烯烃转换装置联锁逻辑设计

于松涛，李德刚

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

烯烃转换装置OCU(olefin conversion unit)的监控点数量多、控制要求高，为了实现故障时能够及时保护人员、设备和环境安全，针对OCU装置中的工艺流程特点、控制要求和管理要求，设计了一系列的安全联锁逻辑，以提高该装置的安全生产水平和自动化管理水平。

1 OCU装置特点

1.1 工艺流程

某项目OCU装置利用上游MTBE装置的醚后碳四和乙烯装置下游MTBE/丁烯-1的混合碳四作为产品原料，经丁烯-2与乙烯进行烯烃转换反应后，生成聚合级丙烯产品，以及副产品异丁烷和碳四以上重组分。

该装置包括： 碳四原料预处理、碳四选择加氢、反应精馏、烯烃转换及分离、再生气系统等[1]5个单元，涉及静设备62台，动设备24台，加热炉2台。

1.2 联锁要求

根据OCU装置流程特点及影响的不同部位，紧急停车实施针对性的处理措施，即相关部位实施停车时，其他部位维持运行状态或自回流、自循环状态；一旦紧急状态解除，可迅速恢复生产。在OCU装置中，触发联锁逻辑的信号分为3类：

1)全厂总停信号。该信号是1个快速隔离信号，主要用于装置发生重大事故(如大型火灾等)时，及时切断进出装置的物料，将装置置于安全停车状态。全厂总停信号主要包括： 全厂电源故障、仪表风压力低低、乙烯装置丙烯制冷机故障。

2)紧急停车信号。该信号是区域的或者单元的急停信号，是为了保护设备、机泵而采取的紧急措施。

3)工艺联锁信号。该信号是在生产过程中工艺参数达不到或者超出设定值时，为保护人员、设备和环境安全而采取的紧急措施，目的是为了避免产生严重后果。

2 联锁逻辑设计

2.1 碳四原料预处理单元

该单元的主要作用是脱除碳四原料中的杂质，主要设备有： 原料水洗塔、脱二甲醚塔、原料处理器及其辅助的缓冲罐、废水闪蒸罐、冷凝器、回流罐等[2]。在该单元中，为防止烃类原料进入废水系统，需要监控碳四原料水洗塔液位、碳四原料水洗塔塔顶缓冲罐液位。如果出现异常情况，需及时关断废水排出阀、废水开关阀，并且关停水洗塔废水泵。

2.2 碳四选择加氢单元

该单元的主要作用是对原料中的丁二烯进行选择加氢，从而生成中间产品正丁烯。在该单元中，主要有选择加氢进料缓冲罐、选择加氢反应器进料加热器、2台碳四选择加氢反应器(一用一备)、选择加氢反应器出料冷却器。

由于加氢过程是放热反应，在正常操作状态下，催化剂床层会出现温度升高的情况。为了避免操作温度超过设计温度造成催化剂和反应器破坏，在碳四选择加氢反应器的5个催化剂床层分别设置了3个柔性测温点，同时监控反应器出口碳四的温度。当温度高高时，关闭反应器进料管线切断阀、流量控制阀，关闭氢气进料切断阀、流量控制阀；同时关闭低压蒸汽管线切断阀、流量控制阀。另外，如果在再生状态下，当出口再生气温度高高或者反应器床层温度高高时，还要关闭加热炉空气管线控制阀和切断阀，同时激活加热炉联锁逻辑。

2.3 反应精馏单元

经过加氢以后的物料进入反应精馏塔，从塔顶脱除异丁烷和异丁烯，而塔底合格的碳四去烯烃转化进料处理器。该单元有脱异丁烷塔再沸器凝液罐、脱异丁烷塔再沸器、脱异丁烷塔、脱异丁烷塔釜出料冷却器、脱异丁烷塔回流罐、脱异丁烷塔冷凝器、脱异丁烷塔顶不凝气冷凝器。

脱异丁烷塔在操作状态下，为了防止由于催化剂床层处反应不能控制，使该处的温度超过设计温度，导致设备和催化剂的破坏；当催化剂床层温度高高时，关闭脱异丁烷塔氢气进料切断阀。另外，当脱异丁烷塔出口管线压力高高时，需要阻止塔底再沸器的蒸汽供应，并关闭催化剂床层氢气进料的切断阀、流量控制阀，以及关闭塔釜再沸器蒸汽管线切断阀和流量控制阀。

2.4 烯烃转化及分离单元

经过混合后的碳四原料加压后与乙烯原料混合，进入烯烃转化进料处理器；物料经过烯烃转化反应器后进入乙烯回收塔，在乙烯回收塔中分离出乙烯等轻组分，塔底的物料进入丙烯产品塔[3]。在丙烯产品塔中可以得到的产品有： 聚合级丙烯产品、循环碳四、碳四以上重组分等。该单元包括碳四缓冲罐、烯烃转化进料混合器、2台OCT反应器进料处理器、烯烃转化反应器进出料换热器、烯烃转化反应器进料加热炉、2台烯烃转化反应器(一用一备)、乙烯回收塔、丙烯塔等。

