浅谈聚丙烯装置中PDS控制系统的设计

隋欣

(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)



浅谈聚丙烯装置中PDS控制系统的设计

隋欣

(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)

摘要：产品卸料系统(PDS)的稳定性与可靠性直接影响到聚丙烯产品的产率。简要介绍了采用UNIPOL工艺生产聚丙烯装置中PDS的流程及其特点；阐述了PDS控制系统的组成、PLC硬件的选型、PLC软件的设计、PDS阀门的选型与设计、顺序控制和联锁逻辑的设计，并详细描述了顺序控制逻辑的步骤、顺序控制时间的设定、顺序控制终止与联锁逻辑保护等相关的设计要点，从而为同类型聚丙烯装置中PDS控制系统的设计提供了思路与参考。

关键词：产品卸料系统卸料阀聚丙烯可编程控制器

Brief Discussion on PDS Control System Design in Polypropylene Plant

Sui Xin

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

Abstracts: Production yield of polypropylene is directly affected by the stability and reliability of product discharge system(PDS). The process and its characteristics of PDS in polypropylene installation with UNIPOL process are briefly introduced.PDS control system composition, PLC hardware type selection, PLC software design, type selection and design of PDS valve, sequence control and interlocking logic design are expounded. Relative key design points of steps of sequence control logic, sequence control time setting, sequence control termination and interlock logic protection etc. are described in detail. The thinking and reference for PDS control system design for same type of polypropylene installation are provided.

Key words:product discharge system; discharge valve; polypropylene; programmable logic controlle

UNIPOL是一项以低压气相流化床反应器生产聚丙烯的工艺技术，产品卸料系统PDS (products discharge system)是聚丙烯装置中重要的组成部分。由于聚合反应的生成物聚丙烯粉料容易自聚，如果PDS控制系统中阀门动作顺序不对或者动作时间配合不当，粉料自聚轻则引发管道堵塞，造成长时间减产，重则直接引发全厂紧急停车，甚至造成人员和财产损失。况且，PDS控制系统每一次故障带来的经济损失很大，已远超PDS控制系统自身的价值。因此，正确合理地设计PDS控制系统是聚丙烯装置设计的关键。

1PDS工艺流程

催化剂和气态丙烯被连续加入流化床反应器内，在适当的温度和压力作用下聚合反应生成粉状的聚丙烯，当粉状的聚丙烯在流化床的床层堆积到一定量时，通过逻辑顺序控制，聚丙烯粉料在压差的作用下以批次的方式从反应器排出至产品仓，在产品仓中循环气与聚丙烯粉料进行气固分离，循环气返回到反应器颈部，聚丙烯粉料则被送至产品卸料罐，然后根据最终产品的不同将聚丙烯粉料送往产品脱气仓(当生产均聚物和无规共聚物时)或是送往转送罐过滤器(当生产抗冲共聚物时)，形成聚丙烯产品。从聚丙烯粉料离开反应器开始，经过产品仓至产品卸料罐最后排出的工艺过程，被称为PDS。

聚丙烯反应器有4套PDS，共分为2对。通常这2对PDS交替切换进行卸料，而每1对PDS内部既可以交互运行，也可以独立运行。为了防止反应器压降过快而使整个聚合反应的运行受到影响，原则上规定： 反应器只能同时给1个产品仓进行卸料，即只有当1套PDS完成产品仓进料和产品仓气体交互后，才允许另1套PDS开始进行产品仓进料的顺控逻辑。1对PDS的流程如图1所示。

图1　1对PDS流程示意

2PDS控制系统的设计

PDS控制系统主要由负责自动化控制的PLC系统、负责实现逻辑控制的阀门以及相关测量仪表组成。PDS控制系统的设计应着重考虑PLC系统的选型、软件的设计、PDS特殊阀门的选型、顺控与联锁的设计等问题。

2.1PLC系统的选型

PDS具有极高的动作频率和循环次数，相关阀门每年动作约50万次，频繁动作就要求PDS控制系统应具有高可靠性和高稳定性。因此，PDS控制系统应由1套独立的、高安全性的、满足三重化冗余要求的PLC系统来完成。具体要求如下：

1) PLC系统应为三重化冗余结构。包括处理器模块(CPU)、内部通信模块(内部接口模块、内部数据总线模块)、输入输出模块(I/O)必须全部为三重化冗余配置，并且可以做到在线更换。

2) PLC系统电源实现1∶1方式冗余配置。

3) PLC系统与其他系统的通信应为冗余配置。

4) PLC系统应为故障安全型系统，控制失效——安全型降级模式为3—2—1—0模式，即模块的3个通道有1个通道出现故障时，剩余2个冗余通道进行“2选2”的表决方式实现容错，系统相当于双重化结构继续正常运行。

