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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