全密度聚乙烯裝置控制系統的設計

摘要：簡單介紹了全密度聚乙烯裝置(Unipol工藝)的工藝流程，針對聚乙烯裝置主要環節對控制的要求，闡述了裝置控制系統的選型及基本配置方案。

關鍵詞：全密度聚乙烯裝置；控制系統；設計

引言

大慶石化公司120萬噸/年乙烯工程全密度聚乙烯裝置(II)2010年10月完成詳細工程設計，于2012年8月一次開車成功。該裝置工藝流程較短，聚合反應本身是壓力自限性的，沒有超壓危險，但是各單元聯系緊密，對控制系統的穩定性、可靠性、自動化程度要求較高。本文將根據裝置各環節要求、特點等介紹控制系統的選型設計。

1 工藝介紹

全密度聚乙烯裝置采用Unipol低壓氣相流化床聚合工藝技術[1]，主要以乙烯為原料，丁烯－1或己烯－1為共聚單體，氫氣為分子量調節劑，生產線性低密度聚乙烯和部分中、高密度聚乙烯顆粒樹脂，產品密度范圍0.915－0.965g/cm3。該聚合工藝采用異戊烷作為誘導冷凝劑，在冷凝模式下進行操作，即聚合反應過程中保持循環氣中凝液含量為10%wt左右，以提高反應效率。

全密度裝置分為原料精制系統、聚合反應系統、回收系統、造粒系統、風送系統、包裝系統。

（1）原料精制系統

原料精制主要是對乙烯、共聚單體（丁烯和己烯）、氮氣等介質中的一氧化碳、氧氣、二氧化碳、水和其它極性組分進行處理，原料中雜質濃度較高會影響整個工藝流程及最終產品質量。共聚單體（丁烯和己烯）共用一套精制系統。來自界區的共聚單體進入脫氣塔脫去輕組分，然后通過冷卻器冷卻，再由共聚單體進料泵升壓后通過一個干燥器除掉水分和其它極性組分后進入反應系統。來自界區氮氣經催化劑床除去氧氣并通過干燥器除去水分，再采用氮氣壓縮機將氮氣增壓成高壓氮氣，最后經過濾器去除微粒雜質送至反應系統。來自界區的乙烯經乙烯換熱器換熱，再經預熱器加熱后進入脫氧床脫氧，然后進入一氧化碳脫除床去除一氧化碳，從一氧化碳脫除床出來的乙烯經乙烯換熱器冷卻進入干燥器除掉水分和極性雜質，最后進入催化劑床脫除CO2，送至反應系統。脫氧/脫氣(CO，CO2)采用催化劑進行氧化反應或合成反應是化學吸收，脫水采用分子篩是物理性吸附，各精制床均需要周期性的再生。

（2）聚合反應系統

該系統由反應器\\循環氣冷卻器\\循環氣壓縮機組成。反應原料及催化劑經精制系統連續送至流化床反應器中，進行聚合反應生成聚乙烯樹脂，粒狀產品經排料系統間斷地排出。氣相物料通過離心式循環氣壓縮機和水冷式循環氣冷卻器連續地循環。循環氣使流化床得到了良好的返混，并將反應原料帶至反應區，同時將放熱反應生成的熱帶走。反應器有兩個排料系統，正常情況下交替操作，但也可單獨操作。每個系統由一個產品出料罐和一個產品排出罐組成。當反應器床層達到一個預定的料位時排料系統（PDS）自動啟動。粉料產品連續地從產品出料罐中落到產品排出罐中，再由此直接送至脫氣系統的產品脫氣倉。反應系統設置殺死系統，向反應器內注入一種可逆催化劑毒物可使聚合反應部分或全部地停止。將毒物從床層中清除至火炬可使催化劑復活，反應可迅速重新啟動。

（3）回收系統

粉末狀樹脂從反應系統傳送至一個立式樹脂脫氣倉。粉末狀樹脂經脫氣倉旋轉加料器進入造粒系統。排放氣從脫氣倉出來經過一個保護過濾器，再通過低壓冷卻器。所有冷凝的液體收集在低壓集液罐中，殘留的排放氣進入排放氣壓縮機。氣體從壓縮機出口經過水冷高壓冷卻器和乙二醇高壓冷凝器。高壓冷凝液收集在高壓集液罐內。冷凝的烴類由集液罐送回反應器。

（4）造粒系統、風送系統、包裝系統

樹脂粉料（來自脫氣倉）和添加劑（添加劑系統配置）在連續運行的混煉機中被融化并且混合在一起，熔融的樹脂經熔融泵進入水下造粒機，生成聚乙烯顆粒。空氣壓縮機通過壓縮空氣至輸送管線把聚乙烯顆粒從造粒區輸送到包裝料倉區。包裝系統將來自包裝料倉的聚乙烯顆粒打包成袋，最終外銷。

