緊急停車系統(tǒng)在FCCU反應(yīng)再生過程中的應(yīng)用

李 鳴 梁 英

(南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

0 引言

催化裂化裝置(fluid catalytic cracking unit，F(xiàn)CCU)反應(yīng)再生過程主要用來完成原料油裂化和催化劑的再生工作，它的安全運(yùn)轉(zhuǎn)是整個裝置安全生產(chǎn)的必要前提。

為了最大限度地降低裝置惡性事故發(fā)生的概率，避免重大經(jīng)濟(jì)損失，對FCCU反應(yīng)再生過程采用高可靠性的緊急停車(emergency shutdown，ESD)系統(tǒng)來進(jìn)行連鎖保護(hù)控制是很有必要的[1]。

本文在深入了解FCCU反應(yīng)再生過程工藝及設(shè)備特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套基于S7-3000 PLC的緊急停車系統(tǒng)。

1 工藝及連鎖邏輯關(guān)系

1.1 FCCU反應(yīng)再生過程工藝簡介

FCCU一般由反應(yīng)再生、主風(fēng)機(jī)、分餾、壓縮機(jī)、吸收穩(wěn)定和余熱鍋爐等部分組成，其工藝流程如圖1所示[2]。

圖1 FCCU工藝流程圖Fig.1 Process flow of FCCU

1.2 連鎖邏輯的設(shè)計

根據(jù)FCCU反應(yīng)再生系統(tǒng)的進(jìn)料流量低限、反應(yīng)溫度低限、兩器差壓超限、主風(fēng)流量低限和增壓風(fēng)流量低限，設(shè)計了反應(yīng)器進(jìn)料自保、兩器自保、主風(fēng)低流量自保、主風(fēng)機(jī)組自保和增壓風(fēng)低流量自保這5項ESD系統(tǒng)自保項目。

1.2.1 進(jìn)料自保連鎖邏輯

當(dāng)反應(yīng)進(jìn)料流量低于某一下限值時，兩器壓力平衡被破壞，催化劑循環(huán)受阻，甚至還會發(fā)生催化劑倒流現(xiàn)象，使油氣大量帶入再生器而引起事故[3]。因此，選用進(jìn)料流量低限或反應(yīng)溫度低限作為連鎖條件。當(dāng)反應(yīng)器-再生器差壓、主風(fēng)流量、主風(fēng)機(jī)組、增壓風(fēng)流量均正常，而反應(yīng)器進(jìn)料流量或反應(yīng)溫度達(dá)到低限時，啟用進(jìn)料自保系統(tǒng)。進(jìn)料自保連鎖邏輯如圖2所示。

圖2 進(jìn)料自保連鎖邏輯圖Fig.2 Interlock logic of feeding protection system

事故排除后，須對反應(yīng)進(jìn)料自保進(jìn)行復(fù)位，但須在兩器自保、主風(fēng)低流量自保和主風(fēng)機(jī)組自保均已復(fù)位的前提下進(jìn)行。

1.2.2 兩器自保連鎖邏輯

在催化裂化裝置FCCU反應(yīng)再生過程中，兩器差壓超限將破壞其壓力平衡，引起油氣互串，嚴(yán)重時還會引起爆炸等事故，故將兩器差壓超限作為兩器自保連鎖條件。當(dāng)兩器差壓持續(xù)超限，難以維持正常操作時，啟用兩器自保，同時帶動進(jìn)料自保啟動。同樣，事故排除后，須對兩器自保進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)兩器差壓正常后，進(jìn)料自保進(jìn)行復(fù)位。兩器自保連鎖邏輯如圖3所示。

該馬爾可夫過程在第[tk+(l-1)T0]秒時的過程元A′[tk+(l-1)T0]的一步傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移過程元變化為

