孫 瑞

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

0 引言

乙烯裝置是石油化學(xué)工業(yè)的核心裝置，由乙烯裝置產(chǎn)出的乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯是生產(chǎn)各類有機化工產(chǎn)品的基礎(chǔ)，因此乙烯裝置的技術(shù)水平、產(chǎn)量、規(guī)模是衡量國家石油化學(xué)工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。乙烯生產(chǎn)技術(shù)在工藝流程上分為原料氣裂解和裂解氣分離兩大部分，其中分離流程根據(jù)各乙烯專利商采用的技術(shù)不同，可分為順序分離流程、前脫乙烷流程和前脫丙烷流程[1]。

順序分離流程是將裂解氣脫除重烴，經(jīng)五段壓縮后按照裂解氣的組分，從輕到重逐一分離。

前脫乙烷流程是將裂解氣脫除重烴，經(jīng)五段壓縮后將碳二及更輕組分與碳三及更重組分分開，再分別進行分離。

前脫丙烷流程是將裂解氣脫除重烴，經(jīng)四段壓縮后將碳三及更輕組分與碳四及更重組分分開，再分別進行分離。

在上述3種分離工藝流程中，脫甲烷工藝利用低溫分離出甲烷和氫氣，其冷功率消耗約占冷分離總冷負荷的50%。因此，冷量回收非常重要。近年來，大型乙烯裝置

圖1 膨脹機再壓縮機工藝流程[1]Fig.1 Process flow of expander compressor[1]

多采用膨脹機再壓縮機聯(lián)合機組，對脫甲烷塔頂產(chǎn)生的尾氣進行膨脹制冷，同時聯(lián)動壓縮機對外做功，不僅可以為冷箱提供高位級冷量，提高乙烯收率，還可以將回收的能量用于增壓裂解爐燃料氣，從而實現(xiàn)裝置總能耗降低[2]。由此可見，膨脹機再壓縮機聯(lián)合機組是裝置中關(guān)鍵設(shè)備之一。

1 膨脹機再壓縮機工藝流程

目前，大型乙烯裝置均采用膨脹機再壓縮機工藝，對高壓脫甲烷塔尾氣進行膨脹制冷，同時對燃料氣壓縮增壓。圖1為甲烷尾氣膨脹機再壓縮機的主要工藝流程。

高壓脫甲烷塔的塔頂壓力約為3.04MPa[1]，主要成分為甲烷和氫氣。高壓尾氣經(jīng)最低級位的乙烯冷劑冷凝后送入回流罐，罐內(nèi)的液相回流到脫甲烷塔塔頂精餾器，氣相送入膨脹機進行膨脹制冷，獲得約-136℃[1]的冷量進入冷箱冷卻脫甲烷塔進料，然后送入再壓縮機作為再生介質(zhì)或者燃料被重新壓縮。由于膨脹機制冷是等熵膨脹過程，同外界沒有熱量交換，氣體膨脹全部用于對外做功，內(nèi)能減少從而溫度降低，其制冷能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的J-T節(jié)流閥[1]。

2 膨脹機再壓縮機控制概述

乙烯裝置中的膨脹機再壓縮機機組采用透平驅(qū)動，因為操作溫度低、機組轉(zhuǎn)速高等特點，目前大多采用國外廠商設(shè)計制造的磁力軸承機組，主要制造商有美國的Mafi、法國的低溫星公司等。以某大型乙烯裝置采用的某公司膨脹機再壓縮機為例，機組結(jié)構(gòu)主要包括以下3個基本部分：膨脹機定子部分及進出口法蘭、同軸轉(zhuǎn)子、壓縮機定子部分及進出口法蘭。

膨脹機進口處設(shè)有入口導(dǎo)葉IGV（Inlet Guide Vanes），通過帶限位開關(guān)的氣動執(zhí)行機構(gòu)控制IGV的開度，從而調(diào)節(jié)進入膨脹機的工藝介質(zhì)流量，并將壓降轉(zhuǎn)換為高流速驅(qū)動葉輪。

軸承、同軸、軸密封、葉輪以及葉輪密封封裝在承壓腔內(nèi)，構(gòu)成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。同軸采用外部套有磁性材料的疊片式結(jié)構(gòu)。磁力軸承是一套電磁設(shè)備，由磁力軸承控制柜MBC（Magnetic Bearing Control Cabinet）控制，使轉(zhuǎn)子和定子之間保持一定的距離，并監(jiān)測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、振動位移和溫度。位于定子中的徑向電磁體和軸向電磁體在通電狀態(tài)下產(chǎn)生電磁場，轉(zhuǎn)子受重力與磁力平衡時懸浮于承壓腔內(nèi)。徑向軸承上設(shè)有軸向和徑向位移監(jiān)測探頭，對轉(zhuǎn)子的位置進行連續(xù)監(jiān)測并輸出信號，MBC控制系統(tǒng)對位置偏差信號進行計算，通過改變磁力軸承電磁場的電流大小，改變對轉(zhuǎn)子的作用力，從而使其回到正常位置運行。

