方向榮 朱建新 莊力健 亢海洲 袁文彬

(合肥通用機械研究院，合肥 230088)

低密度聚乙烯(Low Density Polyethylene，LDPE)是目前世界上產(chǎn)量最大、成本較低且用途廣泛的通用塑料之一，其生產(chǎn)裝置根據(jù)反應器類型可分為釜式法和管式法兩種[1]。管式法的主要流程為乙烯單體壓縮后在引發(fā)劑(氧或有機過氧化物)、共聚單體及調(diào)整劑等的共同作用下分段反應制得聚乙烯產(chǎn)品。管式反應器的操作條件一般為高溫(175～330℃)、高壓(250～320MPa)(具體操作參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品牌號及引發(fā)劑等略有不同)，因而具有較大的火災和爆炸風險，其反應區(qū)作為整個裝置的核心區(qū)域，往往設有眾多的溫度聯(lián)鎖以免反應器內(nèi)發(fā)生超溫自分解。根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗，反應區(qū)眾多的聯(lián)鎖保護也是造成裝置大量誤跳車的主要原因。因此，如何科學地對反應區(qū)的溫度聯(lián)鎖進行可靠性評估，從而在保證反應區(qū)安全運行的同時，適度降低因聯(lián)鎖而導致的誤跳車，提高裝置的運行效率和生產(chǎn)效益是一個值得深入探討的問題。

1 LDPE裝置誤跳車主要原因分析①

LDPE裝置連續(xù)運行的時間普遍較短，一般每年停車20～70次，對裝置安全生產(chǎn)影響很大[2]，圖1反映了LDPE裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)的誤跳車比例相比一般煉油裝置要高出很多。影響LDPE裝置停車的因素很多，主要原因可從生產(chǎn)工藝控制和儀表聯(lián)鎖兩方面分析。

圖1 某LDPE裝置與煉油裝置聯(lián)鎖

1.1 生產(chǎn)工藝控制復雜

LDPE裝置具有工藝過程復雜、工藝條件苛刻及不易操作等特點。

首先，原料經(jīng)兩級壓縮機壓縮增壓至250～320MPa，機組功率大，介質(zhì)壓力高，使得機組振動大，儀表設備故障率高，易造成機組聯(lián)鎖停車。另外，二次壓縮機出口的乙烯氣體若溫度過高，會造成局部熱點，進而使乙烯發(fā)生分解反應。因此在壓縮階段就必須對壓縮機各段壓力和溫度進行密切監(jiān)控。根據(jù)某裝置一年的運行統(tǒng)計，46%的停車原因是因儀表設備故障而引起的[3]。

再者，管式反應器內(nèi)的聚合反應對溫度和壓力較敏感，在有引發(fā)劑存在且壓力高于100MPa的情況下，增加壓力可使反應加快，反應速度幾乎隨壓力的繼續(xù)增加而直線上升。乙烯的自分解反應是聚合中的一種失控狀態(tài)，在高溫高壓條件下，聚合反應的不穩(wěn)定性增加，自分解反應發(fā)生的可能性就加大。由于催化劑內(nèi)含雜質(zhì)、引發(fā)劑輸送不均勻、反應器換熱不良以及系統(tǒng)內(nèi)混入微量的氧或者雜質(zhì)均會導致反應失控，因此LDPE裝置的工藝特點決定了發(fā)生分解反應是不可避免的[4]。

另外，很多管式反應器上安裝有脈沖閥，其目的是通過脈沖技術，使反應器的壓力產(chǎn)生周期性的下降，同時使物料的流速也產(chǎn)生周期性的變化，以此來移走反應器內(nèi)壁的結(jié)垢，但是脈沖技術會造成反應器壓力周期性的波動，引起引發(fā)劑注入量的波動，導致反應不穩(wěn)定。

綜上所述，LDPE裝置的工藝特點導致其運行過程中波動因素較多，且工藝波動處于較高水平。

1.2 儀表聯(lián)鎖點眾多

聚乙烯反應器控制系統(tǒng)非常復雜，控制過程涉及的變量達二百多點，內(nèi)部變量達三百多點，每個變量的變化都對反應器控制系統(tǒng)有直接影響。因此，儀表聯(lián)鎖點眾多，各種設備關聯(lián)度大是造成裝置誤跳車的重要原因。以某LDPE裝置為例，其十多年的運行記錄顯示，僅記錄在案的反應區(qū)溫度聯(lián)鎖跳車平均每年就有近4次，其中誤跳車占52.38%。

