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高压聚乙烯装置有关安全的特殊自控措施及仪表

文档作者: 于恩深        文档来源: 大庆石化工程有限公司
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更新时间: 2021年01月07日
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过程控制 石 油 化 工 自 动 化,2OO8,1:45 AUToM ATION IN PETR()-CHEM ICAL INDU STRY 高压聚乙烯装置有关安全的 特殊自控措施及仪表 于恩深 (大庆石化工程有限公司,黑龙江大庆163714) 摘要:高压聚乙烯装置是典型的大型石化装置,其工艺和设备方面的特殊性决定了对其采用自控对策的特殊性。基于工 程设计实例,对该装置自控设计中为保证安全而采用的特殊对策包括控制系统、联锁逻辑及现场仪表予以简明介绍。 关键词:高压聚乙烯装置;安全;自控特殊对策 中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1007—7324(2OO8)O2—0045—04 The Special Considerations Related to the Safety of Low Density Polyethylene Plant on Its Automation Instrumentation Engineering Aspec t YU Enshen (The Daqing Petrochemical Engineering Co.,Ltd,Daqing,1 637 1 4,China) Abstract:The high pressure low density polyethylene plant is a typical large—scale petrochemical plant, lying on the specialties of its process and equipment,the special automation measures should be taken to settle them.Based on the practical engineering design,a brief introduction is given towards the special automation measures,including control system,interlock logic and field instruments in order to ensure the safety of the plant on its automation/instrumentation engineering aspect. Keywords: high pressure low density polyethylene plant: specialties: safety; special autom ation m easures 1 引 言 高压聚乙烯装置是典型的石油化工装置,其主 要工艺特点: 装置加工、储存的主要介质乙烯、醋酸乙烯、过 氧化物等易燃易爆;工艺过程操作压力高(最高操 作压力310 MPa(G)),反应温度亦高(最高操作温 度320℃),聚合反应剧烈,操作不当极易产生乙烯 分解爆炸,故对过程控制和安全联锁系统以及关键 的现场仪表不仅要求最高的可靠性而且要求极快 的响应速度。工艺设备复杂,二次压缩机和反应器 为超高压设备(360 MPa);工艺流程较长,主要包 括压缩、引发剂制备及注入、聚合反应、高低压循环 气系统、热水系统、挤压及风送等工段。 装置主要控制系统包括DCS,ESD和脉冲阀 控制器。DCS用于整个生产过程的监视和控制; ESD由专用的硬接线反应器停车逻辑控制系统 (RSD)和主要用于风送脱气工段的安全可编程逻 辑控制系统(PSD)组成,用于装置的紧急联锁停 车,同时,PSD也实现ESD的事件顺序记录(S0E) 和与DCS进行数据通讯的功能;脉冲阀控制器则 专门用于反应器出口的脉冲阀的控制。 笔者参加了国内最近2套200 kt/a高压聚乙烯 装置(大庆石化公司和兰州石化公司,均采用 BASELL LUPOtech T 高压管式反应器工艺)的包 括项目和设备采购技术谈判、基础和详细设计、现场 施工和开车服务等的与工程设计有关的所有工作, 并对高压装置开车及运行阶段的常见问题有过深入 分析并妥善处理,尤其对自控方面有关安全的特殊 设计和实效有了较深切的体会,下面分别予以简介, 以期对同行或同类装置的设计有所借鉴。 