膨脹機再壓縮機機組配置有一套迷宮式密封系統(tǒng)，用于防止冷量由膨脹機側(cè)向壓縮機側(cè)傳遞，避免冷的工藝氣體進入承壓腔，還可以防止磁力軸承產(chǎn)生的熱量進入冷的工藝氣體中。密封氣與承壓腔壓差與密封氣溫度，參與控制密封氣入口調(diào)節(jié)閥開度和機組開停機聯(lián)鎖。

膨脹機再壓縮機機組在壓縮機出口配置有返回入口的防喘振回路，防喘振閥門可以由CCS控制，也可以由用戶根據(jù)廠家提供的防喘振算法通過DCS實現(xiàn)控制。

上述關(guān)鍵設(shè)備的儀表控制和聯(lián)鎖直接影響到膨脹機再壓縮機機組的安全可靠運行。膨脹機再壓縮機機組主要由開車控制流程、正常停車控制流程、緊急停車控制流程、MBC柜控制流程、關(guān)鍵控制回路等組成。

2.1 MBC柜控制流程

MBC控制柜監(jiān)測機組運轉(zhuǎn)過程中的各類報警狀態(tài)并向操作人員提供報警信息，MBC報警信號劃分等級如下：

一般故障（Level 1）：當MBC的輸入信號超過正常操作值時，MBC將向CCS輸出一級報警信號，并顯示在控制柜的HMI界面上。此時磁力軸承系統(tǒng)仍然處于工作狀態(tài)，一級報警不會觸發(fā)機組停車。

主要故障（Level 2）：當MBC的輸入信號超過正常操作安全值時，MBC將輸出二級報警信號。此時磁力軸承系統(tǒng)處于非安全工作狀態(tài)，MBC向CCS發(fā)出機組停車請求，最終停車命令由CCS聯(lián)鎖觸發(fā)。MBC仍保持機組轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，直到機組停車轉(zhuǎn)子終止轉(zhuǎn)動。

全停車故障（Level 3）：當發(fā)生會損壞機組或者控制柜的功能性故障時，MBC將輸出三級報警信號。MBC向CCS發(fā)出機組停車請求，最終停車命令由CCS聯(lián)鎖觸發(fā)。此時機組轉(zhuǎn)速降低至最小臨界值480rpm以下，轉(zhuǎn)子終止懸浮狀態(tài)。

MBC監(jiān)控故障：MBC柜內(nèi)的硬件故障會引發(fā)MBC系統(tǒng)監(jiān)控報警，此時MBC的所有輸入輸出信號停止工作，MBC與CCS之間的通訊和聯(lián)鎖觸發(fā)請求中斷。

2.2 關(guān)鍵控制回路

密封氣差壓控制回路是一個重要回路。差壓調(diào)節(jié)閥PDV的開度由機組內(nèi)不同檢測點的密封氣壓力差控制，選取密封氣入口壓力和膨脹機葉輪壓力作為工藝過程檢測變量，最終建立并維持密封氣環(huán)境。

圖2 CCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of CCS control system

入口導(dǎo)葉控制回路：入口導(dǎo)葉作為膨脹機再壓縮機機組的重要工藝過程控制對象，控制方式有兩種——手動控制或者自動控制。手動控制方式由CCS內(nèi)的HIC控制器實現(xiàn)，自動控制由控制器監(jiān)測工藝過程變量，根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)IGV的開度。兩種控制方式可以在CCS內(nèi)切換，當控制方式由手動切換到自動時，應(yīng)確保輸出信號偏差在3%以內(nèi)。機組允許啟動時，要求IGV必須置于手動控制模式，并且開度應(yīng)小于3%。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

膨脹機再壓縮機機組的儀表控制系統(tǒng)設(shè)計，一般采用CCS集成控制。如圖2所示為采用CCS控制的系統(tǒng)架構(gòu)。

整個機組的控制系統(tǒng)安裝在非防爆區(qū)域，由壓縮機控制系統(tǒng)CCS、馬達控制中心MCC和磁力軸承控制柜MBC組成。其中，在MCC內(nèi)布置密封氣電加熱器控制盤?，F(xiàn)場設(shè)置有模擬量信號接線箱、數(shù)字量信號接線箱、磁力軸承信號接線箱和現(xiàn)場操作盤。機組工藝氣路和密封氣路上的模擬量AI/AO信號，通過模擬量信號接線箱接入CCS參與控制聯(lián)鎖；密封氣路上的電加熱器溫度信號經(jīng)模擬量信號接線箱先進入MCC內(nèi)的TCP控制盤再接入CCS，同時TCP控制盤接受來自CCS的控制信號?，F(xiàn)場數(shù)字量DI/DO信號，經(jīng)過數(shù)字量信號接線箱接入CCS和現(xiàn)場操作盤。磁力軸承系統(tǒng)的速度、位移、溫度傳感器信號經(jīng)過磁力軸承信號接線箱接入MBC控制柜，再由MBC將磁力軸承系統(tǒng)信號經(jīng)RS485通訊至CCS，硬線輸出速度信號、故障報警、停車請求等信號至CCS，并接受來自CCS的數(shù)字量控制信號。

