MDI装置的仪表选型和自动化方案

2023-09-12赵树海

仪器仪表用户 2023年10期

关键词：机柜仪表报警

赵树海

（连云港沃利工程技术有限公司北京分公司，北京 100012）

0 引言

一般化工工艺流程复杂，会涉及易燃、易爆等危险化学品，产品的质量、产量、能耗及装置的安全生产与测量仪表、自动化系统及安全保护系统的可靠性和先进性密不可分。

随着科技的发展及自动化程度的不断提高，测量仪表自动化系统在化工生产中得到更加广泛地应用。选择使用的测量仪表，保障其测量精度和稳定性对于提升工业生产的自动化水平，进一步降低劳动强度具有至关重要的作用。

MDI装置的工艺物料又有其独有特性，结合工艺安全的要求，为达到对过程变量进行可靠、优质的测量或控制，实现装置安全、稳定、高效运行，以及为工厂设备、人员和环境提供保护和最大限度减少损害。本设计采用了集散控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）、气体监测系统（GDS）、成套机组PLC以及现场仪表和阀门等。

本文分为3部分，工艺技术特点、仪表选型和自动化方案，对该装置进行阐述，提出一些经验供同行参考。

1 工艺技术特点

该MMDI装置主要是将粗MDI混合物经过脱气、高真空精馏、提纯、分离等工序，产出PMDI（聚合MDI）、MI和ME（单体MDI）[1]，送至下游产品罐区储存。

1.1 MDI化学性质

1）形成二聚体

MDI倾向于在所有温度下与自身反应并形成脲二酮（通常称为“二聚体”）。在43℃时，ME（4,4′单体MDI）的二聚体形成速度最慢，预计保质期可达两周。超过此期限后，二聚体浓度将达到最大，成为不合格产品。

2）聚合反应

在高温下，例如在精馏塔中，MDI会形成高分子量聚合物。

MDI的聚合程度取决于温度和暴露在高温下的时间。较短的暴露时间会导致产品的粘度和分子量略高。

但是，如果产品在高温（约200℃及以上）下长时间留在管道、容器或换热器中，则会发生聚合并完全堵塞设备，聚合过程形成的CO2积聚会导致高压。

由于这些原因，应尽一切努力尽量减少产品在高温容器中的停留时间，并在整个管道中避免形成低袋。

3）可水解氯化物

可水解氯化物是在MDI反应过程中形成的一种杂质，其非常影响MDI的反应性。在高温下，它们分解成异氰酸酯和氯化氢。

4）水汽

与其他异氰酸酯一样，MDI与水会反应形成尿素和CO2。尿素是不溶性固体，可以堵塞管路、泵等。因此，须采取措施防止MDI接触到水，将所有设备干燥至-40℃的露点并保持系统的气密性，以防止尿素形成。

1.2 工艺安全

1）主要危险化学品

根据GB50493-2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》和“危险物料特性一览表”，氯苯（C6H5Cl）和氨（NH3）需要识别为可燃气体，进行检测。《高毒物品目录》卫法监发[2003]142号所列氨（NH3）需要识别为有毒气体，进行检测。可燃气体/有毒气体的状况见表1，氯苯、氨为重点监管危险化学品。

表1 主要危险、有害物质状况表Table 1 Main hazardous and hazardous substance conditions

2）SIL定级

HAZOP-LOPA（SIL）分析报告MMDI装置系统提出x项SIL2和x项SIL1的联锁控制要求，见表2部分联锁要求。

表2 SIS控制联锁要求Table 2 SIS Control interlock requirements

3）紧急切断阀

根据该项目的《安全评价报告》，该装置不构成重大危险源，不涉及重点监管的危险化工工艺，只有装卸站根据GB50160的第6.4.2条第5款设置了紧急切断阀。

在距离装车鹤位10m以外的装车管道上设置了紧急切断阀，当槽车起火时，可立即切断进料，防止和控制槽车火灾的蔓延与扩大。

2 仪表选型

该装置和其他化工装置的自动化仪表方案和选型原则类似，按照工艺过程条件（包括温度、压力、流量、黏度、腐蚀性、毒性等因素）选择合适类型的仪表[2]，确定仪表部件的材质和量程。主要现场仪表和阀门包括：温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、液位测量仪表、调节阀和开关阀、紧急切断阀。

