間歇式加氫反應釜連鎖保護的軟件實現

朱玉奇

摘 要：論文詳細設計了間歇式加氫反應釜連鎖保護的軟件實現過程，包括工藝設計要求和控制方案。

關鍵詞：間歇式；加氫反應；連鎖保護

1 間歇式加氫反應釜的國內外研究與應用現狀及趨勢

加氫是在有機化合物分子中加入氫原子的反應，涉及加氫反應的工藝過程為加氫工藝。其主要危險有反應物料具有燃爆危險性；催化劑再生和活化過程中易引發爆炸；加氫反應鋼制設備易發生氫脆；加氫反應尾氣中有未完全反應的氫氣和其他雜質在排放時易引發著火或爆炸。

連鎖保護系統，也稱緊急停車系統，是對石油化工等生產裝置可能發生的危險或不采取措施將繼續惡化的狀態進行自動響應和干預，從而保障生產安全，避免造成重大人身傷害及重大財產損失的控制系統。

連鎖保護系統按照安全獨立原則要求，獨立于DCS集散控制系統，其安全級別高于DCS。在正常情況下，連鎖保護系統是處于靜態的，不需要人為干預。作為安全保護系統，凌駕于生產過程控制之上，實時在線監測裝置的安全性。只有當生產裝置出現緊急情況時，不需要經過DCS系統，而直接由連鎖保護系統發出保護連鎖信號，對現場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。

連鎖保護技術在國內外的加氫工藝過程中都有廣泛的應用。至今，國外用于加氫的工藝有：美國的Axens低溫氣液兩相加氫法，其中加氫裝置的DCS采用美國Honeywell公司的TPS系統，以及德國的Uhde低溫氣相加氫法和日本的感溫高壓氣相加氫Litol法。在國內，上海復旦大學設計研發的Axens加氫裝置，是國內第一套采用汽液兩相加氫工藝的苯加氫裝置，大幅度提高了過程控制系統的可靠性、安全性以及報警和連鎖控制能力。2009年，揚子乙烯化工廠為了減少丙烯的損失、保證裝置的安全穩定生產，在碳三加氫保護床裝置中的連鎖系統采用SIE-MENS-MOORE公司開發的QUADLOG系統。

在國內已有加氫反應釜的保護控制，如一種間歇式安全加氫裝置采用磁子攪拌和接線關剛性連接控制安全，還有一中全自動加氫反應釜采用控制器接受轉速信號，并根據接受的轉速信號，對變頻電機進行實時控制。而本項目研究的是連鎖保護控制方式。除此，國內已有加氫反應釜保護的硬件實現，通過合并管道減少焊接點實現安全保護。

2 間歇式加氫反應釜的加氫工藝設計要求

各類大型化工企業控制加氫反應——化工生產過程，都普遍采用連鎖保護控制系統。本項目則針對某企業間歇式加氫反應釜的加氫工藝。在加氫反應釜中通氫氣還原精制3，5-二氯硝基苯，該加氫反應為間歇式反應，影響加氫還原過程的主要因素為加氫釜反應的溫度與壓力。該間歇式加氫反應釜連鎖保護系統對溫度、壓力進行實時分析、記錄，當加氫釜的反應溫度超過140℃或低于80℃，或者壓力超過2MPa，系統發出聲光報警信號，氫氣緩沖罐出口的氣動閥進行連鎖控制，停止通氫，切斷反應。通過控制加氫釜的通氫量來控制整個加氫過程。以加氫釜的反應溫度和壓力為控制點，確立了這兩個連鎖觸發條件，根據這些條件的邏輯關系決定最后的連鎖保護措施。

本文所設計的生產過程控制系統，范圍包括氫氣壓縮站，氫化車間，環己甲酸后處理車間，采用DCS對生產過程進行監控。控制系統使用統一的控制機柜及操作站，編程站與各操作站相互采用TCP/IP以太網進行通訊，來實現對生產裝置的實時監控。

間歇式加氫反應是一個危險的化學反應過程，因此控制系統要設立獨立的可燃氣體探測，其包含區域有：氫化車間，氫壓站，氫氣罐區；三車間，后處理車間，原料罐區。該系統在DCS操作站內，在上位機系統進行顯示。

間歇式加氫反應的軟件實現過程，即為利用DCS技術完成系統的組態過程。工程包括：工程師培訓2人以上，操作員培訓，DCS系統安裝指導、編寫控制及聯鎖方案、調試、開車及運輸。本工程建設主要遵循國家標準和化工建設行業HG系列標準。儀表的設計、制造、檢驗將執行以下“規范”：

GB 50058-1992 爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范；

GB 50493-2009 石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范；

HG/T20505-2000 過程檢測和控制系統用文字代號和圖形符號；

HG/T20508-2000 控制室設計規定；

HG/T20509-2000 儀表供電設計規定；

HG/T20510-2000 儀表供氣設計規定。

3 間歇式加氫反應釜連鎖保護的軟件實現

間歇式加氫反應釜連鎖保護主要包含氫化釜安全連鎖控制、環已甲酸后處理控制、氫壓站控制。

氫化釜裝置包括氫化釜壓力、溫度高時報警，溫度過高時聯鎖：氫氣總管上的切斷閥（共二只）關閉（重新開啟需手動）。氫化釜釜內冷卻盤管進口安裝調節閥，根據設定溫度調節，超溫連鎖。氫化釜的攪拌電機運行狀態在DCS上顯示。

環已甲酸后處理控制氫化液和硫酸流量進行中和反應，控制混和反應器進口溫度，在線指示中和后PH值。

氫壓站控制系統，根據檢測氫氣高壓緩沖罐的壓力，變頻調節氫壓機的電機轉速，使高壓緩沖罐的壓力穩定在設定值。設置氫氣高壓緩沖罐超壓報警、超超壓停車。再根據測量氫氣低壓緩沖罐的壓力，設置低壓報警、超超低停車。控制過程中的溫度檢測采用隔爆Pt100鉑熱電阻，溫度信號通過隔爆Pt100鉑熱電阻送到DCS顯示、報警、保護輸出。

加氫釜溫度數字信號輸送至DCS系統，上位機根據DCS組態編程程序集散控制，同時在上位機設定溫度上限為140℃，下限為80℃，當溫度低于80℃或高于140℃時，發出聲光報警信號，并由系統控制通過連鎖給氣動閥動作信號，氣動閥切斷氫氣緩沖罐出口。

同時加氫釜的壓力通過壓力變送器輸出的模擬量信號（4-20mA）輸入至DCS系統，上位機根據DCS組態編程程序集散控制，同時上位機設定壓力上限為2.0MPa，當壓力大于2.0MPa時，發出聲光報警信號，并由系統控制通過連鎖給氣動閥動作信號，氣動閥切斷氫氣緩沖罐出口。

控制加氫過程，關鍵是控制加氫釜的通氫量。本次加氫屬于間歇式反應，影響加氫還原過程的主要因素為加氫釜反應溫度與加氫釜的壓力。根據其生產工藝特點，采用UW500系統，對加氫釜的反應溫度和壓力與氫氣緩沖罐出口的氣動閥進行連鎖控制。UW500系統網絡結構圖如下所示：

本論文的研究成果能夠在化工生產過程中，完成間歇式加氫反應釜溫度、壓力和氫氣緩沖罐出口的氣動閥的連鎖保護控制。通過控制通氫量，嚴格控制了加氫工藝過程。研究的連鎖保護邏輯設計方案以及軟件實現，同樣適合控制其他的化工生產過程的物料輸送量。其安全防爆生產具有良好的應用前景和潛在的應用價值。endprint