膨脹機再壓縮機機組的儀表控制系統(tǒng)設(shè)計可以根據(jù)用戶需求，采用DCS+SIS拆包控制方案，將原CCS控制系統(tǒng)按照儀表回路的功能，拆解到DCS和SIS分別控制。根據(jù)回路功能及安全等級，將所有參與停機聯(lián)鎖的信號接入SIS系統(tǒng)；將一般控制回路、指示回路和報警信號接入DCS系統(tǒng)。

表1 機組啟停聯(lián)鎖因果表Table 1 Cause and effect of unit start and stop interlock

4 聯(lián)鎖邏輯設(shè)計

如前所述，膨脹機再壓縮機機組的控制系統(tǒng)可以采用CCS系統(tǒng)，或者根據(jù)儀表回路功能、安全等級拆分為DCS+SIS系統(tǒng)。如果采取CCS控制，全部聯(lián)鎖邏輯將通過CCS和MBC實現(xiàn)；如果采用DCS+SIS控制，如何將原有集成在CCS的聯(lián)鎖邏輯進行邏輯拆解是儀表工程設(shè)計的重點，既要保證邏輯拆解后，聯(lián)鎖邏輯輸入條件和輸出動作不受影響，同時還要考慮進行設(shè)計優(yōu)化，盡量減少現(xiàn)場各控制系統(tǒng)的接線箱數(shù)量，減少DCS、SIS、MBC 3個系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖邏輯、輸入輸出信號、柜間接線和通訊點數(shù)。

在某大型乙烯項目工程設(shè)計中，根據(jù)實際設(shè)計需求，并與機組制造商多次探討修改聯(lián)鎖邏輯設(shè)計方案，將功能控制與聯(lián)鎖報警進行了細化和拆分，并進行了優(yōu)化設(shè)計。即：將一般指示回路、一般控制回路、IGV入口導(dǎo)葉控制回路、防喘振控制回路、不參與停機聯(lián)鎖的報警信號回路、機組允許啟動邏輯和機組轉(zhuǎn)子勵磁懸浮邏輯設(shè)計在DCS系統(tǒng)中；將機組啟動和停車聯(lián)鎖邏輯、膨脹機入口切斷閥回路、密封氣供氣切斷閥回路設(shè)計在SIS系統(tǒng)中。聯(lián)鎖因果見表1。

經(jīng)過開工運行檢驗，上述控制、聯(lián)鎖邏輯的設(shè)計是可靠的，并得到了業(yè)主認可。

5 其它

在膨脹機再壓縮機的儀表工程設(shè)計中，還需要對磁力軸承系統(tǒng)MBC控制柜的安裝位置進行評估。MBC柜內(nèi)包含有電源放大器、備用電磁、PID控制器、電流電壓調(diào)整器，應(yīng)安裝在非防爆區(qū)。根據(jù)機組控制需求，MBC和儀表控制系統(tǒng)之間有硬線信號和通訊信號連接，同時MBC還需要由MCC供電。因此，在乙烯裝置現(xiàn)場通常將MBC放置在儀表現(xiàn)場機柜室FAR，或者馬達控制中心MCC。在進行機柜間布置設(shè)計時，應(yīng)特別注意避免MBC柜和其他機柜因距離過近產(chǎn)生電磁干擾現(xiàn)象，如前期設(shè)計忽視了這一點，由此帶來的現(xiàn)場整改工程問題將不可小覷。根據(jù)EN61000 6-4-2007電磁兼容性標準中給出的規(guī)定[3]，MBC控制柜應(yīng)與周圍機柜保持3m～5m的距離。對電磁干擾因素進行評估，采用大間距設(shè)計，可有效避免設(shè)備間產(chǎn)生電磁干擾。

表2 機組允許啟動聯(lián)鎖因果表Table 2 Cause and effect table of unit allowable start interlock

6 結(jié)束語

在乙烯裝置膨脹機再壓縮機的儀表工程設(shè)計過程中，需要注意以下幾點：

1）在滿足機組工藝流程對儀表控制要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶實際需求選擇控制系統(tǒng)架構(gòu)，可優(yōu)先采用CCS+MBC。

2）當用戶（業(yè)主）有要求時，可采用DCS+SIS+MBC作為控制系統(tǒng)，將原有集成在CCS的聯(lián)鎖邏輯進行邏輯拆解是儀表工程設(shè)計的重點。要保證邏輯拆解后，邏聯(lián)鎖輯輸入條件和輸出動作不受影響。設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)化聯(lián)鎖邏輯設(shè)計和儀表接線工作，減少各系統(tǒng)間非關(guān)鍵聯(lián)鎖信號往來。

3）關(guān)鍵控制回路的設(shè)計，應(yīng)滿足工藝操作的需要，并嚴格遵循機組對設(shè)定值的要求，進行精準控制。聯(lián)鎖邏輯設(shè)計時，應(yīng)與機組制造商共同完善聯(lián)鎖邏輯設(shè)計方案，將功能控制與聯(lián)鎖報警進行細化和拆分，并進行優(yōu)化。

4）MBC機柜布置應(yīng)符合規(guī)范的要求，結(jié)合成功的工程經(jīng)驗，合理布置機柜，避免設(shè)備間的電磁干擾。