2 DCS的特殊考虑 除“快速数据记录”和“系统时钟同步和系统时 收稿日期:2007—11—05 作者简介:于恩深(1963一),男,黑龙江拜泉人,1985年大庆 石油学院过程自动化专业毕业,学士,毕业至今一直在大庆石化工 程有限公司从事仪表及自控设计工作,高级工程师,参加过多项大 中型石化装置工程设计,获省部级设计奖2项,发表论文3篇。 维普资讯 http://www.cqvip.com 石油化工自动化 间生成”两种较特殊的要求外,高压装置对DCS的 技术要求与一般装置是类似的。 2.1 快速数据记录 沿高压反应器体的温度(包括其他参数共约 150个AI点)变化对装置开车和正常运行具有极 其重要的指导作用,所以单独采用一显示器对其温 度变化动态快速显示,快速数据采集专用DCS的 一个控制站实现,其显示专由DCS的一个操作站 实现。对快速数据采集点的扫描周期要求为 100 ms,显示画面数据刷新周期不大于500 ms。 2.2 控制系统时钟同步和系统时间生成 因高压装置开车和运行中易发生联锁跳车,并 且联锁及其关联信号分布在DCS和ESD中,而要 准确快速地找出跳车的原因,除了PSD系统要求 较强的SoE功能外,还要求DCS和PSD的基准 时钟保持同步。 针对中国的具体情况,实际设计中该时钟同步 是采用全球定位系统(GPS)的接收器实现的,即此 接收器接收全球定位系统发出的标准时钟信号并 同步传输给DCS和PSD。此特殊的接收器由DCS 厂家成套提供并工程实现。 3 ESD的特殊考虑 3.1 硬接线反应器停车逻辑控制系统(RSD) 考虑到高压装置的特殊性,根据专利商要求, 对装置最为关键的高压部分(主要包括反应器、二 次压缩机和高压分离器等)有关的紧急停车控制采 用(RSD)实现。其主要优点:系统安全等级达SIL 4级;响应时间快,从收到输入、进行逻辑运算、到 给出输出的响应时间不大于80 ms;同类装置大多 采用此类控制系统;RSD 主要实现紧急程序l (EP1)和紧急程序2(EP2)的功能。 EP1用以保护二次压缩机和反应器系统,通 过快速排放二次压缩机和全反应器系统以避免其 由于乙烯分解或设备等故障而导致压力温度超限。 EP1主要由二次压缩机出口温度/压力、反应 器温度/压力、高压分离器液位等超限条件触发,也 可手动触发;同时,EP2动作也触发EP1。 EP1触发后主要动作包括:反应器系统的所 有紧急排放阀打开,使二次压缩机和整个反应器系 统快速泄压;反应器脉冲阀关闭;高压循环切断阀 关闭,使高压分离器和高压循环气系统保持在正常 操作压力;产品阀关闭;一次压缩机和二次压缩机 停止,二次压缩机吸入阀关闭;引发剂进料关断,进 料泵停止等。 EP2提供进一步的安全功能以保护产品冷却 器和高压分离器,避免其因乙烯分解而产生的高压 力/温度而损坏。 EP2主要由反应器脉冲阀和高压分离器间的 产品冷却器温度、高压分离器温度和压力、液压油 压力等超限条件触发,也可手动触发。 EP2触发后主要动作为:产品冷却器入口和 高压分离器出口紧急排放阀打开,使产品冷却器和 高压分离器快速泄压;触发EP1。 3.2 脱气工段安全联锁逻辑(PSD) 由高压装置反应工艺决定,其经挤压后送料仓 的颗粒中夹带较多的气体乙烯,为保证安全,需在 产品进成品仓之前经脱气仓脱气,并对脱气设安全 联锁逻辑控制。 该联锁逻辑主要功能是避免脱气仓内乙烯 气体体积分数超高而发生危险。具体实现是在 某脱气仓进行脱气工序时如果其正常脱气气体 (空气)流量过低,则自动(或手动)打开该仓后备 脱气气体(高压氮气和低压氮气)的开关阀补充 脱气,同时,停止该料仓的进料、排料及掺混等顺 序操作。 根据专利商要求,该安全逻辑和判断某脱气料 仓处于脱气工序的逻辑必须在安全型可编程控制 器(S—PLC)内实现,而风送单元其他所有逻辑和 顺序控制是在DCS或PLC内实现的,因此具体实 现时需要在S—PLC与DCS(PLC)间交换大量关 联信号,基于这一情况,笔者建议在今后类似设计 中,把风送单元控制逻辑及类似PSD 的安全逻辑 都用S—PLC统一实现。前提是由此引起的控制 系统的价格增加必须在合理范围内。 4 脉冲阀及脉冲阀控制器 由于高压管式反应器反应生成的聚合物比较 粘稠,易粘附在反应器管壁,这将使管壁传热效果 降低,影响反应热的散发,降低转化率。为此反应 器采用脉冲出料,靠脉动流推力来冲刷掉粘附在管 壁的聚合物。具体实现是在反应器出口管设脉冲 阀,并对其采用专用控制器—— 脉冲阀控制器 控制。 