扬子石化650kt乙烯装置SIS系统设计综述

扬子石化650kt乙烯装置SIS系统设计综述
扬子石化650kt/a乙烯装置SIS系统设计综述
扬子石油化工股份公司烯烃厂杨金城
摘要：本文探析了乙烯装置SIS〔ESD〕系统的设计要求，介绍了北京康吉森公司TS3000系统的结构和特点，文中重点介绍了扬子2#乙烯扩建装置中SIS系统的配置方案，设计方法和设计特点。

关键词：乙烯；SIS；紧急停车系统；联锁；设计；综述
乙烯装置是石化工业的核心装置，乙烯装置以规模大、流程长、工艺复杂著称，同时又具有高温、高压，易燃、易爆等多种特征，生产工艺极其复杂；乙烯装置又是能耗高的生产装置，生产过程中需要消耗大量的水、电、汽，大量的物料在装置的管道、塔、贮罐和各种设备之间流动，在装置发生意外停车时会由于大量的物料不能贮存下来必须排放火炬，这就会造成很大的损失。

每次生产波动，按400kt/a乙烯装置每小时生产合格乙烯产品50000kg/h计算，每小时损失的效益约为300万元左右，由于乙烯装置工艺流程很长，在装置发生停车之后，整个工艺系统调整到正常状态的时间一般要有10多个小时，所以每停车一次的损失都有好几千万。

由于乙烯装置是扬子公司的核心装置，极易受其他上游装置的波动而波动，如电网的波动对装置的平安生产影响就很大，一旦乙烯装置波动也会对整个公司的生产经营造成很大的困难，实现乙烯装置平安、稳定、高效运行是提高效益的关键，所以乙烯装置对于平安控制的要求是相当高的。

美国仪表协会〔ISA 〕将危险生产装置的危害等级分为SIL1~3 〔Safety Integrity Level 〕级，乙烯装置在故障状态下对设备、人员和社区的危害程度属于最高级第3级，此级表示在发生意外的情况下产生的破坏性极大。

因此工艺包供给商要求采用平安仪表系统SIS实现乙烯装置长周期高效率运行，设计中要求装置的平安整体水平必须到达SIL3标准，充分实现SIS系统的平安性、及时性和有效性，防止因控制系统的波动而影响正常生产，从设计上使装置处于本质平安的状态。

扬子石化乙烯装置由于1#老线和2#新线构成，两条生产线的最大生产能力都为400kt/a。

1#乙烯装置(下称老区，Existing Plant)原来采用的是Honeywell
公司的LM〔逻辑管理器〕系统对装置进行联锁控制，因本轮改造经费所限此局部没有及时改为平安性更好的ESD系统，本着区域独立设计原那么，在老装置上增加的SIS〔Safety Instrumented System〕控制由LM来完成。

为了充分提高SIS系统的可靠性，消除LM系统中的功能缺陷和平安缺陷，此局部也在05年按照新区的方案进行了改造。

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650kt/a乙烯扩建装置(下称新区，New Plant)紧急停车系统主要有2局部构成，裂解炉区、压缩区、急冷区、和公用工程区实现的是联锁保护控制，冷区和热区构成的别离区要求实现SIS控制，以确保装置的平安稳定生产，并在发生电力故障，循环水装置故障或仪表系统故障等意外情况时，采取合理的停车步骤。

根据工况的要求，在乙烯新区采用了2套独立的SIS〔ESD〕系统完成对整个装置的平安控制。

1号系统完成裂解炉区、压缩区、急冷区、和公用工程区联锁保护控制，2号系统实现冷区和热区SIS控制，2套系统统称为ESD系统。

1.乙烯装置紧急停车系统的设计背景
原来乙烯老区最初的300kt/a乙烯装置是由美国鲁姆斯公司〔Lummus〕提供工艺包，日本东洋工程公司〔TEC〕进行根底设计，上海医药工业设计院负责最终设计，1995年乙烯装置经过第1轮扩容改造至400kt/a的生产能力，本次第2轮改造将使装置的生产能力进一步扩大到650kt/a〔最大生产能力可达
800kt/a〕。

但根据投资费用与改造工艺的要求，第1、2轮改造均不涉及火炬系统改造，改造后由于乙烯装置火炬的最大排放量要求达874t/h，而现有的火炬无法满足这一要求，所以工程上必须采取措施来降低火炬的排放量。

1.1 引起火炬排放的因素
引起火炬排放的因素有以下几个方面
1) 装置电力故障；
2) 装置冷却水故障；
3) 装置急冷水故障；
4) 裂解气压缩机停车；
5) 丙烯压缩机停车；
6) C2加氢反响器出料不合格。

1.2 防止排放火炬的方法：
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为了最大限度的降低火炬系统的排放量，在工艺上采取的策略是要尽量防止以上2种或2种以上故障的同时发生，最有效的方法有以下3种:
1) 使用不同来源的供电电源；
2) 使用不同来源的冷却水供给；
3) 使用紧急停车系统〔ESD〕。

