全密度聚乙烯裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：簡單介紹了全密度聚乙烯裝置(Unipol工藝)的工藝流程，針對聚乙烯裝置主要環(huán)節(jié)對控制的要求，闡述了裝置控制系統(tǒng)的選型及基本配置方案。

關(guān)鍵詞：全密度聚乙烯裝置；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

引言

大慶石化公司120萬噸/年乙烯工程全密度聚乙烯裝置(II)2010年10月完成詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，于2012年8月一次開車成功。該裝置工藝流程較短，聚合反應(yīng)本身是壓力自限性的，沒有超壓危險(xiǎn)，但是各單元聯(lián)系緊密，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度要求較高。本文將根據(jù)裝置各環(huán)節(jié)要求、特點(diǎn)等介紹控制系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)。

1 工藝介紹

全密度聚乙烯裝置采用Unipol低壓氣相流化床聚合工藝技術(shù)[1]，主要以乙烯為原料，丁烯－1或己烯－1為共聚單體，氫氣為分子量調(diào)節(jié)劑，生產(chǎn)線性低密度聚乙烯和部分中、高密度聚乙烯顆粒樹脂，產(chǎn)品密度范圍0.915－0.965g/cm3。該聚合工藝采用異戊烷作為誘導(dǎo)冷凝劑，在冷凝模式下進(jìn)行操作，即聚合反應(yīng)過程中保持循環(huán)氣中凝液含量為10%wt左右，以提高反應(yīng)效率。

全密度裝置分為原料精制系統(tǒng)、聚合反應(yīng)系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)。

（1）原料精制系統(tǒng)

原料精制主要是對乙烯、共聚單體（丁烯和己烯）、氮?dú)獾冉橘|(zhì)中的一氧化碳、氧氣、二氧化碳、水和其它極性組分進(jìn)行處理，原料中雜質(zhì)濃度較高會(huì)影響整個(gè)工藝流程及最終產(chǎn)品質(zhì)量。共聚單體（丁烯和己烯）共用一套精制系統(tǒng)。來自界區(qū)的共聚單體進(jìn)入脫氣塔脫去輕組分，然后通過冷卻器冷卻，再由共聚單體進(jìn)料泵升壓后通過一個(gè)干燥器除掉水分和其它極性組分后進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。來自界區(qū)氮?dú)饨?jīng)催化劑床除去氧氣并通過干燥器除去水分，再采用氮?dú)鈮嚎s機(jī)將氮?dú)庠鰤撼筛邏旱獨(dú)?，最后?jīng)過濾器去除微粒雜質(zhì)送至反應(yīng)系統(tǒng)。來自界區(qū)的乙烯經(jīng)乙烯換熱器換熱，再經(jīng)預(yù)熱器加熱后進(jìn)入脫氧床脫氧，然后進(jìn)入一氧化碳脫除床去除一氧化碳，從一氧化碳脫除床出來的乙烯經(jīng)乙烯換熱器冷卻進(jìn)入干燥器除掉水分和極性雜質(zhì)，最后進(jìn)入催化劑床脫除CO2，送至反應(yīng)系統(tǒng)。脫氧/脫氣(CO，CO2)采用催化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)或合成反應(yīng)是化學(xué)吸收，脫水采用分子篩是物理性吸附，各精制床均需要周期性的再生。

（2）聚合反應(yīng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由反應(yīng)器\\循環(huán)氣冷卻器\\循環(huán)氣壓縮機(jī)組成。反應(yīng)原料及催化劑經(jīng)精制系統(tǒng)連續(xù)送至流化床反應(yīng)器中，進(jìn)行聚合反應(yīng)生成聚乙烯樹脂，粒狀產(chǎn)品經(jīng)排料系統(tǒng)間斷地排出。氣相物料通過離心式循環(huán)氣壓縮機(jī)和水冷式循環(huán)氣冷卻器連續(xù)地循環(huán)。循環(huán)氣使流化床得到了良好的返混，并將反應(yīng)原料帶至反應(yīng)區(qū)，同時(shí)將放熱反應(yīng)生成的熱帶走。反應(yīng)器有兩個(gè)排料系統(tǒng)，正常情況下交替操作，但也可單獨(dú)操作。每個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)產(chǎn)品出料罐和一個(gè)產(chǎn)品排出罐組成。當(dāng)反應(yīng)器床層達(dá)到一個(gè)預(yù)定的料位時(shí)排料系統(tǒng)（PDS）自動(dòng)啟動(dòng)。粉料產(chǎn)品連續(xù)地從產(chǎn)品出料罐中落到產(chǎn)品排出罐中，再由此直接送至脫氣系統(tǒng)的產(chǎn)品脫氣倉。反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置殺死系統(tǒng)，向反應(yīng)器內(nèi)注入一種可逆催化劑毒物可使聚合反應(yīng)部分或全部地停止。將毒物從床層中清除至火炬可使催化劑復(fù)活，反應(yīng)可迅速重新啟動(dòng)。