脉冲阀为液压驱动的超高压(差)角形控制阀, 压力等级为360 MPa,配套供有液压伺服阀、液压 电磁阀、阀位回讯开关及变送器等,以满足正常生 产或紧急工况时的控制需要。 脉冲阀控制器是基于微处理机技术的专用控 制器,正常生产时,它接收DCS给出的反应器压 力、脉冲间隔、脉冲宽度等设定信号,经调节运算后 输出控制脉冲阀,达到既能定值控制反应器压力又 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 于恩深.高压聚乙烯装置有关安全的特殊自控措施及仪表 能使其周期降压的目的。同时,它也可以脱离 DCS独立工作,如上参数也可在脉冲阀控制器内 设定,且降压过程中的一些细节参数只能在其内部 设定,如压力下降时间、压力上升时间、脉冲深 度等。 除了模拟信号以外,脉冲阀控制器与DCS/ ESD也有约10点的触点信号交接,由此完成在 EP1,EP2等程序动作时的对脉冲阀的控制。 5 特殊仪表 5.1 高压热电偶和快速温度变送器 为保证测量快速可靠,装置高压管线测温均采 用专用的高压小惰性热电偶。根据应用位置不同, 其压力等级分别为PN 360 MPa,PN 160 MPa, PN 50 MPa,高压密封采用金属线密封,响应时间 t50≤ 0.6 S,t90≤ 1.8 S。 全装置共有124支高压热电偶,其中有103支 作为EP1和EP2的输入触发信号,作用极其重要, 为保证其信号的快速可靠传送,现场采用快速温度 变送器把热偶信号转换为标准4~20 mA信号,再 送入中控室。快速温度变送器响应时间要求为 t90≤30 ms。 5.2 紧急排放阀 紧急排放阀为液压驱动的(超)高压三通开关 阀,装置共有7台,其中反应器系统设置6台(PN 360 MPa),另1台(PN 50 MPa)在高压分离器气 相出口线上,其特点是耐高压(差),动作快(其排放 通路自全关到开度50 的时间仅为0.2 s),并要 求零故障。它们只受EP1和EP2控制,是装置高 压部分紧急工况时的惟一泄压手段。 5.3 高压压力变送器 直接安装在高压或超高压管路上的压力变送 仪表,采用电阻应变片式测量原理,其测量压力范 围可到0~400 MPa,精度为0.5 ,采用二线制本 安型,响应时间应小于10 ms,与介质密封采用金 属线密封。装置共有高压压力变送器34台。 5.4 三取二测量 对重要的测量参数(如反应器入口、高压分离 器气相出口、液压油压力等),为保证测量可靠,减 少误动作,现场采用3个压力变送器测量,其超限 信号送入RSD的紧急程序EP1,EP2中,采用三取 二逻辑。 5.5 高压分离器的液位测量 高压装置共有5台设备需采用核辐射仪表测 量液位,其中高压分离器的液位测量较具难度,因 其设备内部压力较高(正常约30 MPa),温度高(正 常约250℃),设备壁厚较大(约200 mm),内部介 质密度较大,采用普通的遮挡法核辐射测量液位是 无法实现的,故实际上设备厂家根据需要对射源和 检测器处均做了伸入设备内的特殊套管,自控设计 则因此采用核辐射穿透法来测量液位。 核辐射穿透法测量原理决定其要求的核源强 度较大,如何在保证测量效果的前提下尽可能使用 较小强度的射源是这一测量的核心所在(当然这也 是所有核辐射测量技术的核心问题),实际应用证 明二者是可以兼得的。 5.6 水中乙烯分析仪 高压管式反应器长期在高温和超高压脉动压 力的苛刻条件下工作,故可能产生裂缝,这在以往 装置的实际生产中曾出现过,所以快速准确地检测 出其本体可能有的裂缝对装置的安全极其重要,这 一难题是由水中乙烯分析仪的间接测量解决的。 水中乙烯分析仪采用红外测量原理,安装在管 式反应器夹套的热水回水系统处,只要在热水系统 的蒸汽中检测到乙烯,便可断定反应器有裂缝。 5.7 高压系统仪表的抗振措施 装置的高压压力变送器直接安装在高压管线 上,正常生产时因高压管线振动而引起变送器表头 接线盒处有振动,为避免因振动而使电缆接线松 动、断线或损坏仪表的情况发生,设计中对该表安 装采用特殊的加强支架,由支架把变送器及其安装 管道结为一体,从而减少了变送器表头的振动幅 度,达到了预期效果。 6 反应坝内可燃气体的检测 因聚合反应剧烈,如操作不当,将出现爆聚使 压力急剧升高而发生危险,故为安全考虑,一般高 压装置均把高压聚合反应器和高压分离器布置于 一防爆围墙内,也称反应坝。反应坝内的可燃气体 检测主要检测管式反应器各段连接法兰处的泄漏。 管式反应器在反应坝内分段由法兰连接组合 成立体螺旋排列,反应器设计制造和平面布置保证 了每组法兰连接群处各法兰均处于同平面坐标位 置而仅是立面高度不同,因此,为检测反应器各段 连接法兰处的泄漏,先在每组法兰连接群处作一自 下而上的风道,在此风道的下口和上口各安装一催 化燃烧式可燃气体检测器,以此达到测量泄漏的可 燃气体的目的。 