现场仪表设备优先采用本安型，也可采用隔爆型、增安型和正压通风等防爆技术。所有现场安装的仪表和盘柜防护等级不低于IP65。

仪表空气由装置空气在装置界区处引出，仪表空气的参数见表3。

表3 仪表空气参数表Table 3 Instrument air parameters table

所有仪表（气动变送器、定位器、阀门和阀门执行器）应设计为在4.5barg的最低压力下工作，最大额定工作压力7barg。

现场仪表的电源采用24VDC的低功耗类型。

爆炸危险环境中，非本安系统的现场仪表金属外壳应实施保护接地。现场仪表的工作地（屏蔽线和电源负极）应在系统侧单点接地，现场接线箱控制盘柜保护接地就近接入附近装置接地网络，接地导线采用25mm2黄绿线。电缆桥架的连接处和伸缩节处应跨接，其首尾两端及每隔30m需与接地网相连，接地导线采用25mm2黄绿线。仪表及控制系统采用网型结构，机柜间内仪表及控制系统的工作接地和保护接地均就近直接接到该网型接地排[5]。

2.1 温度测量仪表

根据工艺条件，该装置最大操作温度300℃，因此热电阻RTD可以满足温度测量的需求。RTD均采用锥形套管安装方式，套管与管道的过程连接为1.5"法兰，如果测量管道直径小于3"，可以选择安装在弯管上，否则应扩管至3"。

管道接管长度，非夹套管为180mm，夹套管为210mm。套管插入深度“U”应符合表4的数值。

表4 温度套管插入深度Table 4 Insertion depth of temperature sleeve

就地温度指示选用双金属温度计，振动工况下表盘充液。

2.2 压力测量仪表

工艺介质（CMDI，PMDI，ME and MI）应使用密封膜片，但是由于潜在的泄漏和温度变化问题，应避免在真空工况下使用远程膜片密封差压变送器。

测量蒸汽或高温（操作温度＞60℃）蒸气时，压力表宜为带冷凝弯直接安装，压力变送器宜为带膜片密封直接安装。

测量高温（操作温度＞60℃）液位或气体时，压力表宜为带冷却塔直接安装，压力变送器宜为分体安装。

零点正、负迁移应在传感器全量程范围内进行校准。

压力变送器或差压变送器用在SIS场合中，在设计阶段应考虑根部阀或阀组的上锁方式。

真空测量宜采用绝压变送器，低压或微负压宜采用一端连通大气的差压变送器，在连通口配置过滤网以防止固体颗粒和昆虫进入。

2.3 流量测量仪表

该装置主要使用的流量测量仪表有孔板流量计、阿牛巴流量计、转子流量计、涡街流量计、电磁流量计、质量流量计。

如果需要压力和温度补偿，应通过安装现场压力仪表和温度仪表并在DCS中进行计算来完成，也可以使用多变量流量计在流量计中进行计算。

质量流量计的设计，测量液体时应保证满管，测量气体或蒸气时安装在可以放净的位置。尺寸选择应满足最大满量程位于仪表量程的上三分之一，除非压损大于30kPa，则考虑尺寸大一级的流量计。

涡街流量计的校正系数应基于实际的管道壁厚，最小流量应大于下流量阈值，小流量切除应小于量程的10%，并可调。应具有抗振功能，避免安装在振动管道上。

转子流量计的厂家标准管和浮子的正常流量测量值应在量程的中间三分之一。对于吹扫流量计，应在出口处安装止回阀以防止回流，如果需要调节流量，应在入口安装针型阀。对于工艺介质，刻度应为0%～100%，流量计在100%流量时的校正系数应刻在刻度盘上。吹扫流量计的刻度应为直接读取的流量值，气体为空气（Nm3/h），液体为水（m3/h）。