圖3 兩器自保連鎖邏輯圖Fig.3 Interlock logic of reactor-regenerator self-protection

1.2.3 主風(fēng)低流量自保連鎖邏輯

當(dāng)主風(fēng)流量下降至低限時，啟用主風(fēng)低流量自保。同時，帶動進(jìn)料自保、兩器自保、增壓風(fēng)自保和主風(fēng)機(jī)組自保啟動。催化裂化主風(fēng)低低流量檢測元件宜采用3取2配置或2取2配置，本文選用3取2的配置方式。主風(fēng)低流量自保連鎖邏輯如圖4所示。

圖4 主風(fēng)低流量自保連鎖邏輯圖Fig.4 Interlock logic of main air flow low self-protection

1.2.4 主風(fēng)機(jī)組自保連鎖邏輯

煙氣輪機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)和電動/發(fā)電機(jī)(簡稱“三機(jī)組”)是目前在FCCU中應(yīng)用較多的主風(fēng)機(jī)配置方案[4－5]。本文的主風(fēng)機(jī)組自保連鎖邏輯主要有：機(jī)組啟動邏輯、機(jī)組自動操作邏輯、安全運(yùn)行邏輯和緊急停車邏輯，具體介紹如下。

①機(jī)組啟動邏輯，主風(fēng)機(jī)組緊急停車后需延遲15 min，待“預(yù)啟動檢查可進(jìn)行”指示燈亮后再啟動。啟動前還應(yīng)對機(jī)組進(jìn)行盤車[6]，只有當(dāng)盤車運(yùn)轉(zhuǎn)停止時，才能進(jìn)行機(jī)組的再次啟動。機(jī)組的啟動條件可通過操作面板上的“預(yù)啟動檢查按鈕”來進(jìn)行操作，主要包括潤滑油壓力正常(＞0.25 MPa)、動力油壓力正常(＞12.0 MPa)、潤滑油冷卻器出口溫度正常(＞25℃)、靜葉在22°位置、反喘振放空閥全開、主風(fēng)機(jī)出口止回閥和單向閥均關(guān)閉、煙機(jī)入口蝶閥和閘閥均關(guān)閉以及盤車運(yùn)轉(zhuǎn)停止等條件。當(dāng)以上條件均滿足時，系統(tǒng)處于“啟動待命”狀態(tài)[2－5]。

②機(jī)組自動操作邏輯，為便于做各方面檢查，在機(jī)組啟動成功后應(yīng)保持5 min，5 min后“自動操作可進(jìn)行”指示燈亮[1－2，5]，按下操作面板上的“允許自動操作”按鈕，機(jī)組進(jìn)入“自動”運(yùn)行狀態(tài)，反喘振放空閥的調(diào)節(jié)解鎖;開啟主風(fēng)機(jī)出口單向閥和止回閥;靜葉調(diào)節(jié)器解鎖;煙機(jī)入口蝶閥投自動。

③機(jī)組安全運(yùn)行邏輯，安全運(yùn)行是指機(jī)組在正常運(yùn)行中因裝置操作需要或機(jī)組本身原因，暫時停止向再生器供風(fēng)而主風(fēng)機(jī)不停時的一種“自保運(yùn)行”狀態(tài)[2，5]。當(dāng)按下“手動安全運(yùn)行”按鈕，或裝置主風(fēng)機(jī)低流量自保動作，或主風(fēng)機(jī)入口低流量，反喘振保護(hù)失靈，或進(jìn)入逆流狀態(tài)時，機(jī)組將進(jìn)入安全運(yùn)行。此時，靜葉關(guān)至22°，主風(fēng)機(jī)出口止回閥關(guān)閉，防喘振閥全開，煙機(jī)入口蝶閥和閘閥全關(guān)[7]。

④機(jī)組緊急停機(jī)邏輯，當(dāng)手動緊急停車開關(guān)處于“ON”狀態(tài)、機(jī)組轉(zhuǎn)速超限、潤滑油壓力過低、動力油壓力過低、主風(fēng)機(jī)軸位移過大、主風(fēng)機(jī)持續(xù)逆流、煙氣輪機(jī)軸位移超限中任何一項或幾項連鎖條件發(fā)生時，裝置將急停主風(fēng)機(jī)組。