为保证操作维护人员的安全,如上的可燃气体 检测仪表选用分体结构,即检测器安装在反应坝 内,而变送器安装于反应坝外,二者之间采用远程 标定设施。 维普资讯 http://www.cqvip.com 石油化工自动化 为保证测量的可靠,在每组风道的上口又增设 了开路红外式可燃气体检测器。 鉴于反应坝内可燃气体泄漏的可能后果,根据 专利商要求,如上催化燃烧式可燃气体检测器任何 2个信号同时超限和每组风道上口的催化燃烧式 及开路红外式可燃气体检测器同时超限报警时,信 号送RSD触发EP1。 7 机械锁 机械锁一般装在如工艺阀门的手动操作机构 上,安装有机械锁的手动操作机构只有其在正确的 操作位置并且有专用钥匙开启的情况下,才可下一 步手动开向其相反位置,几个有机械锁的手动机构 组合操作则构成了一个只能按惟一顺序才能进行 的逻辑手操过程,这一过程不便于操作,但能保证 绝对安全。对某些有关装置安全的重要操作,采用 机械锁是最直接最可靠的选择。高压装置在如高 压氮气罐(服务于反应器紧急排放阀和风送紧急脱 气阀)充气系统的关键处采用了机械锁。 机械锁系统一般由带机械锁的现场执行设备、 专用钥匙及控制室内钥匙柜组成,装置运行时,每 个现场执行设备的一个钥匙必须插在钥匙柜的相 应位置上。 普通的机械锁系统应属于工艺操作的范畴, 但有些复杂的机械锁系统则配有一次仪表(如位 置开关和/或电磁等)与装置控制系统逻辑紧密 关联,此时的机械锁也应属于装置安全控制的一 部分。高压装置与装置控制系统有关的机械锁 主要有两处。 7.1 放空塔排料的机械锁系统 EP1和EP2触发后,高压聚合物通过紧急排 放阀排到底部锥体有水的放空塔,其中气态乙烯自 放空塔上部排放,而其余聚合物接触水后成为白色 粉末状(或松散块状)沉积物,紧急停车后再次开车 前,须清理出此沉积物。 放空塔底部水位测量采用核辐射仪表,射源铅 罐孔开闭有位置开关检测并由气动执行机构控制; 放空塔底部卸料大盖开闭设位置开关检测并由液 压执行机构开启。在放空塔底部地面设有开启射 源和底盖的现场控制箱(均带机械锁设施)。进放 空塔的稀释蒸汽线、低压氮气线和热水线均装有带 机械锁的手阀。 装置正常生产时,射源铅罐孔处于开位置,放 空塔底部卸料大盖处于关位置(信号送DCS作为 装置开车允许条件)。 ESD触发装置停车后,须清理出放空塔内的 沉积物,首先,在满足一次机/2次机停止等一系列 条件的前提下,DCS逻辑给现场底盖控制箱一允 许开盖信号,再从机械锁钥匙柜取出专用钥匙到现 场依次关闭稀释蒸汽线、低压氮气线、热水线带机 械锁的手阀,而后用前者释放的钥匙通过上述射源 控制箱关闭射源,最后,在射源关闭位置信号送到 底盖的控制箱的前提下,才可用前者释放的钥匙通 过该控制箱的手动开关打开放空塔的底盖卸料。 开车前关闭放空塔底盖的顺序与上述顺序恰 好相反。 通过如上的较为复杂而严格的操作过程,保证 了开车时的装置安全和停车后对操作人员的可靠 保护。 7.2 机械锁与ESD 高压装置共有4组机械锁系统,在控制室设1 个机械锁钥匙柜,钥匙柜上各组应归位的分钥匙和 一个总钥匙位置是固定的。ESD盘上设机械锁总 钥匙插座(带位置开关和锁定机构)。 装置开车前,各组机械锁系统现场操作必须完 成,而后各分钥匙必须在钥匙柜归位,且只有在各 分钥匙都归位后,才能拔下总钥匙,把它插入ESD 盘上的机械锁总钥匙插座中,此时,就位信号送 ESD逻辑中,装置方可正常开车。 在ESD触发装置停车后,ESD输出给总钥匙 插座锁定机构以释放信号,此时方可拔下总钥匙, 将其插入机械锁钥匙柜的总钥匙插座后,才能取下 各组机械锁系统的分钥匙对现场各机械锁系统 操作。 通过机械锁和ESD逻辑的交叉互锁控制,保 证了只有在现场各有关安全的机械锁操作完成后 装置才能开车和只有在装置停车后才能进行现场 各机械锁系统操作的工艺要求。 8 结束语 因高压装置的特殊性,决定了参加工程的各方 (包括专利商和工程承包商、设计和用户等)对装置 的安全性和可靠性有着更多的要求,如上只是对自 控设计方面诸多安全对策中的某些特殊措施、仪表 的介绍。同时,其他各专业也采用了诸多安全可靠 的方案,也正因如此,才保证了高压装置整体的可 靠,达到了化危险为安全的最终效果,2套高压装 置的一次开车成功和平稳运行,是对各方艰辛工作 的最好肯定和回报。 参考文献: 1 孟繁荣.石油化工装置过程控制设计手册.北京:中国石化出版 社,1995,267~ 295
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