某油品生產裝置主要控制及聯(lián)鎖方案應用及探討

羅欣穎

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

現(xiàn)今航空航天、機械裝備制造和汽車行業(yè)對高質量潤滑油的需求與日俱增，目前國內生產能力面臨較大缺口。此類油品生產裝置具有良好的發(fā)展前景及可觀的經濟效益?？刂品桨甘茄b置的核心，合理的控制方案能夠提高裝置的自動化水平及生產效率，整體提升裝置的經濟效益；對于聯(lián)鎖控制方案而言，可以有效地降低裝置生產運行中的風險，保護裝置及操作人員人身安全。因此控制及聯(lián)鎖方案的有效實施是裝置運行中的重要環(huán)節(jié)。本文以國內某油品生產裝置為基礎，對裝置中的主要控制及聯(lián)鎖方案進行討論，并結合開車調試階段發(fā)現(xiàn)的問題進行探討并提出改進方案。

1 油品生產裝置工藝流程簡述

該裝置以烯烴為原料，通過催化劑作用，經過反應及吸附分離回收等工序后得到一種高質量潤滑油產品。

2 油品生產裝置主要控制方案

2.1 反應單元油品吸附系統(tǒng)順序控制方案

（1）工藝控制要求

圖1 為油品吸附工藝流程示意圖。從反應器出來的反應產物中含有反應后殘留的催化劑等需要移除，故將上游油品引入油品吸附罐，利用吸附劑去除反應產物中的不必要組分。此時，油品與吸附劑在吸附罐中需充分結合（使用攪拌器攪拌）并在罐體中停留一段時間，吸附完成后反應產物將進入后續(xù)工段的過濾器中。油品吸附過程需要物料在吸附罐中停留一段時間進行吸附，為了使工藝流程持續(xù)，所以在工藝上采用了A/B 線切換方案，即A 線（或B 線）停留在罐中吸附時，B 線（或A 線）已經完成吸附的物料進入后續(xù)工段。

（2）順序控制方案

如圖1所示，順序控制的初始狀態(tài)為A 線及B線油品吸附罐進出料閥門、吸附劑加料罐及吸附劑計量罐出料閥、氮氣吹掃閥均處于關閉狀態(tài)。下文以A線為例進行描述。

圖1 油品吸附工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the oil adsorption process

啟動順序控制，打開吸附劑加料罐出口閥A，使其維持全開狀態(tài)一段時間后關閉（將吸附劑轉入計量罐中）。打開油品吸附罐進料閥A，液位到達低液位設定值后，同時打開吸附劑計量罐出口閥A 以及氮氣吹掃閥A（利用氮氣壓力將吸附劑送入吸附罐內），到達設定時間后關閉上述兩臺閥門。啟動油品吸附罐攪拌器。液位到達高液位設定值后，關閉攪拌器以及進料閥A，并打開吸附罐出料閥A。液位降至低液位設定值后關閉出料閥A。A 線催化劑吸附順序控制結束。B 線順控操作同上。

（3）調試與開車階段發(fā)現(xiàn)的問題

①啟動順序控制后需人工切換A/B 線，無法實現(xiàn)A/B 罐之間的自動切換，且由于兩個罐體的頻繁切換而導致操作員工作負荷增加。

②吸附劑加料罐的出料閥A 關閉后，直接打開吸附罐進料閥。此時，尚未對待進料的罐體進行液位判斷，在裝置運行過程中可能存在一定的溢罐風險。

③開車調試階段利用氮氣將吸附劑計量罐內的吸附劑送入油品吸附罐時，根據(jù)下游油品質量改進吸附劑計量，所以吸附劑計量罐出口閥以及氮氣吹掃閥開關時長設定時間需要手動調整，以確保進入下游過濾器油品質量。裝置運行穩(wěn)定后，盡量確保每一次吹掃吸附劑的氮氣壓力不變，且吸附劑計量罐出口閥和氮氣吹掃閥開關時長一致。一旦壓力或者閥門開關時長發(fā)生變化，會導致進入油品吸附罐的吸附計量發(fā)生變化而影響吸附效果。