如果选定孔板作为流量元件，计算书要求管道尺寸小于2"时，应选用内藏孔板。如果要求较低的压损和较低的成本，并且可以接受较低的精度，阿牛巴流量计可以是孔板的一个替代品。

2.4 液位测量仪表

一般来说，差压变送器和雷达应用于连续液位测量。该装置还用到了浮筒液位计、核子液位计和磁翻板液位计。

真空对象、易汽化的液体，测量范围2000mm以内，密度范围为0.5g/cm3～1.5g/cm3的液体液位测量，可选用浮筒式液位计。为了便于维护，浮筒液位计安装宜采用外置旁通管。

如有凝液产生，则雷达天线应选用不积聚凝液的形状或采用导波雷达（导波杆或绳）测量。非接触式雷达可用于储罐液位的测量。

音叉液位开关应设定少量几种探头的长度，以减少备件的数量。

核子液位计用于测量精馏塔底或塔盘液位，其优势主要体现在以下3个方面[3]。

1）不与物料直接接触，避免了自聚物黏附在测量器件上，影响测量精度。

2）核子射线源稳定可靠，不需要太多的维护。

3）核子液位计可以根据不同的密度区分出液体和泡沫的分界线，这对防止升高的泡沫堵塞釜顶管线及釜顶冷凝器起到了关键的作用。

核子液位计选型要点：

a）规格书上应提供完整的设备参数、工艺参数、保温层数据等。

b）优先选用Cs-137放射源，采用外置式安装。

c）空高大于2m的物位计，应设置平台或人行爬梯，便于维护。

d）设备上预留放射源、探测器支撑点，不应阻挡射线通过。

e）预留足够的办理环评、放射源转让、运输的时间，一般应留180天。

f）在爆炸危险场合，仪表必须在传感器端接地。

g）放射防护。

2.5 调节阀和开关阀

调节阀一般应是气动薄膜式截止阀或蝶阀（大口径8"及以上），开关阀一般为球阀或旋塞阀。易凝固的工艺介质选夹套阀，蒸汽伴热。

控制用截止阀和蝶阀的泄漏等级可为IV级（依据GB/T17213.4《工业过程控制阀第4部分：检验和例行试验》）。开关球阀和旋塞阀的泄漏等级一般应为A级（依据EN12266），对于非SIS应用，硬密封阀座开关阀的泄漏等级可为B级（依据EN12266）。

阀门的所有承压部件包括阀盖、盲板和螺栓、螺母、垫圈等应符合管道材料规定，阀芯的材料最低应为316SS。

调节阀应按GB/T17213测试，切断阀应按GB/T24680，EN12266测试。供应商应提供测试证书。

一般来说，在0℃及以下或400℃以上的场合，由于管线保温层的缘故，应采用延伸阀盖。温度在-18℃～200℃，应采用特氟龙v-ring填料。温度在200℃～399℃，在产品质量允许的情况下通常采用石墨填料。

2.6 紧急切断阀

球阀、旋塞阀和蝶阀均可用于紧急切断阀，不选用截止阀。

位于火灾危险区内并用于驱动和控制远程切断阀的电源电缆和信号电缆应选用符合GB/T19666-2019《阻燃和耐火电线电缆或光缆通则》标准的耐火型电缆或按其耐火要求做电缆耐火保护。

紧急切断阀的阀体应符合API607或API6FA耐火试验标准。

紧急切断阀应选用金属密封阀座及阀内件，带防火垫片及增强型柔性石墨填料。

在火灾危险区外，设置操作按钮，用于紧急情况下关闭阀门。

3 自动化方案

根据装置规模、流程特点、运行要求、管理模式等因素，以及工艺安全和操作的需要等统筹考虑自控系统水平。本次设计的控制系统包括：集散控制室系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）及可燃和有毒气体监测报警系统（GDS），综合考虑实用性、可靠性、可用性并兼顾现有系统的兼容性。

