黃麗梅

(中建安裝石化工程設(shè)計院，江蘇 南京 210023)

0 引言

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(safety interlock system，SIS)也稱緊急停車系統(tǒng)(emergency shutdown device，ESD)［1］，它是為生產(chǎn)過程的安全而設(shè)置的，適用于高溫、高壓、易燃、易爆等連續(xù)性生產(chǎn)作業(yè)領(lǐng)域。SIS的作用是對生產(chǎn)過程狀況進(jìn)行自動監(jiān)視，當(dāng)某些工藝參數(shù)達(dá)到或超過一定數(shù)值，或者生產(chǎn)運行狀態(tài)發(fā)生異常變化時，按照預(yù)先設(shè)計的聯(lián)鎖關(guān)系自動地采取安全措施，啟動或關(guān)閉某些設(shè)備甚至停車，從而使裝置停在一定的安全水平上，大大降低了操作人員所面臨的危險性。根據(jù)正丁烷裝置的工藝設(shè)備和控制過程的特點，研究和設(shè)計了一系列緊急停車聯(lián)鎖邏輯，提出了改進(jìn)優(yōu)化方案，以進(jìn)一步提高石油、化工、冶金等企業(yè)安全生產(chǎn)水平和自動化生產(chǎn)管理水平。

1 正丁烷裝置的聯(lián)鎖系統(tǒng)

確保裝置和設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)及故障安全聯(lián)鎖，是進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯設(shè)計的主要目的。當(dāng)工藝生產(chǎn)過程一旦出現(xiàn)異常情況，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)按照已定的聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行控制，使相關(guān)設(shè)備聯(lián)鎖動作，裝置安全停車或緊急停車，以盡可能減少對生產(chǎn)過程的不利影響［2-3］。因此，安全聯(lián)鎖邏輯(如信號報警聯(lián)鎖點的設(shè)置、邏輯運算關(guān)系、狀態(tài)變量動作的設(shè)定值等)的合理設(shè)計是非常必要的。

正丁烷裝置的工藝流程設(shè)計主要分為氣體分離單元、加氫反應(yīng)單元、公用工程單元三個單元，而在加氫反應(yīng)單元中，還包括了循環(huán)氫氣壓縮機部分和新氫氣壓縮機部分。其中，加氫反應(yīng)工段的工藝過程比較復(fù)雜，相互制約和影響的因素較多，而且加氫反應(yīng)是在高溫、高壓、臨界條件下進(jìn)行的，所以維持反應(yīng)器床層的溫度和壓力在要求范圍內(nèi)，是裝置安全生產(chǎn)的必要條件。壓縮機機組和電加熱爐的正常運行和自動保護是保證裝置安全運行的關(guān)鍵，因此必須設(shè)計一套安全可靠的自動控制及自動聯(lián)鎖系統(tǒng)并加以嚴(yán)格管理，以確保裝置生產(chǎn)人員和工藝設(shè)備的安全［4］。

2 安全系統(tǒng)的常用指標(biāo)

①系統(tǒng)故障率

根據(jù)可靠性工程理論可知，系統(tǒng)故障概率是具有一定規(guī)律分布的隨機事件［2］。一般情況下，儀表系統(tǒng)故障率的計算公式可表示為:

式中:λ為儀表系統(tǒng)故障率;C為在Δt時間范圍內(nèi)發(fā)生故障的元件數(shù);N為整個系統(tǒng)使用的元件數(shù);Δt為考慮的時間范圍。

②平均無故障時間(mean time between failures，MTBF)

平均無故障時間MTBF是系統(tǒng)故障率的倒數(shù)，可用式(2)表示:

③ 平均故障修復(fù)時間(mean time to repair，MTTR)

MTTR是指系統(tǒng)或裝置在發(fā)生故障后，從維修到修復(fù)完善且投入正常使用后所需要的平均時間，它是一個統(tǒng)計值且遠(yuǎn)小于MTBF，可由下式表示:

式中:Δti為每次維修所花費的時間。

④可用度(A)

可用度(A)是表征系統(tǒng)可靠性的一個指標(biāo)，是一個概率值，是指系統(tǒng)在任何情況下都可使用的工作期，一般用百分?jǐn)?shù)計算，常用式(4)來表示:

由式(4)可知，若提高系統(tǒng)的 MTBF或者降低MTTR，能夠有效地增強系統(tǒng)的可靠性。

⑤表決(voting)

表決的基本原理是對系統(tǒng)中每個支路的數(shù)據(jù)通過多個原則進(jìn)行比較與修正，常用的表決器有:1取1表決(1oo1)、1取1帶診斷(1oo1D)、2取1表決(1oo2)、2 取1帶診斷(1oo2D)、3取2表決(2oo3)［5］、4取2帶診斷(2oo4D)。

⑥ 安全完整性等級(safety integrity level，SIL)