2 自動控制系統總體描述

全密度聚乙烯裝置整個工藝緊湊，反應單元聚合反應劇烈，精制單元、回收單元與反應單元緊密關聯為一體，然造粒、添加劑、風送及包裝又相對獨立。因此控制系統設計采用分散控制系統（DCS）、安全儀表系統（SIS）和可編程控制器（PLC）相結合的原則。

裝置分散控制系統（DCS），用以監視、控制裝置和部分公用工程的生產過程。實現對介質溫度、壓力、流量、液（料）位和物料組分等工藝變量的常規閉環控制、分程控制、串級控制。DCS預留與全廠信息管理系統的RS485通訊接口，以滿足工廠信息化管理的需要。

裝置的安全跳車邏輯、HAZOP分析報告有SIL要求的回路由安全儀表系統SIS執行，報警信息、監視變量通訊至DCS。SIS與DCS冗余通訊采用MODBUS RTU協議，接口為RS485。當信號需同時進入DCS和SIS，而又不宜采用獨立傳感器時，采用安全柵或信號分配器一分為二，分別進入DCS和SIS系統。

反應器產品排料系統（PDS）是典型的順序控制工藝因此采用獨立的PLC系統完成。反應器的物料和床重、產品吹出罐的壓力以及產品下料罐的壓力等信息通過MODBUS RS485冗余通訊至DCS，顯示于操作站DCS畫面。

造粒系統、添加劑系統、風送系統、包裝系統均為相對獨立的環節，而各系統本身或者是I/O點較少，或者是以順序控制為主，因此從系統性能、投資、施工及維護角度等考慮通常要求自帶PLC控制系統。同時為方便工藝生產操作，各系統物料關鍵參數將通訊至DCS系統，顯示于操作站DCS畫面。冗余通訊采用MODBUS RTU協議，接口為RS485。

控制室設置了Bently3500機組保護系統和Compressor Controls Company(Guardian System)超速保護系統用于保護循環氣壓縮機。

同時，設有輔助操作臺，緊急狀況時，可以通過急停按鈕手動停車。

另外設有一套先進控制系統（APC+），內置專利商的完整的計算軟件，該系統依據實時的反應數據分析建模，控制和指導反應器的進料比例控制。

所有這些控制系統均通過通訊的方式和DCS系統相連接，構成一套完整的控制系統。

2.1 DCS系統配置設計

DCS為橫河CENTUM-CS3000系統，為大規模集散型控制系統 ，具有開放的網絡結構，分布式系統構架，便于系統維護和危險分散。現場控制站采用4CPU冗余容錯技術，實現了在任何故障及隨機錯誤產生的情況下進行糾錯與連續不間斷控制。

系統配置主要從冗余、負荷、備用三方面考慮，即所有與控制相關的部件（即控制用I/O卡件、控制器、電源、通訊接口及總線）都按1：1冗余配置；控制站的CPU負荷不超過50%，操作站、工程師站在正常操作工況下的CPU負荷不高于支持能力的20%，工業以太網的負荷不高于支持能力的10%，專用通訊系統的負荷不高于支持能力的50%，電源系統中單電源帶載能力不低于計算負荷的120%，控制器下掛的I/O卡件不超過其硬件支持能力的70%；I/O點的備用量不小于15%，機柜的備用空間不小于15%。

控制系統I/O點和控制器分配按照裝置單元和信號類型相結合的原則執行。本安信號通過底板式安全柵與控制系統I/O卡件隔離，模擬量非本安信號通過端子板與系統控制I/O卡件相連，數字量非本安信號通過繼電器端子板與控制系統I/O卡件隔離，安全柵底板、端子板與控制I/O采用專用同軸電纜連接。最終裝置配置3組控制器及配套I/O卡及卡籠，即原料精制單元、反應單元和回收單元及公用工程部分，各采用一套控制器分別安裝在3個控制柜中。根據各單元I/O特性分別為每套控制器(控制柜)配置輔助機柜（安全柵柜、端子板柜、繼電器板柜），控制柜和輔助機柜是一對多的關系。

系統冗余（包括電源、控制器、I/O卡件等）能夠減少系統故障造成的裝置停車，CPU負荷限制保證系統響應及時，避免“死機”；I/O的備用和機柜的備用空間為了滿足將來用戶擴容改建的需要。控制器在硬件上的垂直設計保證了施工配線、調試及系統維護方便。對于循環氣壓縮機允許、迷你殺死信號通過硬線送至SIS系統。