事故排除后，機(jī)組自保復(fù)位。機(jī)組恢復(fù)正常后，進(jìn)料自保、兩器自保、主風(fēng)機(jī)低流量自保和增壓風(fēng)自保按規(guī)程復(fù)位。

1.2.5 增壓風(fēng)自保連鎖邏輯

當(dāng)增壓風(fēng)流量下降至低限或增壓機(jī)故障時，啟用增壓機(jī)自保，關(guān)閉增壓風(fēng)阻尼單向閥，迅速打開事故蒸汽閥，以保證在增壓風(fēng)中斷后能維持待生催化劑線路中的壓力平衡，防止反應(yīng)再生系統(tǒng)催化劑停止循環(huán)[3]。

2 ESD系統(tǒng)硬件配置選型

2.1 PLC容量的確定

PLC選型前首先要確定PLC的容量，包括I/O點(diǎn)數(shù)和用戶存儲器容量。

FCCU反應(yīng)再生過程中，ESD系統(tǒng)的控制點(diǎn)規(guī)模如下：DI 50點(diǎn)、DO 50點(diǎn)、AI 54點(diǎn)、AO 26點(diǎn)。為便于系統(tǒng)的升級，I/O點(diǎn)數(shù)可取10% ～15%的裕量[6]，本系統(tǒng)取10%。因此，實(shí)際配置 DI 55點(diǎn)、DO 55點(diǎn)、AI 60點(diǎn)、AO 29點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗，每個I/O點(diǎn)及有關(guān)功能器件所占的內(nèi)存大致如下[6]：

式中：MC為所需存儲器容量，kB;DI為數(shù)字量輸入點(diǎn)總數(shù);DO為數(shù)字量輸入點(diǎn)總數(shù);AI/AO為模擬量輸入/輸出通道總數(shù);CP為通信接口總數(shù)。

由式(1)及系統(tǒng)I/O點(diǎn)規(guī)模可得存儲器容量為2.4 kB，按30%的裕量[6]，本系統(tǒng)所選 PLC 機(jī)型的存儲器容量至少為3.12 kB。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

本系統(tǒng)選用西門子S7-300 PLC來進(jìn)行ESD的設(shè)計。它不但能滿足以上容量需求，且其用戶可根據(jù)系統(tǒng)需求來自行選擇I/O點(diǎn)數(shù)及模塊種類和數(shù)量，具有配置靈活、擴(kuò)展方便和硬件可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

FCCU反應(yīng)再生過程ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)采用3級控制體系，即現(xiàn)場級、控制級和監(jiān)視級，各級之間通過冗余的通信網(wǎng)絡(luò)來連接。

圖5 ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of ESD system

現(xiàn)場級采用2組冗余配置的ET200M分布式I/O站;控制級中CPU采用雙冗余配置，它是整個系統(tǒng)的核心部分;監(jiān)視級采用1個操作員站和1個工程師站。ET200M從現(xiàn)場采集實(shí)時信號，通過Profibus總線上傳到控制級PLC中。控制級中，主備CPU具有相同的用戶程序，它們同時參與控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，并通過工業(yè)以太網(wǎng)向監(jiān)視級操作員站上傳數(shù)據(jù)，接收操作員站的操作指令或接收工程師站的系統(tǒng)組態(tài)信息和工程下載文件，完成系統(tǒng)組態(tài)。正常情況下，主CPU通過Profibus總線把連鎖控制信號傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，指揮系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動作;當(dāng)主CPU發(fā)生故障時，備用CPU自動接替主CPU的工作。系統(tǒng)硬件配置選型如下所示[7]：監(jiān)視級采用2塊以太網(wǎng)卡CP1613，選用的標(biāo)準(zhǔn)工具軟件有 SIMATIC NET V6.2、STEP7 V5.4 和WinCC V6.0;控制級主機(jī)配置2塊PS 307 5A電源、2塊CPU315-2DP和2塊通信模塊CP 343-1;遠(yuǎn)程I/O站選用帶有源背板總線的ET200M，并配置4個接口模塊 IM153-2、4 塊 SM321 DI16、4 塊 SM322 DO16、8 塊SM331 AI8和4塊SM332 AO8。