（3）回收系統(tǒng)

粉末狀樹脂從反應(yīng)系統(tǒng)傳送至一個(gè)立式樹脂脫氣倉。粉末狀樹脂經(jīng)脫氣倉旋轉(zhuǎn)加料器進(jìn)入造粒系統(tǒng)。排放氣從脫氣倉出來經(jīng)過一個(gè)保護(hù)過濾器，再通過低壓冷卻器。所有冷凝的液體收集在低壓集液罐中，殘留的排放氣進(jìn)入排放氣壓縮機(jī)。氣體從壓縮機(jī)出口經(jīng)過水冷高壓冷卻器和乙二醇高壓冷凝器。高壓冷凝液收集在高壓集液罐內(nèi)。冷凝的烴類由集液罐送回反應(yīng)器。

（4）造粒系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)

樹脂粉料（來自脫氣倉）和添加劑（添加劑系統(tǒng)配置）在連續(xù)運(yùn)行的混煉機(jī)中被融化并且混合在一起，熔融的樹脂經(jīng)熔融泵進(jìn)入水下造粒機(jī)，生成聚乙烯顆粒?？諝鈮嚎s機(jī)通過壓縮空氣至輸送管線把聚乙烯顆粒從造粒區(qū)輸送到包裝料倉區(qū)。包裝系統(tǒng)將來自包裝料倉的聚乙烯顆粒打包成袋，最終外銷。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體描述

全密度聚乙烯裝置整個(gè)工藝緊湊，反應(yīng)單元聚合反應(yīng)劇烈，精制單元、回收單元與反應(yīng)單元緊密關(guān)聯(lián)為一體，然造粒、添加劑、風(fēng)送及包裝又相對獨(dú)立。因此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分散控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）和可編程控制器（PLC）相結(jié)合的原則。

裝置分散控制系統(tǒng)（DCS），用以監(jiān)視、控制裝置和部分公用工程的生產(chǎn)過程。實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)溫度、壓力、流量、液（料）位和物料組分等工藝變量的常規(guī)閉環(huán)控制、分程控制、串級控制。DCS預(yù)留與全廠信息管理系統(tǒng)的RS485通訊接口，以滿足工廠信息化管理的需要。

裝置的安全跳車邏輯、HAZOP分析報(bào)告有SIL要求的回路由安全儀表系統(tǒng)SIS執(zhí)行，報(bào)警信息、監(jiān)視變量通訊至DCS。SIS與DCS冗余通訊采用MODBUS RTU協(xié)議，接口為RS485。當(dāng)信號需同時(shí)進(jìn)入DCS和SIS，而又不宜采用獨(dú)立傳感器時(shí)，采用安全柵或信號分配器一分為二，分別進(jìn)入DCS和SIS系統(tǒng)。

反應(yīng)器產(chǎn)品排料系統(tǒng)（PDS）是典型的順序控制工藝因此采用獨(dú)立的PLC系統(tǒng)完成。反應(yīng)器的物料和床重、產(chǎn)品吹出罐的壓力以及產(chǎn)品下料罐的壓力等信息通過MODBUS RS485冗余通訊至DCS，顯示于操作站DCS畫面。

造粒系統(tǒng)、添加劑系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)均為相對獨(dú)立的環(huán)節(jié)，而各系統(tǒng)本身或者是I/O點(diǎn)較少，或者是以順序控制為主，因此從系統(tǒng)性能、投資、施工及維護(hù)角度等考慮通常要求自帶PLC控制系統(tǒng)。同時(shí)為方便工藝生產(chǎn)操作，各系統(tǒng)物料關(guān)鍵參數(shù)將通訊至DCS系統(tǒng)，顯示于操作站DCS畫面。冗余通訊采用MODBUS RTU協(xié)議，接口為RS485。

控制室設(shè)置了Bently3500機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)和Compressor Controls Company(Guardian System)超速保護(hù)系統(tǒng)用于保護(hù)循環(huán)氣壓縮機(jī)。