1.3 紧急停车系统的控制要求
乙烯老区和乙烯新区是相对独立，又相互关联的工艺系统，工艺冷却水由第2循环水装置和第8循环水装置分别供给，设计上要求第2循环水供给老区，第8循环水供给新区，老、新区之间有管线连通，但在第2循环水或第8循环水的水温检测或流量检测发出3取2表决信号后，老、新区装置全线停车，动作情况见表1；
电力供给由313配电所和316配电所供给，每个配电所有2端独立的电源供给仪表UPS〔不间断电源〕装置，此电源作为整个装置的控制电源，设计上要求在老区配电所发生电力故障时，老区的SIS系统停车，在新区的配电所发生电力故障时，新区的SIS系统停车，具体的停车状况见表1。

表1 乙烯SIS系统动作表
项目新区电力故障动作结果 1. 2个装置之间的急冷水调节阀关闭备注 B阀闭锁时间300秒，之后控制权交出 2. 9个塔停车
(ES8901A&ES8901B) 3.GB1302/GB1501停车 4. 新区9个塔的B阀全部自动关闭老区电力故障 1. 老区裂解炉全停 (ES901A&ES901B) 2. 老区的原料泵全停 3. GB501停车 1. 2个装置之间的急冷水调节阀关闭 B阀闭锁时间300 3 新区循环水故障 2. 8个塔停车(DA1301不停) 秒，之后控制权交出 3. GB1302/GB1501停车 TS8931A/B/C2/3Voting 4. 新区8个塔的B阀全部自动关闭 5. 新区的裂解炉全停 FS8931A/B/C2/3Voting 6. 老区的GB501停车 7. 老区的裂解炉全停 8. 老区原料泵全停 9. 新区原料泵全停 1. 老区裂解炉全停老区循环水故障 2. 老区的原料泵全停 TS933A/B/C2/3Voting 3. 新区的原料泵全停 FS933A/B/C2/3Voting 4. GB501停车 5. 新区的裂解炉全停
GB201入口温度超高 2个装置之间的急冷水调节阀关闭 GB1201入口温度超高
紧急停车系统的根本要求就是要满足SIS系统的控制要求和各区的联锁控制要求，确保动作万无一失，设计原那么如下：
1) 在塔压超高时联锁停再沸器加热源
对精馏塔冷凝器而言，决定火炬系统负荷的因素通常是加热源的问题，因此在塔压超高时及时停止再沸器的加热，在适当的时候操作人员进行顺序排放，这就使瞬时的排放量得到了控制，加热源的切断阀直接由ESD控制；
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2) 在电力故障和冷却水故障时关闭排放火炬的“B〞阀
当发生电力故障和冷却水故障时，为了减少火炬的排放量，要求精馏塔上用于排放的“B〞阀必须保持关闭，此时由ESD给DCS发出动作信号，DCS接到ESD 的信号后，自动将输出OP信号置为0，使阀门全关；此时如果塔发生超压，与“B〞阀并联安装的平安阀会自动起跳，保护塔的平安；在联锁动作300秒之后“B〞阀联锁自动解除，控制权交回操作员。

3) 在电力故障/冷却水故障的联锁要求
每根供电总线上使用3个电压互感器检测每相的相电压，并由3个继电器发出3个信号给ESD系统进行2 oo3〔3选2〕表决。

当相电压低于180VAC时发出联锁停车信号。

冷却水故障也由3个独立的温度传感器和3个独立的流量变送器检测，并以模拟量信号送入ESD系统进行2 oo3表决，联锁系统在3个温度信号或3个流量信号之间求出偏差，当偏差大于设定值时发出报警和停车信号；
4) 提高整个平安联锁系统的平安可靠性，包括传感器、执行器、供电单元和保险丝的平安可靠性，确保控制系统不发生误动作；
5) 在工艺设计上采用电泵和汽泵并联设计，在电力故障时电泵停用的情况下，汽泵仍能正常运行。

2 .乙烯ESD系统的设计原那么
400kt/a乙烯装置是在原乙烯装置内部扩容后建成的，采用的控制系统是Honeywell公司的TDC3000系统，APM〔先进过程管理器〕用于过程控制，LM〔逻辑管理器〕用于平安联锁控制。

新区是在400kt/a乙烯装置的根底上另上一条新
的生产线，实现二条线并列运行的结构，而操作人员仍实行统一操作，统一管理，不增加操作人员，新区的控制系统仍采用Honeywell公司的TDC3000系统，HPM 〔高性能过程管理器〕用于过程控制，ESD系统采用北京康吉森自动化公司的TS3000系统作为紧急停车系统，用作平安控制。

2.1 系统局部的设计原那么
1) 为了确保装置平安、稳定、可靠的运行，提高系统的运算速度，在扩建的新区设计中用2套ESD系统分别控制2个重要的区域，一套用于控制裂解炉区、急冷区、压缩区、加氢区和公用工程区，另一套用于冷区和热区；
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