安全完整性等級［6］是指ESD系統(tǒng)發(fā)生故障時，對操作人員和生產(chǎn)設(shè)備造成的損害程度所進(jìn)行的定性分析。根據(jù)IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，可以將安全完整性等級定義為4級(SIL1～SIL4)，且安全等級與安全性呈正比關(guān)系，即安全等級越高，ESD系統(tǒng)的安全性越高。

3 SIS系統(tǒng)的硬件方案

本裝置所設(shè)計的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用了 GE Intelligent Platforms三重化冗余［7］的控制系統(tǒng)平臺，最高可達(dá)到SIL3/AK6的安全等級。

SIS系統(tǒng)的硬件配置如圖1所示。系統(tǒng)配置了工程師站、操作員站;三重化冗余表決控制器;三重化表決AI/DI模塊組，I型的DO輸出;冗余光纖，三重化冗余的Genius I/O通信網(wǎng)絡(luò)。其中，工程師站擁有最高的操作權(quán)限，它除具有操作員站的全部功能，還具有軟件編程組態(tài)、邏輯修改、監(jiān)控界面組態(tài)和事件順序記錄功能(sequence of event，SOE);而操作員站僅允許操作人員進(jìn)行流程顯示、報警顯示以及一般操作等，用于存放過程歷史數(shù)據(jù)。事件順序記錄站(SOE)與工程師站共用，并通過冗余光纖與各控制器進(jìn)行通信，用于在線記錄系統(tǒng)的各類報警及動作事件。

圖1 SIS系統(tǒng)的硬件配置Fig.1 Hardware configuration of SIS

Genius通信網(wǎng)絡(luò)是基于GE智能化平臺開發(fā)的并應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一種工業(yè)現(xiàn)場總線。Genius總線是一條對等的令牌網(wǎng)絡(luò)，一條網(wǎng)絡(luò)最多可以有32個站點。該網(wǎng)絡(luò)具有很高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率和良好的實時性。Genius通信網(wǎng)絡(luò)采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)(frequency shift keying，F(xiàn)SK)，可以有效防止工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾。

在SIS系統(tǒng)中，三重化冗余Genius通信網(wǎng)絡(luò)是三重冗余表決控制器與各個I/O輸入、輸出表決模塊組的通信紐帶，在系統(tǒng)運行過程中負(fù)責(zé)冗余表決控制器以及I/O站之間的數(shù)據(jù)同步和交換。而各自獨立的控制器從每條Genius總線上接收這些輸入信號并對信號進(jìn)行表決，然后根據(jù)表決結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)用程序。

系統(tǒng)中模擬量或數(shù)字量的輸入、輸出信號的點數(shù)是選擇SIS系統(tǒng)和I/O設(shè)備的主要依據(jù)。依據(jù)正丁烷裝置聯(lián)鎖邏輯的控制需求和功能，系統(tǒng)所需的I/O點數(shù)如表1所列。

表1 I/O點數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Statistics of the I/O points

一般情況下，在進(jìn)行系統(tǒng)I/O點數(shù)統(tǒng)計后，應(yīng)在得到的I/O點數(shù)的基礎(chǔ)上，增加15% ～20%的裕量，以便于系統(tǒng)日后的修改或升級。

4 聯(lián)鎖邏輯的設(shè)計

對于加氫反應(yīng)過程中的不正常操作(如停電、停風(fēng)、壓縮機停車等故障)［8］，如果處理不及時，就會發(fā)生重大事故，尤其是加氫裝置屬于高溫高壓裝置，處理不當(dāng)還可能發(fā)生爆炸等事故。因此，為了確保裝置的安全運行，必須配置聯(lián)鎖自保系統(tǒng)。加氫反應(yīng)單元的一般聯(lián)鎖點為:壓縮機組、反應(yīng)進(jìn)料泵、緊急放空系統(tǒng)和電加熱爐之間的相互聯(lián)鎖自保。加氫反應(yīng)單元中的聯(lián)鎖的目的是在緊急狀態(tài)下，保證加氫反應(yīng)系統(tǒng)不超壓、反應(yīng)器不超溫或“飛溫”，保證催化劑不結(jié)焦或積炭。局部聯(lián)鎖點為:壓縮機自身的聯(lián)鎖自保(如潤滑油壓力、冷卻水、電機溫度、氣缸溫度等);反應(yīng)進(jìn)料泵自身的聯(lián)鎖自保(如潤滑油壓力、冷卻水和軸承溫度)。局部聯(lián)鎖的目的是保證機泵本身不受損壞。

4.1 循環(huán)氫/新氫壓縮機聯(lián)鎖系統(tǒng)

循環(huán)氫壓縮機的作用是壓縮來自高壓分離罐的循環(huán)氫，并將其再次打入反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)。一般加氫裝置要求設(shè)有兩臺循環(huán)氫壓縮機(C3301A/B)，一臺運行一臺備用，這對裝置的長周期安全生產(chǎn)十分重要。新氫壓縮機(C3302)的作用是將新鮮氫氣增壓并送入反應(yīng)系統(tǒng)，壓縮機出入口壓差較大，一般采用二級或三級壓縮，且均采用往復(fù)式壓縮機。