2.2PLC系统的软件设计

为了便于组态和操作，并减少人为操作事故的发生，PLC系统的软件操作界面需要包含以下内容：

1) 能指示PDS控制系统顺控的步骤，并能查看每一步允许条件的满足情况和动作的完成情况。

2) 对于趋势图来说，可以按类型分成若干画面，每个画面都有各类趋势画面的菜单及功能键，包括趋势时间间隔设定和起始时间，并能显示系统中发生报警或联锁点的位号、名称、发生的具体时间、报警或联锁点的值。

3) 建立阀门状态列表，能显示每套PDS控制系统中阀门的状态，阀门完成动作的时间，手动/自动状态等。每个阀门都有手动软开关，能在阀门置于手动状态时远程开关阀门。

4) PDS控制系统应有“自动”、“单步”和“手动”三种工作模式。其中“手动模式”中，可以在操作员站的阀门状态列表内对阀门进行任意的开关动作。“单步”用来检验每一步骤的完成情况，便于更好地调整动作时间和允许时间。工作模式的切换，只允许具有特定操作权限人员进行切换。

2.3PDS阀门的选型

1对PDS控制系统中包括30个气动切断阀和4个手动切断阀。其中任意1个阀门出现故障，都会造成整套PDS控制系统的停车，所以阀门的选型与设计也是PDS控制系统设计中的关键。

根据工艺包的要求，并结合工程设计的经验，PDS阀门的选型应注意以下几点：

1) PDS阀应采用全通径固定球阀，对介质无任何阻力和节流。

2) PDS阀门阀体和法兰应全部为整体锻造，并做内抛光处理，内表面需要非常光滑以确保固体粉料不会挂壁。锻造材料需要保证无砂眼等质量缺陷，能耐应力冲击，并且在频繁快速开关的情况下能够保证长期的使用寿命。

3) 金属阀座的材质应为锻造双相钢或锻造不锈钢，并采用与阀球同样的硬化处理方式。个别气相管道上的阀门可以为软密封，软密封阀座材质采用PEEK或Lyton材质。

4) 阀门的开关时长应很短。要求DN200以下口径的阀门,单次开关时长小于1.5 s，DN200以及DN200以上口径的阀门,单次开关时长小于2.5s。

5) 应同时考虑地区环境温度和产品卸料均在冷态下工作这一特点。阀门应进行性能测试，以确保在高温、低温时及升温、降温过程中均能可靠地开关和严密地关断。

6) 阀门应采用防火结构设计，符合API 607的要求。

7) 阀门需要满足SIL的等级要求，其中E阀和M阀需要满足SIL2，其他PDS阀门需要满足SIL1的要求。

8) 阀门泄漏等级为ANSI Class VI(TSO)。

9) 阀杆应在高频率动作下严格对中，使阀门扭矩保持长期均匀性。阀杆密封设计需要确保零泄漏。

10) 执行机构应保证400万次的可靠动作，执行机构安全系数至少按1.5倍核算。

11) 电磁阀应为低功耗两位三通电磁阀，须满足Ex d ⅡC T4的防爆要求、IP65的防护等级要求和SIL的要求。

12) 阀门的阀位开关应为NAMUR型，须满足Ex ia ⅡC T4的防爆要求、IP65的防护等级要求和SIL的要求。

13) AA和GG阀为反应器卸料手动阀，只有在PDS控制系统需要停车检修时才关断它们。当这2个手动阀关闭时，阀球面与反应器的内壁面完全配合，不存在任何空隙，这样可以避免聚合物自聚堵塞或抱死阀门。它们的密封应为零泄漏，避免在线检修时产生安全隐患。

14) 需要在E阀下设置1个两位式防爆开关Q，当现场开关Q置于“AUTO”位时，E阀受顺控逻辑控制，当现场开关Q置于“OFF”位时，E阀脱出顺控逻辑控制，处于手动状态，可用E阀自带的手动气控三通阀进行现场手动开关阀。

15) GP阀为G阀的吹扫阀，G阀与GP阀共用1个电磁阀，2个阀门的开关状态相反，即当G阀关闭时GP阀打开，从而使GP阀向反应器吹入循环气。GP阀需要带有手动三通阀，除了通过G阀的电磁阀远程控制外，还能通过手动三通阀现场进行手动吹扫。

2.4PDS顺控与联锁逻辑的设计

2.4.1PDS控制系统顺控的步骤

以图1中PDS1举例说明，正常情况下，独立的1套PDS控制系统的顺控步骤共为6步，如图2～图7所示。PDS进行每步动作前需要对允许条件做出检查，PDS顺控步骤允许开始的条件见表1所列。