2.2 SIS系統配置設計

裝置SIS系統采用TS3000[2]綜合控制系統，為三重冗余化的，滿足SIL3要求。主要用于反應系統的殺死邏輯，以及特殊的HAZOP報告中有SIL要求的聯鎖回路。SIS系統整個裝置的控制點大概400點，且以反應單元居多，從投資角度考慮沒有依照單元分配控制器，但考慮供電、CPU、I/O卡和通訊冗余，其它的配置原則如CPU負荷、備用、接線以及要求采用底板安全柵和繼電器板等同DCS類似。

對于三取二的邏輯信號分別引入不同的三個卡件。對于壓縮機的故障、循環氣壓縮機的急停通過硬接線送至其它系統。

2.3 Bently 3500系統配置

聚乙烯裝置循環氣壓縮機機組保護采用Bently 3500監測系統[3]。該系統能夠通過多種傳感器采集數據，提供連續在線監測功能，適用于機械保護應用。該系統主要通過對壓縮機的溫度、振動/位移、鍵相監控并輸出聯鎖信號至SIS系統，最終形成信號C或D用于殺死系統的2型或3型殺死以及壓縮機的跳車。該系統通常為壓縮機廠方提供，現場傳感器為Bently 3300系列，監控系統為Bently 3500模塊安裝于19機架。機架最左端是2個電源專用模塊和接口模塊位置，剩余14個卡槽安裝溫度、振動、鍵相位、繼電器和通訊模塊， 配線在機架后面完成。

2.4 超速保護系統配置

全密度聚乙烯裝置循環氣壓縮機用透平超速保護系統，工藝包專利商推薦了Compressor Controls Company(Guardian System)，Woodward (Pro Tec)， 和Bentley Nevada三家[1]，本裝置采用Compressor Controls Company Guardian System，該系統通過監測現場三路獨立的磁阻傳感器（MPU）的信號，為透平提供三選二超速保。當監測到透平轉速超過壓縮機電機最大連續轉速10%時，“CCC Guardian System“將輸出2組超速聯鎖（trip）信號分別送至SIS和現場。聯鎖（trip）信號進入SIS用于停止反應器3型殺死。聯鎖（trip）信號送至現場用于關閉現場超速跳閥（overspeed trip valve）。循環氣壓縮機共有5支磁阻傳感器（MPU），3支信號進入“CCC Guardian Syste“用于超速聯鎖保護，1支進入DCS用于控制室監視透平轉速，1支進入現場轉速儀為現場巡檢方便。

2.5 PLC的配置

全密度聚乙烯裝置中PDS系統（產品排料系統）包含依據排料過程的壓力、PDS閥位狀態、和PDS循環時間開關的20臺自動控制閥。交互排料模式下循環周期小于180S。通常情況下，兩條排料線交替排料。若其中一條故障，可以切換到單線排料模式。排料過程中各個閥門順序開關，邏輯以順序控制為主，掃描/反應時間較短，且控制規模（I/O點）較小，采用PLC實現。

系統配置考慮到工藝特殊操作，PLC系統采用了西門子S7-400系統，CPU、電源、通訊等做冗余配置，同時設置3個獨立卡籠，分別用于排料1線信號I/O卡件、排料1線信號I/O卡件、2條線公用部分信號I/O卡件。

造粒系統、添加劑系統、風送系統、包裝系統由成套機組供貨商成套控制系統（PLC）實現，基本配置要求與DCS類似，因此不再詳述。

2.6 APC+的配置

專利商提供了一套完整的先進控制軟件（APC+），循環氣在線組分分析結果用于該軟件包中，通過優化計算后用于控制和指導反應器的進料比例控制。同時給出了對服務器/計算機的硬件配置需求，主要是瞬間處理數據的能力，APC的組態和調試由專利商負責。

本裝置自動化程度高，控制系統先進，DCS系統、安全儀表系統包括可燃氣體和有毒氣體報警系統、PLC以及APC等共同構成了一套完整的控制系統，為工藝生產、日常維護、設備和人員的安全提供了較好的保障。系統配線設計采取現場儀表電纜直接進入輔助機柜端子板/底板式安全柵通過專用電纜連接到控制柜I/O的方式和PDS系統PLC I/O分配采取根據工藝操作分配卡籠的方式是裝置控制系統設計的2個特點，有利于故障排查、減少單點故障引起的裝置停車。

參考文獻

[1]UNIVATION TECHNOLOGIES. PROCESS DESIGN PACKAGE FOR LOW PRESSURE POLYETHYLENE. UNIVATION TECHNOLOGIES，2008.

[2]Tricon，北京康吉森自動化設備技術有限公司[G].Tricon 設計安裝手冊，2000.

[3]GE能源集團.Bently Nevada 3500系列機械保護系統[G].GE能源集團，2002.

作者簡介：姬景豐（1984-），男，河北省晉州市，2007年畢業于中國石油大學（華東）自動化專業，工作于中國昆侖工程公司大慶石化分公司，從事自控儀表設計。