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        緊急停車系統(tǒng)在FCCU反應再生過程中的應用

        2011-09-19 13:24:14
        自動化儀表 2011年8期
        關(guān)鍵詞:自保組態(tài)進料

        李 鳴 梁 英

        (南昌大學環(huán)境與化學工程學院,江西 南昌 330031)

        0 引言

        催化裂化裝置(fluid catalytic cracking unit,F(xiàn)CCU)反應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)濟損失,對FCCU反應再生過程采用高可靠性的緊急停車(emergency shutdown,ESD)系統(tǒng)來進行連鎖保護控制是很有必要的[1]。

        本文在深入了解FCCU反應再生過程工藝及設備特點的基礎上,設計了一套基于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反應再生過程工藝簡介

        FCCU一般由反應再生、主風機、分餾、壓縮機、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 連鎖邏輯的設計

        根據(jù)FCCU反應再生系統(tǒng)的進料流量低限、反應溫度低限、兩器差壓超限、主風流量低限和增壓風流量低限,設計了反應器進料自保、兩器自保、主風低流量自保、主風機組自保和增壓風低流量自保這5項ESD系統(tǒng)自保項目。

        1.2.1 進料自保連鎖邏輯

        當反應進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,選用進料流量低限或反應溫度低限作為連鎖條件。當反應器-再生器差壓、主風流量、主風機組、增壓風流量均正常,而反應器進料流量或反應溫度達到低限時,啟用進料自保系統(tǒng)。進料自保連鎖邏輯如圖2所示。

        圖2 進料自保連鎖邏輯圖Fig.2 Interlock logic of feeding protection system

        事故排除后,須對反應進料自保進行復位,但須在兩器自保、主風低流量自保和主風機組自保均已復位的前提下進行。

        1.2.2 兩器自保連鎖邏輯

        在催化裂化裝置FCCU反應再生過程中,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,同時帶動進料自保啟動。同樣,事故排除后,須對兩器自保進行復位。當兩器差壓正常后,進料自保進行復位。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 主風低流量自保連鎖邏輯

        當主風流量下降至低限時,啟用主風低流量自保。同時,帶動進料自保、兩器自保、增壓風自保和主風機組自保啟動。催化裂化主風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。主風低流量自保連鎖邏輯如圖4所示。

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

        1.2.4 主風機組自保連鎖邏輯

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

        ①機組啟動邏輯,主風機組緊急停車后需延遲15 min,待“預啟動檢查可進行”指示燈亮后再啟動。啟動前還應對機組進行盤車[6],只有當盤車運轉(zhuǎn)停止時,才能進行機組的再次啟動。機組的啟動條件可通過操作面板上的“預啟動檢查按鈕”來進行操作,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、主風機出口止回閥和單向閥均關(guān)閉、煙機入口蝶閥和閘閥均關(guān)閉以及盤車運轉(zhuǎn)停止等條件。當以上條件均滿足時,系統(tǒng)處于“啟動待命”狀態(tài)[2-5]。

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

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

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

        事故排除后,機組自保復位。機組恢復正常后,進料自保、兩器自保、主風機低流量自保和增壓風自保按規(guī)程復位。

        1.2.5 增壓風自保連鎖邏輯

        當增壓風流量下降至低限或增壓機故障時,啟用增壓機自保,關(guān)閉增壓風阻尼單向閥,迅速打開事故蒸汽閥,以保證在增壓風中斷后能維持待生催化劑線路中的壓力平衡,防止反應再生系統(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點數(shù)和用戶存儲器容量。

        FCCU反應再生過程中,ESD系統(tǒng)的控制點規(guī)模如下:DI 50點、DO 50點、AI 54點、AO 26點。為便于系統(tǒng)的升級,I/O點數(shù)可取10% ~15%的裕量[6],本系統(tǒng)取10%。因此,實際配置 DI 55點、DO 55點、AI 60點、AO 29點。根據(jù)經(jīng)驗,每個I/O點及有關(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)字量輸入點總數(shù);DO為數(shù)字量輸入點總數(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點規(guī)??傻么鎯ζ魅萘繛?.4 kB,按30%的裕量[6],本系統(tǒng)所選 PLC 機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來進行ESD的設計。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點數(shù)及模塊種類和數(shù)量,具有配置靈活、擴展方便和硬件可靠性高等優(yōu)點。

        FCCU反應再生過程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)場采集實時信號,通過Profibus總線上傳到控制級PLC中??刂萍壷校鱾銫PU具有相同的用戶程序,它們同時參與控制運算和數(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)行機構(gòu),指揮系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作;當主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,選用的標準工具軟件有 SIMATIC NET V6.2、STEP7 V5.4 和WinCC V6.0;控制級主機配置2塊PS 307 5A電源、2塊CPU315-2DP和2塊通信模塊CP 343-1;遠程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

        根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件選型,在SIMATIC MANAGER中對系統(tǒng)進行組態(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行硬件組態(tài),雙擊打開HW Config對話框,添加相應的機架、電源、CPU和通信模塊,并設定CPU上Profibus-DP主站的地址為3;添加CP1613并設定IP網(wǎng)絡地址和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),為各站配置相應的I/O模塊,并在“Reserve”站中通過“Insert Redundant”將“Master”站的ET200M復制到“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,設定以太網(wǎng)卡的網(wǎng)絡配置參數(shù);在Configuration Console中對CP1613進行組態(tài),并設置相應的槽號;進入Station Configuration Editor對CP1613進行編輯,并在相應槽位上添加Application,至此組態(tài)完畢。

        硬件組態(tài)完畢后,可通過點擊HW Config窗口中的“組態(tài)網(wǎng)絡”圖標進入網(wǎng)絡組態(tài)界面。在“NetPro”窗口中選中CPU 315-2DP所在的小方框,點擊鼠標右鍵,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機的以太網(wǎng)連接。至此網(wǎng)絡組態(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,設置相應的 Application name和Connection name,這樣就實現(xiàn)了PLC與上位機的通信。

        4 結(jié)束語

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

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

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