緊急停車系統在FCCU反應再生過程中的應用

李 鳴 梁 英

(南昌大學環境與化學工程學院，江西 南昌 330031)

0 引言

催化裂化裝置(fluid catalytic cracking unit，FCCU)反應再生過程主要用來完成原料油裂化和催化劑的再生工作，它的安全運轉是整個裝置安全生產的必要前提。

為了最大限度地降低裝置惡性事故發生的概率，避免重大經濟損失，對FCCU反應再生過程采用高可靠性的緊急停車(emergency shutdown，ESD)系統來進行連鎖保護控制是很有必要的[1]。

本文在深入了解FCCU反應再生過程工藝及設備特點的基礎上，設計了一套基于S7-3000 PLC的緊急停車系統。

1 工藝及連鎖邏輯關系

1.1 FCCU反應再生過程工藝簡介

FCCU一般由反應再生、主風機、分餾、壓縮機、吸收穩定和余熱鍋爐等部分組成，其工藝流程如圖1所示[2]。

圖1 FCCU工藝流程圖Fig.1 Process flow of FCCU

1.2 連鎖邏輯的設計

根據FCCU反應再生系統的進料流量低限、反應溫度低限、兩器差壓超限、主風流量低限和增壓風流量低限，設計了反應器進料自保、兩器自保、主風低流量自保、主風機組自保和增壓風低流量自保這5項ESD系統自保項目。

1.2.1 進料自保連鎖邏輯

當反應進料流量低于某一下限值時，兩器壓力平衡被破壞，催化劑循環受阻，甚至還會發生催化劑倒流現象，使油氣大量帶入再生器而引起事故[3]。因此，選用進料流量低限或反應溫度低限作為連鎖條件。當反應器-再生器差壓、主風流量、主風機組、增壓風流量均正常，而反應器進料流量或反應溫度達到低限時，啟用進料自保系統。進料自保連鎖邏輯如圖2所示。

圖2 進料自保連鎖邏輯圖Fig.2 Interlock logic of feeding protection system

事故排除后，須對反應進料自保進行復位，但須在兩器自保、主風低流量自保和主風機組自保均已復位的前提下進行。

1.2.2 兩器自保連鎖邏輯

在催化裂化裝置FCCU反應再生過程中，兩器差壓超限將破壞其壓力平衡，引起油氣互串，嚴重時還會引起爆炸等事故，故將兩器差壓超限作為兩器自保連鎖條件。當兩器差壓持續超限，難以維持正常操作時，啟用兩器自保，同時帶動進料自保啟動。同樣，事故排除后，須對兩器自保進行復位。當兩器差壓正常后，進料自保進行復位。兩器自保連鎖邏輯如圖3所示。

該馬爾可夫過程在第[tk+(l-1)T0]秒時的過程元A′[tk+(l-1)T0]的一步傳導轉移過程元變化為

圖3 兩器自保連鎖邏輯圖Fig.3 Interlock logic of reactor-regenerator self-protection

1.2.3 主風低流量自保連鎖邏輯

當主風流量下降至低限時，啟用主風低流量自保。同時，帶動進料自保、兩器自保、增壓風自保和主風機組自保啟動。催化裂化主風低低流量檢測元件宜采用3取2配置或2取2配置，本文選用3取2的配置方式。主風低流量自保連鎖邏輯如圖4所示。

圖4 主風低流量自保連鎖邏輯圖Fig.4 Interlock logic of main air flow low self-protection

1.2.4 主風機組自保連鎖邏輯

煙氣輪機、軸流風機和電動/發電機(簡稱“三機組”)是目前在FCCU中應用較多的主風機配置方案[4－5]。本文的主風機組自保連鎖邏輯主要有：機組啟動邏輯、機組自動操作邏輯、安全運行邏輯和緊急停車邏輯，具體介紹如下。

