天然氣制氫裝置緊急停車聯鎖系統的設計

馮 宇

（中海油石化工程有限公司，青島 266101）

氫能是公認的清潔能源。氫氣是最理想的無污染燃料，也是重要的石油化工原料。在石油化工系統中，氫氣多用于合成氨、甲醇等合成氣工業以及石油煉制工業中的加氫裂化、加氫精制、汽油加氫、柴油加氫、渣油加氫和潤滑油加氫等。目前制取氫氣的方法主要有煤制氫、生物制氫、水分解法制氫、輕烴蒸汽轉化法制氫[1]。其中烴類水蒸氣轉化法由于工藝可靠，開車方便，原料、燃料物耗和能耗較低且性能指標優良，在國內制氫裝置應用最為廣泛[2]。文中結合在國內幾套制氫裝置的設計經驗，重點探討烴類水蒸氣轉化法。

緊急停車系統ESD（emergency shutdown device），也稱安全聯鎖系統[3]或安全儀表系統SIS（safety instrumented system）、安全停車系統SSD。SIS系統是一種應用于工業過程的安全保護系統，對工藝生產過程狀況進行自動監視，當生產過程出現意外波動或緊急情況下需要采取緊急停車時，SIS系統能夠精確檢測，并準確及時做出響應，啟動或關閉某些設備甚至停車，使裝置停在一定的安全水平上[4]，確保工藝設備、裝置及人身的安全。在此，根據制氫裝置的工藝流程及設備要求，進行了相應的緊急停車聯鎖系統的設計。

1 天然氣制氫裝置的工藝流程

天然氣制氫裝置工藝技術采用烴類水蒸氣轉化法造氣和變壓吸附氫提純PSA的工藝流程，該流程簡單、成熟、可靠，產品氫氣純度高。

在設計過程中，需要選擇合理的工藝參數，比如：采用較高的轉化出口溫度，增加轉化深度，提高單位原料的產氫率，從而降低原料和燃料消耗；選用較低的水碳比進一步降低轉化爐的燃料消耗；利用轉化爐煙道氣高溫位余熱預熱原料氣、發生中壓蒸汽；利用轉化氣高溫位余熱發生中壓蒸汽；利用中變氣高溫位預熱中壓鍋爐給水以降低鍋爐給水用量；利用煙道氣低溫位余熱預熱燃燒空氣，以降低轉化爐燃料用量等。優化換熱流程，合理利用余熱能位，提高有效能效率。

天然氣制氫裝置工藝流程主要包括：原料預加熱，原料脫硫，原料蒸汽轉化，CO的中溫變換和中變氣的PSA氫氣提純。

（1）進料系統

來自界區的天然氣進入原料氣罐，沖罐，經原料氣壓縮機升壓后進入原料預熱爐，預熱進入脫硫部分。

（2）脫硫部分

原料凈化主要是脫出原料氣的無機硫、氯，保證催化劑的正常運行。首先，原料氣進入變溫反應器，在其中有機硫加氫轉化為硫化氫，烯烴加氫飽和，該反應器反應放熱由殼程導熱油取走，使反應出口溫度升高。然后，經過絕熱加氫反應器，在該反應器中，反應不完全的烯烴進一步加氫飽和后進入脫硫反應器，在氧化鋅脫硫反應器中首先進入脫氯段脫除原料中的氯，最后進入氧化鋅脫硫段，在此氧化鋅與硫化氫發生脫硫反應。

（3）轉化部分

烴類的蒸汽轉化是以烴類為原料，在一定溫度和催化劑作用下，使烴類和水蒸氣經過一系列的分解、裂化、脫氫、結碳、消碳、氧化、變換、甲烷化等反應，最終轉化為 H2，CO，CO2和少量殘余的甲烷CH4，其中H2為該裝置的產物。精制后的原料氣與水蒸氣混合，再經轉化爐對流段預熱升溫，進入轉化爐輻射段。在催化劑的作用下，發生復雜的水蒸氣轉化反應，從而生產出 H2，CH4，CO，CO2和 H2O 的平衡混合物。以CH4為主的氣態烴，蒸汽轉化過程較為簡單，發生的反應主要有

