烯烴轉換裝置聯鎖邏輯設計

于松濤，李德剛

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

烯烴轉換裝置OCU(olefin conversion unit)的監控點數量多、控制要求高，為了實現故障時能夠及時保護人員、設備和環境安全，針對OCU裝置中的工藝流程特點、控制要求和管理要求，設計了一系列的安全聯鎖邏輯，以提高該裝置的安全生產水平和自動化管理水平。

1 OCU裝置特點

1.1 工藝流程

某項目OCU裝置利用上游MTBE裝置的醚后碳四和乙烯裝置下游MTBE/丁烯-1的混合碳四作為產品原料，經丁烯-2與乙烯進行烯烴轉換反應后，生成聚合級丙烯產品，以及副產品異丁烷和碳四以上重組分。

該裝置包括： 碳四原料預處理、碳四選擇加氫、反應精餾、烯烴轉換及分離、再生氣系統等[1]5個單元，涉及靜設備62臺，動設備24臺，加熱爐2臺。

1.2 聯鎖要求

根據OCU裝置流程特點及影響的不同部位，緊急停車實施針對性的處理措施，即相關部位實施停車時，其他部位維持運行狀態或自回流、自循環狀態；一旦緊急狀態解除，可迅速恢復生產。在OCU裝置中，觸發聯鎖邏輯的信號分為3類：

1)全廠總停信號。該信號是1個快速隔離信號，主要用于裝置發生重大事故(如大型火災等)時，及時切斷進出裝置的物料，將裝置置于安全停車狀態。全廠總停信號主要包括： 全廠電源故障、儀表風壓力低低、乙烯裝置丙烯制冷機故障。

2)緊急停車信號。該信號是區域的或者單元的急停信號，是為了保護設備、機泵而采取的緊急措施。

3)工藝聯鎖信號。該信號是在生產過程中工藝參數達不到或者超出設定值時，為保護人員、設備和環境安全而采取的緊急措施，目的是為了避免產生嚴重后果。

2 聯鎖邏輯設計

2.1 碳四原料預處理單元

該單元的主要作用是脫除碳四原料中的雜質，主要設備有： 原料水洗塔、脫二甲醚塔、原料處理器及其輔助的緩沖罐、廢水閃蒸罐、冷凝器、回流罐等[2]。在該單元中，為防止烴類原料進入廢水系統，需要監控碳四原料水洗塔液位、碳四原料水洗塔塔頂緩沖罐液位。如果出現異常情況，需及時關斷廢水排出閥、廢水開關閥，并且關停水洗塔廢水泵。

2.2 碳四選擇加氫單元

該單元的主要作用是對原料中的丁二烯進行選擇加氫，從而生成中間產品正丁烯。在該單元中，主要有選擇加氫進料緩沖罐、選擇加氫反應器進料加熱器、2臺碳四選擇加氫反應器(一用一備)、選擇加氫反應器出料冷卻器。

由于加氫過程是放熱反應，在正常操作狀態下，催化劑床層會出現溫度升高的情況。為了避免操作溫度超過設計溫度造成催化劑和反應器破壞，在碳四選擇加氫反應器的5個催化劑床層分別設置了3個柔性測溫點，同時監控反應器出口碳四的溫度。當溫度高高時，關閉反應器進料管線切斷閥、流量控制閥，關閉氫氣進料切斷閥、流量控制閥；同時關閉低壓蒸汽管線切斷閥、流量控制閥。另外，如果在再生狀態下，當出口再生氣溫度高高或者反應器床層溫度高高時，還要關閉加熱爐空氣管線控制閥和切斷閥，同時激活加熱爐聯鎖邏輯。

2.3 反應精餾單元

經過加氫以后的物料進入反應精餾塔，從塔頂脫除異丁烷和異丁烯，而塔底合格的碳四去烯烴轉化進料處理器。該單元有脫異丁烷塔再沸器凝液罐、脫異丁烷塔再沸器、脫異丁烷塔、脫異丁烷塔釜出料冷卻器、脫異丁烷塔回流罐、脫異丁烷塔冷凝器、脫異丁烷塔頂不凝氣冷凝器。

脫異丁烷塔在操作狀態下，為了防止由于催化劑床層處反應不能控制，使該處的溫度超過設計溫度，導致設備和催化劑的破壞；當催化劑床層溫度高高時，關閉脫異丁烷塔氫氣進料切斷閥。另外，當脫異丁烷塔出口管線壓力高高時，需要阻止塔底再沸器的蒸汽供應，并關閉催化劑床層氫氣進料的切斷閥、流量控制閥，以及關閉塔釜再沸器蒸汽管線切斷閥和流量控制閥。

2.4 烯烴轉化及分離單元

經過混合后的碳四原料加壓后與乙烯原料混合，進入烯烴轉化進料處理器；物料經過烯烴轉化反應器后進入乙烯回收塔，在乙烯回收塔中分離出乙烯等輕組分，塔底的物料進入丙烯產品塔[3]。在丙烯產品塔中可以得到的產品有： 聚合級丙烯產品、循環碳四、碳四以上重組分等。該單元包括碳四緩沖罐、烯烴轉化進料混合器、2臺OCT反應器進料處理器、烯烴轉化反應器進出料換熱器、烯烴轉化反應器進料加熱爐、2臺烯烴轉化反應器(一用一備)、乙烯回收塔、丙烯塔等。