①機組啟動邏輯，主風機組緊急停車后需延遲15 min，待“預啟動檢查可進行”指示燈亮后再啟動。啟動前還應對機組進行盤車[6]，只有當盤車運轉停止時，才能進行機組的再次啟動。機組的啟動條件可通過操作面板上的“預啟動檢查按鈕”來進行操作，主要包括潤滑油壓力正常(＞0.25 MPa)、動力油壓力正常(＞12.0 MPa)、潤滑油冷卻器出口溫度正常(＞25℃)、靜葉在22°位置、反喘振放空閥全開、主風機出口止回閥和單向閥均關閉、煙機入口蝶閥和閘閥均關閉以及盤車運轉停止等條件。當以上條件均滿足時，系統處于“啟動待命”狀態[2－5]。

②機組自動操作邏輯，為便于做各方面檢查，在機組啟動成功后應保持5 min，5 min后“自動操作可進行”指示燈亮[1－2，5]，按下操作面板上的“允許自動操作”按鈕，機組進入“自動”運行狀態，反喘振放空閥的調節解鎖;開啟主風機出口單向閥和止回閥;靜葉調節器解鎖;煙機入口蝶閥投自動。

③機組安全運行邏輯，安全運行是指機組在正常運行中因裝置操作需要或機組本身原因，暫時停止向再生器供風而主風機不停時的一種“自保運行”狀態[2，5]。當按下“手動安全運行”按鈕，或裝置主風機低流量自保動作，或主風機入口低流量，反喘振保護失靈，或進入逆流狀態時，機組將進入安全運行。此時，靜葉關至22°，主風機出口止回閥關閉，防喘振閥全開，煙機入口蝶閥和閘閥全關[7]。

④機組緊急停機邏輯，當手動緊急停車開關處于“ON”狀態、機組轉速超限、潤滑油壓力過低、動力油壓力過低、主風機軸位移過大、主風機持續逆流、煙氣輪機軸位移超限中任何一項或幾項連鎖條件發生時，裝置將急停主風機組。

事故排除后，機組自保復位。機組恢復正常后，進料自保、兩器自保、主風機低流量自保和增壓風自保按規程復位。

1.2.5 增壓風自保連鎖邏輯

當增壓風流量下降至低限或增壓機故障時，啟用增壓機自保，關閉增壓風阻尼單向閥，迅速打開事故蒸汽閥，以保證在增壓風中斷后能維持待生催化劑線路中的壓力平衡，防止反應再生系統催化劑停止循環[3]。

2 ESD系統硬件配置選型

2.1 PLC容量的確定

PLC選型前首先要確定PLC的容量，包括I/O點數和用戶存儲器容量。

FCCU反應再生過程中，ESD系統的控制點規模如下：DI 50點、DO 50點、AI 54點、AO 26點。為便于系統的升級，I/O點數可取10% ～15%的裕量[6]，本系統取10%。因此，實際配置 DI 55點、DO 55點、AI 60點、AO 29點。根據經驗，每個I/O點及有關功能器件所占的內存大致如下[6]：

式中：MC為所需存儲器容量，kB;DI為數字量輸入點總數;DO為數字量輸入點總數;AI/AO為模擬量輸入/輸出通道總數;CP為通信接口總數。

由式(1)及系統I/O點規模可得存儲器容量為2.4 kB，按30%的裕量[6]，本系統所選 PLC 機型的存儲器容量至少為3.12 kB。

2.2 系統硬件配置

本系統選用西門子S7-300 PLC來進行ESD的設計。它不但能滿足以上容量需求，且其用戶可根據系統需求來自行選擇I/O點數及模塊種類和數量，具有配置靈活、擴展方便和硬件可靠性高等優點。