烴類水蒸氣轉化反應是體積增大的強吸熱反應，低壓、高溫、高水碳比有利于上述反應的進行。反應過程所需熱量由轉化爐頂部的氣體燃料燒嘴提供，出轉化爐、高溫轉化氣經轉化氣蒸汽發生器換熱后，溫度降低，進入中溫變換部分。

（4）變換部分

由轉化部分過來的轉化氣進入中溫變換反應器，在催化劑的作用下發生變換反應：CO+H2O=CO2+H2，降低了變換氣中CO的含量，同時繼續生產H2，可以降低原料消耗和PSA進料系統的雜質。中變氣經過鍋爐給水換熱器、除鹽水預熱器進行熱交換回收部分余熱后，再經中變氣空冷器及水冷卻器冷卻，經分水后進入PSA部分。

（5）PSA 部分

來自變換部分的中變氣大部分為H2，另外還有CH4，CO和CO2等雜質氣體，其中CH4和CO都含有很高的熱量，而且CO和CO2是加氫裝置的毒物，PSA單元的作用就是將這些毒物去除。來自變換部分的中變氣自塔底進入吸附塔A～H中正處于吸附工況的塔，在其中多種吸附劑的依次選擇吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所有雜質，獲得純度大于（體積分數）99.9%的 H2產品[5]，而雜質氣體 CH4，CO和CO2則作為PSA尾氣送至轉化爐全部用作燃料。采用PSA技術，簡化了制氫流程，提高了氫氣純度，降低了裝置能耗。

2 安全聯鎖系統設計

2.1 安全聯鎖系統獨立設置

一般來講，在開、停工和生產過程中可能造成重大人身事故、重大設備事故和重大經濟損失的生產裝置，以及一旦發生事故會對環境有較大的影響和破壞的化工煉油裝置、大型機組，其聯鎖和停車系統應獨立于過程控制系統，以降低控制功能和安全功能同時失效的概率，使報警、聯鎖和停車系統不依附于過程控制系統，能獨立完成自動保護聯鎖的安全功能。

為確保安全聯鎖系統的可靠性，在硬件與軟件配置上采用相應的冗余結構，SIS系統的各部分盡量選用專用設備或儀表[6]。SIS系統要求獨立設置的部分有：檢測元件、執行元件、邏輯運算器、報警、聯鎖和停車系統與過程控制系統或其他設備的通訊；電源系統報警、聯鎖和停車系統應由滿足相應安全等級要求的電源供電。

2.2 安全完整性等級SIL

安全完整性等級 SIL（safety integrity level）[7]是指SIS系統發生故障時，對工藝在裝置生產操作人員和大型機組設備造成的損害程度所進行的定性分析。根據IEC 61508標準，將安全完整性等級定義為4級（SIL1—SIL4），安全等級與安全性呈正比關系，即安全等級越高，SIS系統的安全性越高。

IEC 61511作為IEC 61508在過程工業領域的分支標準，保持了SIL1—SIL4的4個等級劃分。除極罕見的特殊應用，在過程工業一般的應用場合，SIL3是其最高級。IEC 61508/IEC 61511依據不同的操作模式，采用不同的技術指標劃分SIL等級。

IEC 61511將安全儀表功能的操作模式分為要求操作模式 （即低要求操作模式）、連續操作模式（即高要求操作模式）。SIL對要求操作模式下的失效概率要求見表1。

表1 要求操作模式Tab.1 Demand operation mode

由表可知，SIL的每個等級對應著安全儀表功能 SIF（safety instrumented function）1 個數量級的平均失效概率Pavg；IEC 61511將SIS定義為用于執行一個或多個安全儀表功能SIF的儀表系統；目標風險降低數值也稱為風險降低因數Fr。Pavg與Fr互為倒數，即Pavg=1/Fr。其物理含義是，每提升1個SIL等級就意味著SIF的平均失效概率降低1個數量級，也意味著將危險事件發生的可能性降低為原來的1/10[8]。

SIL對連續操作模式下SIF的危險失效概率Fd要求見表2。SIF的高要求連續操作模式是指，當SIF出現危險失效時，潛在的危險將會立即發生，除非存在其他防止措施。連續模式涵蓋執行連續安全控制，以保持功能安全的安全儀表功能。