在该单元中，烯烃转化反应器是核心设备，当加热炉失控、加热炉出口温度高、反应器温度高发生时，都会造成设备或催化剂的破坏，因此在每台反应器的4个不同催化剂床层分别设置了3个温度检测点，当温度高高时，关闭反应器进出口阀门，同时打开反应器紧急泄压阀，给反应器降压；同时切断燃料气供应，隔离并给加热炉降压，用氮气吹扫加热管。

2.5 再生气系统单元

该装置的处理器及反应器内的催化剂、吸附剂，使用一段时间后需要进行再生操作。该装置中共有2套再生系统，分别用于处理器的再生操作和反应器的再生操作。处理器再生系统的设备主要有： 再生气压缩机、电加热器、进出料换热器、循环水冷却器等；反应器再生系统设备主要为1台再生气加热炉。

在该单元中需要保护加热炉，当加热炉出口管线工艺气温度高高、加热炉入口流量低低、主燃烧器燃料气压力高高或低低时，都须关闭主燃料气切断阀、打开泄放阀，避免加热炉超压。

3 联锁逻辑实现

3.1 安全仪表系统要求

该装置的安全仪表系统(SIS)采用TRICON的三重化冗余、容错控制系统[4]，该系统输入输出模件采用了三重化(TMR)结构[5]，符合SIL3安全等级要求，同时带光电或电磁隔离，带故障诊断。SIS的安全联锁独立于分散控制系统(DCS)设置。

SIS安全联锁系统分别设有工程师站和事件顺序记录(SER)站。工程师站主要用于SIS安全逻辑画面的编辑、修改和组态，系统故障诊断、系统状态监测；另外还可以实现离线或在线组态、设置参数、下装以及系统维护。SER站用于记录SIS检测到的各类过程事件，过程事件可以从SIS中检索出来，然后用于在线查看，或者直接打印成文件，或者存储到硬盘中方便今后分析。在该系统中工程师站和SER站可互为备用。

SIS安全联锁系统中模拟量或数字量的输入、输出信号点数，是选择SIS和I/O设备的主要依据。根据OCU装置联锁逻辑的控制要求和功能，SIS安全联锁系统所需要的I/O点数见表1所列。

表1 SIS安全联锁系统I/O点数统计

在进行I/O点数配置时，考虑了15%～20%的余量，便于系统日后的修改或升级。SIS拓扑结构如图1所示。

图1 SIS拓扑结构示意

3.2 工艺操作旁路开关

根据工艺操作的要求，在辅助操作台上设置了工艺操作旁路开关，采用硬接线方式接入SIS。在SIS操作员站和辅助操作台上显示、记录旁路操作，提醒异常状态。在旁路预订时间到达时，发出报警提示。

3.3 仪表维护旁路开关

按联锁单元或联锁逻辑块要求，对输入条件设置了仪表维护旁路开关。仪表维护旁路开关采用软旁路开关的方式，设置在SIS操作员站。通过SIS操作画面将仪表维护旁路开关置位，并设置操作级别。当仪表维护开关旁路时，设置允许旁路时间；当允许旁路时间结束后进行报警提示。当仪表维护开关旁路未解除，则按照预设报警周期进行报警，直到旁路解除。

另外在辅助操作台上设置“允许旁路”开关，并通过硬接线进SIS；在“允许旁路”开关有效的前提下，仪表维护旁路开关才能起作用。

3.4 辅助操作台

在辅助操作台上设置紧急停车按钮和开关，采用硬线连接到安装在中心控制室的SIS远程I/O单元的DI卡上，通过冗余安全网络通信至现场机柜室内的SIS控制器，进行逻辑运算。

1)紧急停车按钮、选择开关、复位开关、报警灯屏等，通过硬线连接到中心控制室SIS机柜。

2)紧急停车按钮设置为双位置型，标识为红色并带有操作保护。

3)停车复位按钮采用非保持型，标识为绿色。

4)工艺操作旁路开关和“允许旁路”开关，设置为带锁式，标识为黄色。

5)信号报警灯屏带第一信号记忆型，并设有确认、复位、屏蔽、测试按钮。

3.5 联锁逻辑

在该装置的联锁逻辑中，需要参与联锁的切断阀、控制阀共161台；参与联锁的泵、加热器共24台。设计的联锁逻辑数量共46个，其中整个装置联锁逻辑有3个；碳四原料预处理单元联锁逻辑有8个；碳四选择加氢单元联锁逻辑有4个；反应精馏单元联锁逻辑有6个；烯烃转换及分离单元联锁逻辑有19个；再生气系统单元联锁逻辑有6个。

4 结束语

本文通过对OCU装置工艺流程的介绍，分析了每个单元的联锁要求，利用TRICON系统实现了SIS安全联锁逻辑设计。当出现紧急情况、工艺参数达到设定值、设备发生故障时，都可以触发联锁动作，实现人身保护、环境保护、工厂和设备保护的功能。