（4）順序控制方案的改進

針對上述在調試及開車階段發(fā)現(xiàn)的問題對順序控制方案做出了改進（仍以A 線為例）。

啟動順序控制，當油品吸附罐A 液位低于低液位設定值且罐B 液位高于高液位設定值時（開車工況時，罐B 為空罐零液位，手動開罐A 進料閥）開罐A 進料閥同時開吸附劑加料罐出口閥A，到達設定時間后關閉吸附劑加料罐出口閥A。下一步，開啟吸附劑計量罐出口閥A 以及氮氣吹掃閥A，到達設定時間后關閉上述兩臺閥門。罐A 液位上升至高液位設定值時關閉進料閥A 并開啟出料閥A，至液位降至低液位設定值時關閉出料閥A。

（5）改進前后控制方案對比

①啟動順控后，同時將兩個罐體的料位（一個罐高料位，另一個罐低料位）作為順控條件，以此實現(xiàn)A/B 罐之間的自動進出料切換（除開車工況外）。改進后提高了裝置的自動化效率，減輕了操作人員的工作負荷。

②改進后通過預進料罐的低液位以及切換罐的高液位相互制約來開啟進料閥，有效避免了溢罐風 險。

③在DCS 順序控制操作界面中將閥門開關時長的設定時間設置為可手動修改，使工藝操作人員可以根據(jù)下游油品吸附效果及時調整吸附劑計量，從而改善吸附效果。在今后擴大規(guī)模的裝置中，可考慮提高吸附劑計量的控制精度，可以有效提高下游油品質 量。

④改進后順控方案中，攪拌器的啟動與停止不再在順序控制中實現(xiàn)，僅根據(jù)液位高低值來聯(lián)鎖控制其開停，罐體液位高時停攪拌器液位低時開攪拌器。改進方案簡化了攪拌器的控制邏輯，且在開始進料并加入吸附劑的過程中已經啟動攪拌器，這樣提高了攪拌器的攪拌效率，同時能夠讓吸附劑和物料接觸更加充分。

⑤無論是改進前還是改進后控制方案，要實現(xiàn)A/B 罐間的切換以及保持上下游物料連續(xù)，當罐體內物料達到高液位設定值后即將打開罐體出料閥。所以最后進入吸附罐的上游物料在罐體中停留的時間相對較短，這是該種工藝流程中無法避免的問題。

通過上述改進，裝置開車后運行平穩(wěn)正常。

2.2 裝置中典型壓力調節(jié)系統(tǒng)

目前許多石油化工生產裝置中，物料儲罐的氮氣密封及壓力控制系統(tǒng)采用分程控制方式，即用一個調節(jié)器按輸出信號的不同區(qū)域同時控制兩個或多個執(zhí)行機構的控制方式。此種控制方式一是可以擴大調節(jié)閥的可調范圍，改善控制的品質；二是可以滿足工藝操作中更加精確的要求[1]?，F(xiàn)今石油化工裝置中的分程控制系統(tǒng)一般都采用DCS（Distributed Control System 分散控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)的分程模塊實現(xiàn)，分程模塊的優(yōu)點是：易于實現(xiàn)，便于調校、維修以及更換[2]。

（1）工藝控制要求

根據(jù)裝置的生產工藝特點，催化劑配置/計量罐、吸附罐、緩沖罐、油罐和反應器等罐體的壓力均需要維持在某設定值（正壓）范圍內，主要目的是使罐頂壓力始終維持在一個相對固定的范圍內。裝置中罐體均利用精制氮氣對罐頂壓力進行調節(jié)，本文以圖1 中催化劑吸附罐壓力調節(jié)系統(tǒng)為例進行說明。通過罐體壓力實時測量值同時調節(jié)氮氣以及放空管線上的調節(jié)閥開度，從而實現(xiàn)穩(wěn)定罐體壓力的作用。

如圖1所示，當吸附罐罐體進料時，液位上升，灌頂壓力上升至壓力下限設定值時，停止補充氮氣，若壓力持續(xù)升高至壓力上限設定值時，放空閥逐步打開適量放空。當吸附罐罐體出料時，液位下降，灌頂壓力降低至壓力下限設定值時，繼續(xù)補充氮氣。