FCCU反應再生過程ESD系統結構如圖5所示。系統采用3級控制體系，即現場級、控制級和監視級，各級之間通過冗余的通信網絡來連接。

圖5 ESD系統結構圖Fig.5 Structure of ESD system

現場級采用2組冗余配置的ET200M分布式I/O站;控制級中CPU采用雙冗余配置，它是整個系統的核心部分;監視級采用1個操作員站和1個工程師站。ET200M從現場采集實時信號，通過Profibus總線上傳到控制級PLC中?？刂萍壷?，主備CPU具有相同的用戶程序，它們同時參與控制運算和數據處理，并通過工業以太網向監視級操作員站上傳數據，接收操作員站的操作指令或接收工程師站的系統組態信息和工程下載文件，完成系統組態。正常情況下，主CPU通過Profibus總線把連鎖控制信號傳送到執行機構，指揮系統執行相應的動作;當主CPU發生故障時，備用CPU自動接替主CPU的工作。系統硬件配置選型如下所示[7]：監視級采用2塊以太網卡CP1613，選用的標準工具軟件有 SIMATIC NET V6.2、STEP7 V5.4 和WinCC V6.0;控制級主機配置2塊PS 307 5A電源、2塊CPU315-2DP和2塊通信模塊CP 343-1;遠程I/O站選用帶有源背板總線的ET200M，并配置4個接口模塊 IM153-2、4 塊 SM321 DI16、4 塊 SM322 DO16、8 塊SM331 AI8和4塊SM332 AO8。

3 系統組態及通信網絡

根據系統結構及硬件選型，在SIMATIC MANAGER中對系統進行組態。

控制級與ET200M站的組態過程具體如下：首先，創建名為“300-Redundancy”的項目，并插入2個S7-300站，即主站“Master”和備用站“Reserve”;分別對主站和備用站進行硬件組態，雙擊打開HW Config對話框，添加相應的機架、電源、CPU和通信模塊，并設定CPU上Profibus-DP主站的地址為3;添加CP1613并設定IP網絡地址和MAC地址;在“Master”站的Profibus DP下添加4 個ET200M 站(地址分別為4、5、6、7，其中4 和6，5和7互為冗余)，為各站配置相應的I/O模塊，并在“Reserve”站中通過“Insert Redundant”將“Master”站的ET200M復制到“Reserve”站中。組態完后，編譯并下載相關文件到PLC中。

監視級組態具體如下過程：在項目中插入名為“ES”的 PC 站，然后分別插入 Application、CP1613、OPC Server，設定以太網卡的網絡配置參數;在Configuration Console中對CP1613進行組態，并設置相應的槽號;進入Station Configuration Editor對CP1613進行編輯，并在相應槽位上添加Application，至此組態完畢。

硬件組態完畢后，可通過點擊HW Config窗口中的“組態網絡”圖標進入網絡組態界面。在“NetPro”窗口中選中CPU 315-2DP所在的小方框，點擊鼠標右鍵，在快捷菜單中選擇“插入新連接”，為CPU 315-2DP插入一個連接類型為“ISO-on-TCP”的連接伙伴“CPU 315-2DP”，從而建立PLC之間的以太網連接。用同樣的方法建立PLC與監控級PC機的以太網連接。至此網絡組態完畢，保存并編譯后將其下載到PLC中。然后，打開 WinCC，建立連接，設置相應的 Application name和Connection name，這樣就實現了PLC與上位機的通信。

4 結束語

本文通過對FCCU反應再生過程設備特點及安全要求的研究，設計了一套可靠性高、安全性好、擴展方便靈活的 ESD 系統[8－10]。

該系統可在緊急情況下對裝置實現連鎖保護，避免惡性事故發生和重大經濟損失，對安全生產具有重要的意義。

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[2]劉英聚，張韓.催化裂化裝置操作指南[M].北京：中國石化出版社，2005.

[3]馬伯文.催化裂化裝置技術問答[M].北京：中國石化出版社，1993.

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[5]武英平，趙鳳軍.PLC在催化裂化裝置主風機自保中的應用[J].化工自動化及儀表，2002，29(3)：59 －62.

[6]朱錦智.煉油催化裂化主風機組控制系統原理及技術[J].自動化儀表，2005，26(5)：39 －42.

[7]吳頤軒，趙巖.緊急停車系統在催化裂化裝置主風機組中的應用[J].風機技術，2005(5)：54 －57.

[8]高欽和.PLC應用開發案例精選[M].北京：人民郵電出版社，2008：65 －68.

[9]鄭璇.催化裂化反應故障診斷系統的研究與開發[D].北京：北京化工大學，2009.

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