3 系統(tǒng)組態(tài)及通信網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件選型，在SIMATIC MANAGER中對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。

控制級與ET200M站的組態(tài)過程具體如下：首先，創(chuàng)建名為“300-Redundancy”的項目，并插入2個S7-300站，即主站“Master”和備用站“Reserve”;分別對主站和備用站進(jìn)行硬件組態(tài)，雙擊打開HW Config對話框，添加相應(yīng)的機(jī)架、電源、CPU和通信模塊，并設(shè)定CPU上Profibus-DP主站的地址為3;添加CP1613并設(shè)定IP網(wǎng)絡(luò)地址和MAC地址;在“Master”站的Profibus DP下添加4 個ET200M 站(地址分別為4、5、6、7，其中4 和6，5和7互為冗余)，為各站配置相應(yīng)的I/O模塊，并在“Reserve”站中通過“Insert Redundant”將“Master”站的ET200M復(fù)制到“Reserve”站中。組態(tài)完后，編譯并下載相關(guān)文件到PLC中。

監(jiān)視級組態(tài)具體如下過程：在項目中插入名為“ES”的 PC 站，然后分別插入 Application、CP1613、OPC Server，設(shè)定以太網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù);在Configuration Console中對CP1613進(jìn)行組態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的槽號;進(jìn)入Station Configuration Editor對CP1613進(jìn)行編輯，并在相應(yīng)槽位上添加Application，至此組態(tài)完畢。

硬件組態(tài)完畢后，可通過點(diǎn)擊HW Config窗口中的“組態(tài)網(wǎng)絡(luò)”圖標(biāo)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面。在“NetPro”窗口中選中CPU 315-2DP所在的小方框，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單中選擇“插入新連接”，為CPU 315-2DP插入一個連接類型為“ISO-on-TCP”的連接伙伴“CPU 315-2DP”，從而建立PLC之間的以太網(wǎng)連接。用同樣的方法建立PLC與監(jiān)控級PC機(jī)的以太網(wǎng)連接。至此網(wǎng)絡(luò)組態(tài)完畢，保存并編譯后將其下載到PLC中。然后，打開 WinCC，建立連接，設(shè)置相應(yīng)的 Application name和Connection name，這樣就實(shí)現(xiàn)了PLC與上位機(jī)的通信。

4 結(jié)束語

本文通過對FCCU反應(yīng)再生過程設(shè)備特點(diǎn)及安全要求的研究，設(shè)計了一套可靠性高、安全性好、擴(kuò)展方便靈活的 ESD 系統(tǒng)[8－10]。

該系統(tǒng)可在緊急情況下對裝置實(shí)現(xiàn)連鎖保護(hù)，避免惡性事故發(fā)生和重大經(jīng)濟(jì)損失，對安全生產(chǎn)具有重要的意義。

[1]吳頤軒，趙巖.緊急停車系統(tǒng)在催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組中的應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005(5)：54 －57.

[2]劉英聚，張韓.催化裂化裝置操作指南[M].北京：中國石化出版社，2005.

[3]馬伯文.催化裂化裝置技術(shù)問答[M].北京：中國石化出版社，1993.

[4]中國石油化工集團(tuán)公司自動控制設(shè)計技術(shù)中心站.SHB-Z06-1999石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則[S].北京：中國石化集團(tuán)公司，1999.

[5]武英平，趙鳳軍.PLC在催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)自保中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2002，29(3)：59 －62.

[6]朱錦智.煉油催化裂化主風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)原理及技術(shù)[J].自動化儀表，2005，26(5)：39 －42.

[7]吳頤軒，趙巖.緊急停車系統(tǒng)在催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組中的應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005(5)：54 －57.

[8]高欽和.PLC應(yīng)用開發(fā)案例精選[M].北京：人民郵電出版社，2008：65 －68.

[9]鄭璇.催化裂化反應(yīng)故障診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.

[10]秦仲雄.石油化工裝置應(yīng)用ESD淺見[J].石油化工自動化，2002(6)：14－19.