（2）分程控制方案

該裝置中分程控制均在DCS 系統(tǒng)中完成，分程控制描述為：控制器輸出0%～45%時，進氣閥開度從100%～0%，放空閥開度為0%；控制器輸出45%～55%時，兩個閥開度都是0%；控制器輸出55%～100%時，放空閥開度從0～100%，進氣閥開度為0%。45%～55%區(qū)間可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調整，分程控制區(qū)間如圖2所示。

圖2 分程控制區(qū)間Fig.2 The interval of split control

（3）對分程控制方案的探討

①調節(jié)閥的氣開/氣關形式

該裝置中，從工藝安全的角度，進氣閥在發(fā)生故障時停止補氣應處于關閉狀態(tài)，故其形式為FC（氣開型）；放空閥在發(fā)生故障時將灌頂氣體排空，故其形式為FO（氣關型）。壓力調節(jié)信號從0 增至壓力下限設定值時對應進氣閥開度從100%～0%，調節(jié)信號由壓力上限設定值至100%時對應放空閥開度從0%～100%。對于被控過程而言，當壓力信號增加（減?。r，閥門開大（關?。?，此被控過程為正作用；當壓力信號增大（減小）時，閥門關?。ㄩ_大），此被控過程為反作用。綜合考慮以上因素，可以通過DCS 系統(tǒng)的分程控制模塊實現(xiàn)分程控制，完成工藝控制要求。

在一些化工裝置中，放空管線上的調節(jié)閥選型為FC（氣開型）。一方面，考慮在發(fā)生故障后，罐體壓力可維持故障前的壓力狀態(tài)。另一方面，若故障時打開放空閥，壓力釋放后罐內壓力降低，若短時間內重新開工，則需重新補充氮氣，這樣會造成氮氣的額外消耗。

考慮上述兩點，在符合工藝安全的前提下，后續(xù)類似工況是否可采用進氣閥以及放空閥均采用FC（氣開型）形式。因在本裝置中此種工況較多，本文在此提出思考，在后續(xù)類似裝置設計中考慮能否做出適當改進。

②分程區(qū)間的確立

選擇分程控制區(qū)間的一般規(guī)律[3]為：若隨著調節(jié)器輸出信號的增加，A 閥開度逐漸增大（或減小）至一定開度后需要調節(jié)B 閥時，則B 閥工作在高信號區(qū)間；若隨著調節(jié)器輸出信號的減小，A 閥開度逐漸增大（減小）至一定開度后需要調節(jié)B 閥時，則B 閥工作在低信號區(qū)間。在本裝置的分程控制方案中，隨著壓力信號的增加即調節(jié)器輸出信號的增大，進氣閥A 開度逐漸減小至全關后，若壓力隨著液位的增加仍持續(xù)升高，則需要打開放空閥A。所以本裝置中分程控制的分程區(qū)間如圖2所示。

③中間區(qū)間的選擇

在該裝中，當壓力調節(jié)信號達到設定值的下限時，進氣閥A 全部關閉，隨著調節(jié)器輸出信號繼續(xù)增加（壓力增加）至設定值上限時，再逐步打開放空閥A。設定值下限至設定值上限區(qū)間內，兩個閥門均處于關閉狀態(tài)。

此種控制方案在實際生產中已較為常見。倘若不設置該區(qū)間，調節(jié)器輸出信號的設定值僅為區(qū)間上的一點。有時由于調節(jié)閥控制信號的滯后以及不同閥門執(zhí)行機構動作時間的差異，輸出控制信號由設定值附件變化時，可能會出現(xiàn)放一臺閥門已經開啟而另一臺閥門尚未關閉的情況。這樣會造成氮氣的浪費，所以設置該區(qū)間，可保留充分時間使調節(jié)閥完成動作，消除調節(jié)閥動作的滯后現(xiàn)象。該 裝置中所有壓力調節(jié)系統(tǒng)初始中間區(qū)間設置為45%～55%，在開車及調試階段該區(qū)間可根據(jù)每個系統(tǒng)不同工藝狀況適當調整。