表1　PDS顺控步骤允许开始的条件

注： 1) 产品仓压力低低限值；

2) 产品卸料罐压力高高限值。

图2　反应器排出聚丙烯至产品仓(第1步)

图3　产品仓进行气体交互(第2步)

图4　粉料输送至产品卸料罐(第3步)

图5　产品卸料罐进行气体交互(第4步)

图6　泄压(第5步)

图7　粉料离开产品卸料罐(第6步)

2.4.2PDS控制系统顺控的时间设定

PDS控制系统顺控中，计时器A，B，C和D可先根据工艺包给定值进行粗设，然后再根据现场调试时的具体情况，结合产品仓与产品卸料罐上的核料位计、压力变送器以及相关阀门的动作时间进行优化设定，但计时器的设定值不应超过如下的范围：

1) 计时器A可调节时间T1是0～100s。

2) 计时器B可调节时间T2是0～60s。

3) 计时器C可调节时间T3是0～120s。

4) 计时器D可调节时间T4是0～30s。

想要保持PDS控制系统顺控的平稳进行，除了以上计时器的设定时间外，还需要现场专业工程师根据实际阀门的动作完成时间，结合下料的时间要求，对顺控和联锁逻辑做出微调。

每一套PDS控制系统顺控自卸料开始到完成后，都需要记录单套顺控的完成时间，并把完成时间与工艺要求的设定值进行比较，超过设定时长则需要报警通知操作员进行检查。

2.4.3PDS控制系统顺控终止与联锁保护动作

PDS控制系统在“自动”和“单步”工作模式下，每次要进行下一步动作时，都要对该步的满足条件进行判断，通常的判断允许时间设定为3～5s(T5，T6，T7可调)，如果超过判断允许时间后还不满足该步的进行条件，则需要马上终止该套PDS顺控的进行，并发出报警信号通知操作人员解决。

如果是1对PDS中的某套PDS控制系统发生故障时，则应先关闭此套PDS控制系统的B阀和G阀，并打开A阀、C阀和GP阀；然后关闭W阀，并置W阀于手动关位置，使其脱出联锁顺控的控制；再用L阀代替原W阀进行顺控，即通过L阀来平衡产品仓与反应器之间的压差。

当出现工艺联锁事故引起全厂紧急停车时，需要通过“杀死系统”(或叫“反应终止系统”)使聚合反应停止。出现该情况时，需要立即停止所有PDS控制系统的顺控，同时联锁关断所有PDS控制系统的A阀、B阀、C阀和G阀，从而切断反应器与产品仓的联系。

3结束语

总之，PDS控制系统通过顺控逻辑与联锁逻辑控制相关卸料阀的打开与关闭，实现反应器与产品仓以及产品卸料罐间的压力循环与平衡，从而完成聚丙烯粉料排放的工艺过程。文中介绍的PDS控制系统已成功地应用于UNIPOL聚丙烯装置，目前现场开车成功，并且能稳定、高效地生产运行,取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京： 化学工业出版社，2002.

[2]林德杰.过程控制仪表及控制系统[M].北京： 机械工业出版社，2004.

[3]陈星赏.聚烯烃装置产品排料阀的特性及长周期运行的对策[J].科技与企业，2011(07)： 1-2.

[4]蒋志魁.UNIPOL聚烯烃PDS系统的运行优化及改造[J].化工管理，2013(06)： 60-63.

[5]葛骞，左琳，石媛媛，等.2014年我国聚丙烯生产现状与2015年展望[J].当代化工，2015，44(05)： 1029-1031.

[6]张江维.基于双CPU的冗余控制研究与实现[J].机电工程技术，2005，34(04)： 64-65.

[7]于蒙，邹志云，赵丹丹，等.基于PLC和触摸屏的自动阀门测试控制系统设计[J].石油化工自动化，2013，49(03)： 38-40.

[8]钟泰安.聚丙烯装置PLC紧急停车/连锁报警系统介绍[J].石油化工自动化，2000，36(02)： 24-26.

[9]姬景丰.全密度聚乙烯装置控制系统的设计[J].科技创新与应用，2013 (26)： 43-44.

[10]余俊杰，张伟，夏玲，等.PLC与人机界面在组网控制中的应用[J].化工自动化及仪表，2014，41(03)： 344-346.

[11]王嘉骏，李良超，顾雪萍，等.搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展[J].化工设备与管道，2012，49(01)： 1-4.

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)01-0022-05

作者简介：隋欣(1983—)，男，2005年毕业于西安工业大学测控技术与仪器专业，获学士学位，现就职于华陆工程科技有限责任公司电控室，从事自动化控制及仪表专业的设计工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-11-11，修改稿收到日期： 2015-12-10。