2 反應區(qū)溫度聯(lián)鎖的可靠性評估

由于LDPE裝置反應區(qū)涉及超高壓且管式反應器長度較長，因此通過安全聯(lián)鎖系統(tǒng)進行主動緊急泄壓是唯一可行的安全控制方式[5]。也由于此特點，對LDPE裝置的溫度聯(lián)鎖進行可靠性評估并提出科學的優(yōu)化建議成為一項必要的工作。目前在流程工業(yè)中對安全聯(lián)鎖系統(tǒng)進行功能安全完整性評估主要采用IEC61511和GB/T 21109.1標準[6]。

以某LDPE裝置為例，其反應區(qū)共設有155只溫度傳感器，任意一只檢測到超溫，系統(tǒng)就會聯(lián)鎖跳車。采用EXIDA商業(yè)數(shù)據(jù)庫中相關的溫度傳感器失效數(shù)據(jù)，λ_SD=0FITS、λ_SU=650FITS、λ_DD=0FITS、λ_DU=5350FITS、TR=8h、TSD=24h、BETA=0.03，考慮周期為8 760h(即1年)；另外邏輯運算器單元為2oo3邏輯結(jié)構，λ_SD=3813.98FITS、λ_SU=60.02FITS、λ_DD=2711.12FITS、λ_DU=48.83FITS；執(zhí)行機構為1oo4緊急泄壓閥，λ_SD=0FITS、λ_SU=770FITS、λ_DD=0FITS、λ_DU=1270FITS。其中，λ_SD為可檢測安全失效概率；λ_SU為不可檢測安全失效概率；λ_DD為可檢測危險失效概率；λ_DU為不可檢測危險失效概率；FITS=10-9次為每小時失效可能性；PFD為危險失效可能性；PFS為安全失效可能性；TR為在線維修時間；TSD為裝置誤跳重啟時間；BETA為共因失效因子。最后得到的評估結(jié)果見表1。

表1 某LDPE反應區(qū)溫度聯(lián)鎖子系統(tǒng)可靠性計算結(jié)果

結(jié)果表明，反應區(qū)溫度聯(lián)鎖的安全失效可能性高達0.972，說明LDPE裝置的反應區(qū)在一年內(nèi)僅因儀表聯(lián)鎖故障導致的誤跳車概率很高。若再考慮到LDPE裝置其他部分的聯(lián)鎖跳車以及工藝波動導致的停車，LDPE裝置的跳車次數(shù)將上升至一個更高的水平，這也就造成了LDPE裝置難以實現(xiàn)長周期運行的狀況。

盡管如此，仍然可以通過采取一些措施來提高LDPE裝置運行的穩(wěn)定性。例如某公司的LDPE裝置原先平均每年跳車20次左右，通過對聯(lián)鎖系統(tǒng)的評估和優(yōu)化，并加強日常管理，實現(xiàn)了連續(xù)運行二百多天的良好成績，比以往的運行狀況有了很大的改觀。從可靠性的角度來看，假如能夠利用溫度傳感器單元的硬件實現(xiàn)雙股通信，即每個測溫點都能夠設雙支熱電偶且卡件獨立，則同樣的反應區(qū)溫度聯(lián)鎖可靠性計算結(jié)果見表2。

表2 某LDPE反應區(qū)溫度聯(lián)鎖子系統(tǒng)改進后的可靠性計算結(jié)果

通過比較表1、2的計算結(jié)果可知，采取上述措施能夠在維持聯(lián)鎖安全水平相當?shù)那闆r下，聯(lián)鎖自身誤跳車的可能性比原先降低了88.7%，如圖2所示。