在該單元中，烯烴轉化反應器是核心設備，當加熱爐失控、加熱爐出口溫度高、反應器溫度高發生時，都會造成設備或催化劑的破壞，因此在每臺反應器的4個不同催化劑床層分別設置了3個溫度檢測點，當溫度高高時，關閉反應器進出口閥門，同時打開反應器緊急泄壓閥，給反應器降壓；同時切斷燃料氣供應，隔離并給加熱爐降壓，用氮氣吹掃加熱管。

2.5 再生氣系統單元

該裝置的處理器及反應器內的催化劑、吸附劑，使用一段時間后需要進行再生操作。該裝置中共有2套再生系統，分別用于處理器的再生操作和反應器的再生操作。處理器再生系統的設備主要有： 再生氣壓縮機、電加熱器、進出料換熱器、循環水冷卻器等；反應器再生系統設備主要為1臺再生氣加熱爐。

在該單元中需要保護加熱爐，當加熱爐出口管線工藝氣溫度高高、加熱爐入口流量低低、主燃燒器燃料氣壓力高高或低低時，都須關閉主燃料氣切斷閥、打開泄放閥，避免加熱爐超壓。

3 聯鎖邏輯實現

3.1 安全儀表系統要求

該裝置的安全儀表系統(SIS)采用TRICON的三重化冗余、容錯控制系統[4]，該系統輸入輸出模件采用了三重化(TMR)結構[5]，符合SIL3安全等級要求，同時帶光電或電磁隔離，帶故障診斷。SIS的安全聯鎖獨立于分散控制系統(DCS)設置。

SIS安全聯鎖系統分別設有工程師站和事件順序記錄(SER)站。工程師站主要用于SIS安全邏輯畫面的編輯、修改和組態，系統故障診斷、系統狀態監測；另外還可以實現離線或在線組態、設置參數、下裝以及系統維護。SER站用于記錄SIS檢測到的各類過程事件，過程事件可以從SIS中檢索出來，然后用于在線查看，或者直接打印成文件，或者存儲到硬盤中方便今后分析。在該系統中工程師站和SER站可互為備用。

SIS安全聯鎖系統中模擬量或數字量的輸入、輸出信號點數，是選擇SIS和I/O設備的主要依據。根據OCU裝置聯鎖邏輯的控制要求和功能，SIS安全聯鎖系統所需要的I/O點數見表1所列。

表1 SIS安全聯鎖系統I/O點數統計

在進行I/O點數配置時，考慮了15%～20%的余量，便于系統日后的修改或升級。SIS拓撲結構如圖1所示。

圖1 SIS拓撲結構示意

3.2 工藝操作旁路開關

根據工藝操作的要求，在輔助操作臺上設置了工藝操作旁路開關，采用硬接線方式接入SIS。在SIS操作員站和輔助操作臺上顯示、記錄旁路操作，提醒異常狀態。在旁路預訂時間到達時，發出報警提示。

3.3 儀表維護旁路開關

按聯鎖單元或聯鎖邏輯塊要求，對輸入條件設置了儀表維護旁路開關。儀表維護旁路開關采用軟旁路開關的方式，設置在SIS操作員站。通過SIS操作畫面將儀表維護旁路開關置位，并設置操作級別。當儀表維護開關旁路時，設置允許旁路時間；當允許旁路時間結束后進行報警提示。當儀表維護開關旁路未解除，則按照預設報警周期進行報警，直到旁路解除。

另外在輔助操作臺上設置“允許旁路”開關，并通過硬接線進SIS；在“允許旁路”開關有效的前提下，儀表維護旁路開關才能起作用。

3.4 輔助操作臺

在輔助操作臺上設置緊急停車按鈕和開關，采用硬線連接到安裝在中心控制室的SIS遠程I/O單元的DI卡上，通過冗余安全網絡通信至現場機柜室內的SIS控制器，進行邏輯運算。

1)緊急停車按鈕、選擇開關、復位開關、報警燈屏等，通過硬線連接到中心控制室SIS機柜。

2)緊急停車按鈕設置為雙位置型，標識為紅色并帶有操作保護。

3)停車復位按鈕采用非保持型，標識為綠色。

4)工藝操作旁路開關和“允許旁路”開關，設置為帶鎖式，標識為黃色。

5)信號報警燈屏帶第一信號記憶型，并設有確認、復位、屏蔽、測試按鈕。

3.5 聯鎖邏輯

在該裝置的聯鎖邏輯中，需要參與聯鎖的切斷閥、控制閥共161臺；參與聯鎖的泵、加熱器共24臺。設計的聯鎖邏輯數量共46個，其中整個裝置聯鎖邏輯有3個；碳四原料預處理單元聯鎖邏輯有8個；碳四選擇加氫單元聯鎖邏輯有4個；反應精餾單元聯鎖邏輯有6個；烯烴轉換及分離單元聯鎖邏輯有19個；再生氣系統單元聯鎖邏輯有6個。

4 結束語

本文通過對OCU裝置工藝流程的介紹，分析了每個單元的聯鎖要求，利用TRICON系統實現了SIS安全聯鎖邏輯設計。當出現緊急情況、工藝參數達到設定值、設備發生故障時，都可以觸發聯鎖動作，實現人身保護、環境保護、工廠和設備保護的功能。