根據(jù)SIS系統(tǒng)的故障安全原則，在本文的聯(lián)鎖系統(tǒng)中，I/O信號均采用常閉觸點開關(guān)儀表，即在正常情況下，觸點閉合通電為“1”;在事故情況下，常閉觸點斷開為“0”［9］。循環(huán)氫/新氫壓縮機開機邏輯圖如圖2所示。

圖2 循環(huán)氫/新氫壓縮機開機邏輯圖Fig.2 Startup logic of the recycle/fresh hydrogen compressor

圖2中:上方左側(cè)虛線框內(nèi)是聯(lián)鎖邏輯的輸入信號;上方右側(cè)虛線框內(nèi)是所設(shè)計的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系;下方虛線框內(nèi)則是聯(lián)鎖邏輯所控制的執(zhí)行單元。循環(huán)氫/新氫壓縮機的開機啟動條件比較簡單，即只要潤滑油供油壓力和溫度正常，便允許開機。

當(dāng)過程氣的成分、液位、壓力、溫度以及流量等狀態(tài)變量發(fā)生強烈波動、機械設(shè)備發(fā)生故障或某些能源中斷時，循環(huán)氫/新氫壓縮機仍然能保持平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

加氫反應(yīng)單元必須設(shè)置系統(tǒng)的緊急放空閥(XV-2301)。在裝置遇到突發(fā)事故時，反應(yīng)系統(tǒng)的緊急放空閥將自動打開，它的作用主要是在單位時間內(nèi)，通過卸壓將反應(yīng)系統(tǒng)的大量熱量攜帶出去，保證反應(yīng)器床層不超溫或“飛溫”，保證催化劑不結(jié)焦。

循環(huán)氫/新氫壓縮機聯(lián)鎖邏輯圖如圖3所示。

圖3 循環(huán)氫/新氫壓縮機聯(lián)鎖邏輯圖Fig.3 Interlock logic of the recycle/fresh hydrogen compressor

當(dāng)潤滑油供油壓力、電機軸承溫度或者循環(huán)氫壓縮機入口分液罐液位出現(xiàn)異常時，循環(huán)氫壓縮機聯(lián)鎖停車，火炬放空總管切斷閥打開。新氫壓縮機的聯(lián)鎖邏輯較為簡單，當(dāng)潤滑油供油壓力或者新氫壓縮機入口分液罐液位出現(xiàn)異常時，新氫壓縮機緊急聯(lián)鎖停車。

4.2 加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖系統(tǒng)

加氫精制工段中的加氫反應(yīng)為強烈的放熱反應(yīng)［10］，而且系統(tǒng)壓力也關(guān)系到加氫反應(yīng)單元平穩(wěn)操作、設(shè)備和人員安全，所以加氫反應(yīng)器的溫度、干氣密封氮氣壓力、干氣密封火炬壓力、加氫進(jìn)料泵油壓系統(tǒng)壓力是加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖的重要條件。

高壓分離罐的作用主要是將反應(yīng)產(chǎn)物分離為氣、油、水三相。如果高壓分離罐的液位超高，會導(dǎo)致循環(huán)氫帶液，危害壓縮機的正常運行;如果高壓分離罐的液位低或者液位抽空，會導(dǎo)致惡性爆炸事故發(fā)生。因此，高壓分離罐的液位也是加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖的重要條件之一。在加氫進(jìn)料泵的聯(lián)鎖邏輯中，當(dāng)聯(lián)鎖條件經(jīng)過聯(lián)鎖邏輯運算之后，若符合聯(lián)鎖動作的要求，則加氫進(jìn)料泵和輔助油泵均相應(yīng)的啟動或停止。

4.3 電加熱爐聯(lián)鎖系統(tǒng)

在加氫反應(yīng)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，嚴(yán)防超溫。溫度過高，反應(yīng)劇烈，易造成飛溫，損壞設(shè)備本體材質(zhì)，降低使用壽命，嚴(yán)重時造成爆炸事故，而在溫度控制中，電加熱爐爐膛的過熱保護極其重要。因此，電加熱爐的聯(lián)鎖自保系統(tǒng)也起著非常重要的作用。在聯(lián)鎖邏輯設(shè)計中，各個連鎖系統(tǒng)是相互依存、相互影響的。例如，當(dāng)加氫進(jìn)料泵或者循環(huán)氫壓縮機處于運行停止?fàn)顟B(tài)時，電加熱爐也應(yīng)相應(yīng)地聯(lián)鎖停車。

5 結(jié)束語

本文通過設(shè)計安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來實現(xiàn)對正丁烷裝置的各個關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)控，并通過設(shè)計合理的聯(lián)鎖條件，使之相互影響，協(xié)同動作。在工藝參數(shù)即將超限或某一設(shè)備發(fā)生故障時，可能對整個裝置造成危害性影響之前，其他相關(guān)設(shè)備聯(lián)鎖動作，實現(xiàn)裝置安全停車、緊急停車。

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