯乙烯氣柜液位及壓力聯(lián)鎖。精餾系統(tǒng)開車穩(wěn)定后， 球罐液位控制在15%～75%，投入成品貯槽液位聯(lián)鎖。

當(dāng)系統(tǒng)降量停車， 當(dāng)乙炔流量降至6000 m3/h時，中控應(yīng)解除混合器聯(lián)鎖；系統(tǒng)整體停車后應(yīng)解除其他聯(lián)鎖。

VCM 工序SIS 系統(tǒng)所有閥門在聯(lián)鎖未投入或生產(chǎn)正常運行情況下均為打開狀態(tài)， 聯(lián)鎖投入后，只有當(dāng)達到聯(lián)鎖條件時，閥門聯(lián)鎖關(guān)閉。 聯(lián)鎖投入觸發(fā)后，SIS 操作界面會有相應(yīng)的報警信息，輔操臺相應(yīng)的報警燈亮起，并觸發(fā)聲光報警，報警信號同時引入DCS 系統(tǒng)畫面。

在遇緊急異常情況時，如控制系統(tǒng)失控?zé)o法操作，則可通過SIS系統(tǒng)輔操臺的急停按鈕進行閥門關(guān)閉操作。 輔操臺設(shè)置不合格單體貯槽進料出料閥關(guān)閉按鈕，氯乙烯成品貯槽A進料出料閥關(guān)閉按鈕及3臺球罐進料出料閥全部關(guān)閉按鈕。

當(dāng)出現(xiàn)公用工程故障如斷電、斷氣時，現(xiàn)場閥門自動關(guān)閉。 在系統(tǒng)停產(chǎn)期間，根據(jù)生產(chǎn)要求需關(guān)閉閥門時，系統(tǒng)工程師強制給出關(guān)閥命令。

6 結(jié)語

安全儀表系統(tǒng)投入使用后，滿足了國家對化工生產(chǎn)系統(tǒng)安全規(guī)范的要求， 大大提升了VCM 生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性能，降低了人員直接接觸?；返膸茁?。 在突發(fā)事故應(yīng)急情況下，SIS 系統(tǒng)優(yōu)先于DCS發(fā)出聯(lián)鎖信號并緊急停車，可避免?；沸孤┰斐傻木薮笪：?， 保證了VCM 生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。