表2 連續操作模式Tab.2 Continuous operation mode

石油化工工廠或裝置的完全完整性等級最高為SIL3。SIL等級越高，安全儀表功能失效的概率越低。安全儀表系統的低要求操作模式是指安全儀表系統動作頻率不大于每年1次。通常石油化工工程和裝置的安全儀表系統工作于低要求操作模式[9]。

安全完整性等級的數量劃分，為工程設計和SIS設備選型提供了基準。

2.3 SIS系統的硬件方案

天然氣制氫裝置所設計的安全聯鎖系統，采用了三重化冗余[10]的控制系統平臺，最高可達到SIL3的安全等級。三重化冗余是一種具有高容錯能力的可編輯控制器和過程控制技術，系統應具有完備的冗余和容錯技術，可以在線識別瞬態和穩態故障并進行適當修正。三重化冗余有3個安全相同的系統通道組成，每個系統通道進行獨立的程序控制，并與其他2個通道并行工作，對所有來自現場的輸入和輸出信號進行表決和診斷。

三重化冗余包括設備冗余和工作性能冗余。要求各級網絡通訊設備、部件和總線必須三重冗余?？刂普咎幚砥鞯裙δ芸ū仨毴厝哂唷Ｋ须娫丛O備和部件必須三重冗余。對要求冗余配置的I/O卡件必須三重冗余。

2.4 天然氣制氫裝置的聯鎖系統

為了確保裝置平穩可靠運行，設置了一套天然氣制氫裝置的聯鎖系統，由SIS系統實現。天然氣制氫裝置聯鎖停車條件見表3。

當出現表3所示任何1個條件時，聯鎖系統將自動啟動，轉化爐停爐。停爐動作包括：切斷轉化爐主、副燃料氣以及脫硫后原料氣，延時10 min后轉化爐鼓風機和引風機停機；延時15 min后切斷進爐中壓蒸汽；中控室輔操臺設置的緊急停車按鈕[11]。

在工藝裝置重要參數監測控制中，防止現場儀表出現故障或者長期使用出現精度錯誤，而采用了冗余措施，通常采用三取二聯鎖，只有2個及其以上儀表的監測參數同時出現超標，聯鎖裝置才動作，以保證設備裝置平穩運行，防止誤報出現停車事故。

該裝置的聯鎖邏輯圖如圖1所示。圖中122為制氫裝置單元號。

表3 聯鎖系統停車條件Tab.3 Interlocking system shutdown conditions

2.5 原料氣壓縮機聯鎖停車系統設計

壓縮機主電機定子溫度超過140℃（三取二聯鎖），壓縮機供油主管道壓力低低（三取二聯鎖）造成原料氣壓縮機故障；采用緊急停車聯鎖系統使原料氣壓縮機主電機停止運轉；中控室輔操臺設置的緊急停車按鈕。當這3個觸發條件中啟動任何1個條件時，均可以聯鎖停原料氣壓縮機，以保障壓縮機設備和操作人員的安全。

原料氣壓縮機聯鎖邏輯圖如圖2所示。

2.6 PSA聯鎖停車系統設計

當PSA系統異常狀況，第3分水罐液位高高（三取二聯鎖）；第3分水罐出口中變氣溫度高高（三取二聯鎖）；在中控室設置的PSA緊急聯鎖停車按鈕。這3個條件為PSA聯鎖停機條件，當任何1個條件啟動時，均切斷中變氣去PSA切斷閥，以保障PSA設備和操作人員的安全。

PSA聯鎖邏輯圖如圖3所示。

圖1 制氫裝置聯鎖邏輯圖Fig.1 Hydrogen production plant interlock logic diagram

3 結語

根據天然氣制氫裝置的工藝流程，以及SIS系統的設計原則，針對制氫裝置中的重要工藝設備，設計了一系列緊急停車系統的聯鎖邏輯。在該設計中，將若干個對工藝設備正常運行產生影響的過程變量設置為聯鎖條件。當聯鎖條件觸發時，相應的設備將聯鎖動作，裝置緊急停車。這樣能盡量避免生產事故，并保障了生產設備和操作人員的安全，保證天然氣制氫裝置安全、平穩的運行。

圖2 原料氣壓縮機聯鎖邏輯圖Fig.2 Feed gas compressor interlock logic diagram

圖3 PSA聯鎖邏輯圖Fig.3 PSA interlock logic diagram

參考文獻：

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