3 安全聯(lián)鎖方案

在本裝置中，主要聯(lián)鎖保護方案為：反應器壓力或溫度高高時，聯(lián)鎖關閉反應器進出料閥門、進出料泵、壓縮機及加熱器等關鍵設備。本文著重對裝置催化劑單元中烷基鋁系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護方案加以探討。

（1）工藝安全保護要求

裝置中采用烷基鋁作為助催化劑參與聚合反應。而烷基鋁作為一種危險化學品，在空氣中（特別是潮濕空氣）可自燃，與非金屬氧化物（如二氧化碳等）接觸發(fā)生著火或爆炸，且與水接觸，可發(fā)生劇烈反應，引起著火或爆炸[4]。鑒于上述烷基鋁的高火災危險性，必須針對其設置安全聯(lián)鎖保護方案。

（2）安全聯(lián)鎖方案

目前，國內各類化工裝置中對于烷基鋁系統(tǒng)緊急狀態(tài)聯(lián)鎖保護方案中，主要采取兩種措施：一是控制室或者現(xiàn)場手動緊急停車；二是當發(fā)生火災時纏繞在管線上的易熔斷聚乙烯儀表氣源管線被燒斷，使該工藝管線上的緊急切斷閥失氣保持在安全位置[5]。

基于上述措施，本裝置烷基鋁系統(tǒng)聯(lián)鎖保護方案的觸發(fā)聯(lián)鎖條件為 ：現(xiàn)場急停開關（設置在距離催化劑單元約15 m 處）或CCR 輔操盤急停開關或儀表風管線壓力低低（聚乙烯氣源管線被燒斷）或烷基鋁收集罐液位高高（裝置處于事故狀態(tài)）。聯(lián)鎖動作為：關閉烷基鋁儲罐入口及出口閥，打開烷基鋁收集罐入口閥，關閉烷基鋁配制罐入口閥（聯(lián)鎖動作工藝管線上的緊急切斷閥）。同時為烷基鋁儲罐出口閥單獨設置現(xiàn)場手動開關。

（3）安全聯(lián)鎖方案探討

裝置正常運行時，進行催化劑配比的過程中需要對烷基鋁配制罐入口閥進行手動操作。即該臺閥門在裝置正常運行時由DCS 系統(tǒng)控制，而在緊急事故狀態(tài)下由SIS 系統(tǒng)控制。為了進一步提高工藝操作的安全性，對該切斷閥的控制方案進行了改進。給出兩個改進方案，一是增加一臺閥門，將DCS 控制與SIS 聯(lián)鎖操作完全獨立；二是對現(xiàn)有開關閥增加一臺電磁閥，使DCS 控制與SIS 聯(lián)鎖相對獨立。在節(jié)約成本以及兼顧安全性的前提下，最終選擇方案二。在方案二現(xiàn)場安裝程中，應注意將SIS 電磁閥靠近閥門執(zhí)行機構安裝，保證SIS 聯(lián)鎖動作時，閥門能夠快速響應。

4 結束語

本文對某油品生產裝置中的主要控制以及聯(lián)鎖方案進行了改進及探討。順序控制方案的合理性是保證工藝流程的重要環(huán)節(jié)，在設計過程中通過與工藝以及操作人員不斷溝通討論，結合裝置自身的工藝特點，才能制定出合理的順序控制方案。分程控制在化工裝置中十分常見且普遍應用，但在分程控制方案確定過程中，需分析清楚控制系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表設備之間的工作配合原理，注意現(xiàn)場儀表設備（閥門）的選型，確保實現(xiàn)工藝要求。為提高烷基鋁系統(tǒng)的安全性，結合實際工況，對其安全聯(lián)鎖方案做出了細節(jié)性調整。設計合理安全的控制以及聯(lián)鎖方案是保證裝置安全平穩(wěn)運行的基礎，本文結合相關工程實踐，為今后擴大裝置規(guī)模積累寶貴經驗。