根据该装置的I/O点数（1000左右），和各系统DCS、SIS、GDS独立设置的要求。为该装置新建机柜间B335，现场仪表信号集中到接线箱，然后通过主电缆接入机柜间，机柜间设置8面DCS机柜、1面SIS机柜和1面GDS机柜。全厂中央控制室B130利旧，在B130新增1台DCS操作站和1台工程师站、1台SIS工程师站和1台GDS工程师站及网络设备。DCS与SIS和GDS的通讯采用Modbus TCP协议。

DCS和GDS系统均采用单相230VAC、双回路供电，一路UPS和一路非UPS。SIS系统均采用单相230VAC、双回路UPS供电。

3.1 集散控制系统（DCS）

该装置在新建机柜间设置DCS系统，主要功能包括：①采集现场仪表数据；②执行常规控制，常规控制是系统提供商的标准功能，有PID控制、串级和比值控制、计算功能、爬坡、数字量控制，与第三方控制器通讯等；③执行装车过程的顺序控制程序；④提供实时的交互式显示和操作员界面；⑤数据收集、归档、报表及历史数据库；⑥过程和系统诊断报警；⑦执行非关键安全联锁。DCS系统是实现整个过程控制的核心和大脑，现就其采集数据、控制对象以及与其他系统的通讯说明如下：

现场模拟量数据的采集，如产品介质温度、流量及压力，采用4mA～20mA电流信号再叠加HART协议的方式，在需要的情况下，HART协议可以访问其他过程参数、设备组态、校准、诊断信息。

现场开关量信号，如阀位反馈、按钮及开关等，采用硬接线的方式。

与DCS系统通讯的有：安全仪表系统（SIS）、可燃气体报警系统（GDS）以及成套机组的PLC，采用Modbus TCP协议通过以太网线连接。

3.2 安全仪表系统（SIS）

在正常情况下，SIS系统是处于静态的，不需要人为干预。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由SIS发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

采用经过TUV/IEC安全认证的双重化或三重化可编程程序控制器完成本装置的紧急停车和安全联锁。安全联锁系统独立于DCS系统和其他子系统单独设置，采用故障安全型设计，确保装置的安全性和可靠性。所有SIS系统的过程变量、过程报警、旁路、复位等信号能在DCS操作站上显示。SIS系统在中控室设置一台工程师站，在中控室设计一个辅操台，紧急停车按钮信号通硬接线连接到SIS机柜。

3.3 可燃有毒气体检测报警系统（GDS）

GDS系统由气体探测器、现场区域报警器和报警控制单元组成[4]。可燃探测器的一级报警设定值为25%LEL，二级报警设定值为50%LEL。当检测到泄漏在空气中的可燃气体含量达到二级报警设定值时，报警控制单元启动现场区域报警器并在模拟盘上显示报警状态。只到达一级报警设定值时，仅在模拟盘上显示报警状态。

可燃气体二级报警信号及报警控制单元的故障信号送至火灾报警系统。

可燃气体检测报警系统结构框图如图1所示。

图1 气体检测报警系统结构框图Fig.1 Structure block diagram of gas detection and alarm system

GDS系统报警控制单元采用独立设置的以微处理器为基础的电子产品，应选用成熟可靠的产品。参与消防联动的报警控制单元，应采用取得国家消防电子产品质量监督检验中心型式检测报告的专用可燃气体报警控制器。GDS系统必须支持冗余的网络连接控制器与工程师站和操作员站，支持与DCS之间的冗余通信。GDS系统的I/O卡件必须符合G3防腐标准，能在腐蚀性工业环境中运行。GDS系统的关键回路选用冗余I/O配置，GDS系统的I/O必须支持回路监测功能。

可燃气体探测器必须取得经国家指定机构或其授权检验单位相应的计量器具制造认证、防爆认证和消防认证。可燃气体探测器带一体化声光报警器，一体化声光报警器的启动信号采用第一级报警设定值信号。

现场区域警报器的报警声级不低于110dBA，区域警报器的启动信号采用第二级报警设定值信号。