圖2 反應區(qū)溫度聯(lián)鎖子系統(tǒng)改進前、后失效概率對比

3 提高反應區(qū)溫度聯(lián)鎖可靠性的措施

由上述分析可知，LDPE裝置的誤跳車次數(shù)是由多方面原因造成的，裝置固有的系統(tǒng)特性導致其難以長周期連續(xù)運行，但是通過對儀表聯(lián)鎖系統(tǒng)進行評估和優(yōu)化，仍然有可能改善LDPE裝置的運行水平，使其穩(wěn)定性在現(xiàn)有基礎上得以提升。

3.1 開展系統(tǒng)安全完整性評估

根據(jù)IEC61511和GB/T 21109.1對流程工業(yè)的生產(chǎn)裝置開展安全完整性評估，找出風險點和誤跳源，有助于發(fā)現(xiàn)裝置中的潛在風險點，從而提出科學的改進建議，在確保安全的前提下降低誤跳車次數(shù)，使聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性維持在合理水平，對于減小事故的發(fā)生和避免經(jīng)濟損失具有重要意義。

3.2 改善聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性

部分裝置現(xiàn)場設有多重監(jiān)測儀表，但分別屬于安全聯(lián)鎖系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)，在儀表可靠性較差的情況下，可以考慮結(jié)合DCS系統(tǒng)的儀表信號，充分利用現(xiàn)有硬件條件，從而間接地提高安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。

以某LDPE裝置為例，設計現(xiàn)場原安裝有大量的溫度監(jiān)控點用于DCS控制和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，其中每個測溫點均使用的是雙支高壓熱電偶，測量信號一路送入DCS用于工藝監(jiān)控，另一路送入安全聯(lián)鎖系統(tǒng)用于緊急停車(ESD)系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護。裝置投運后經(jīng)常跳車，其中因溫度聯(lián)鎖引發(fā)的誤跳車占50%以上，后采取將原先送入DCS系統(tǒng)的信號通過新增的卡件送入安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，并與原安全聯(lián)鎖系統(tǒng)信號形成與門邏輯(2oo2)的措施，從而降低了誤跳車。

3.3 結(jié)合工作環(huán)境升級儀表

由于裝置現(xiàn)場環(huán)境復雜，儀表常處于溫度高、壓力高、振動大的工況，因此部分儀表易發(fā)生故障。以壓縮機的溫度傳感單元為例，若能將鎧裝電阻體改為防振型電阻體，其抗振效果將得以提高，使用壽命也將延長；另外電阻體可通過自帶延長線，將接線移至沒有振動或振動較輕微的部位，從而避免接線端子振松的情況，降低儀表因振動而引發(fā)的故障[3]。

此外，若裝置的儀表裝備落后，大量采用單點聯(lián)鎖也可能造成頻繁誤跳車，充分考慮儀表的現(xiàn)場工作環(huán)境，有必要對儀表進行升級或者通過增加冗余設計來提高儀表的可靠性，從而降低誤跳車的可能性。

3.4 提高生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性

工藝波動頻繁往往會導致儀表故障率上升并且容易引發(fā)裝置誤跳車，因此提高工藝操作水平也是降低裝置誤跳車的重要手段。例如加強對一次/二次壓縮機組的巡檢管理，密切關注壓縮機各段的壓力和溫度變化，避免二次壓縮機出口乙烯溫度過高導致局部熱點的產(chǎn)生，從而降低乙烯發(fā)生自分解的可能；關注引發(fā)劑注入泵的出、入口壓力變化，防止注入管嘴堵塞，避免管嘴頂通后引發(fā)劑瞬間流量過大，導致反應溫度過高；此外，最大限度地減少系統(tǒng)雜質(zhì)的含量，嚴格控制氧的串入，重視壓縮機潤滑油因氧化而帶入活性基團引發(fā)乙烯自分解等因素。通過加強對故障源的監(jiān)控，有利于維持工藝穩(wěn)定，從而降低裝置誤跳車的幾率。

4 結(jié)束語

LDPE裝置反應區(qū)設置了大量的溫度聯(lián)鎖點，安全完整性評估結(jié)果證實，這也是造成裝置頻繁跳車的重要原因。通過對聯(lián)鎖系統(tǒng)進行安全完整性評估，定量分析聯(lián)鎖的可靠性等級，了解裝置可靠性的特點，從而采取有針對性的合理措施，使LDPE裝置的穩(wěn)定性在當前運行水平基礎上得到較大提升，從而為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。