同時(shí)，設(shè)有輔助操作臺，緊急狀況時(shí)，可以通過急停按鈕手動(dòng)停車。

另外設(shè)有一套先進(jìn)控制系統(tǒng)（APC+），內(nèi)置專利商的完整的計(jì)算軟件，該系統(tǒng)依據(jù)實(shí)時(shí)的反應(yīng)數(shù)據(jù)分析建模，控制和指導(dǎo)反應(yīng)器的進(jìn)料比例控制。

所有這些控制系統(tǒng)均通過通訊的方式和DCS系統(tǒng)相連接，構(gòu)成一套完整的控制系統(tǒng)。

2.1 DCS系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

DCS為橫河CENTUM-CS3000系統(tǒng)，為大規(guī)模集散型控制系統(tǒng) ，具有開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分布式系統(tǒng)構(gòu)架，便于系統(tǒng)維護(hù)和危險(xiǎn)分散?，F(xiàn)場控制站采用4CPU冗余容錯(cuò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在任何故障及隨機(jī)錯(cuò)誤產(chǎn)生的情況下進(jìn)行糾錯(cuò)與連續(xù)不間斷控制。

系統(tǒng)配置主要從冗余、負(fù)荷、備用三方面考慮，即所有與控制相關(guān)的部件（即控制用I/O卡件、控制器、電源、通訊接口及總線）都按1：1冗余配置；控制站的CPU負(fù)荷不超過50%，操作站、工程師站在正常操作工況下的CPU負(fù)荷不高于支持能力的20%，工業(yè)以太網(wǎng)的負(fù)荷不高于支持能力的10%，專用通訊系統(tǒng)的負(fù)荷不高于支持能力的50%，電源系統(tǒng)中單電源帶載能力不低于計(jì)算負(fù)荷的120%，控制器下掛的I/O卡件不超過其硬件支持能力的70%；I/O點(diǎn)的備用量不小于15%，機(jī)柜的備用空間不小于15%。

控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)和控制器分配按照裝置單元和信號類型相結(jié)合的原則執(zhí)行。本安信號通過底板式安全柵與控制系統(tǒng)I/O卡件隔離，模擬量非本安信號通過端子板與系統(tǒng)控制I/O卡件相連，數(shù)字量非本安信號通過繼電器端子板與控制系統(tǒng)I/O卡件隔離，安全柵底板、端子板與控制I/O采用專用同軸電纜連接。最終裝置配置3組控制器及配套I/O卡及卡籠，即原料精制單元、反應(yīng)單元和回收單元及公用工程部分，各采用一套控制器分別安裝在3個(gè)控制柜中。根據(jù)各單元I/O特性分別為每套控制器(控制柜)配置輔助機(jī)柜（安全柵柜、端子板柜、繼電器板柜），控制柜和輔助機(jī)柜是一對多的關(guān)系。

系統(tǒng)冗余（包括電源、控制器、I/O卡件等）能夠減少系統(tǒng)故障造成的裝置停車，CPU負(fù)荷限制保證系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，避免“死機(jī)”；I/O的備用和機(jī)柜的備用空間為了滿足將來用戶擴(kuò)容改建的需要?？刂破髟谟布系拇怪痹O(shè)計(jì)保證了施工配線、調(diào)試及系統(tǒng)維護(hù)方便。對于循環(huán)氣壓縮機(jī)允許、迷你殺死信號通過硬線送至SIS系統(tǒng)。

2.2 SIS系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

裝置SIS系統(tǒng)采用TS3000[2]綜合控制系統(tǒng)，為三重冗余化的，滿足SIL3要求。主要用于反應(yīng)系統(tǒng)的殺死邏輯，以及特殊的HAZOP報(bào)告中有SIL要求的聯(lián)鎖回路。SIS系統(tǒng)整個(gè)裝置的控制點(diǎn)大概400點(diǎn)，且以反應(yīng)單元居多，從投資角度考慮沒有依照單元分配控制器，但考慮供電、CPU、I/O卡和通訊冗余，其它的配置原則如CPU負(fù)荷、備用、接線以及要求采用底板安全柵和繼電器板等同DCS類似。

對于三取二的邏輯信號分別引入不同的三個(gè)卡件。對于壓縮機(jī)的故障、循環(huán)氣壓縮機(jī)的急停通過硬接線送至其它系統(tǒng)。

2.3 Bently 3500系統(tǒng)配置

聚乙烯裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)機(jī)組保護(hù)采用Bently 3500監(jiān)測系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)能夠通過多種傳感器采集數(shù)據(jù)，提供連續(xù)在線監(jiān)測功能，適用于機(jī)械保護(hù)應(yīng)用。該系統(tǒng)主要通過對壓縮機(jī)的溫度、振動(dòng)/位移、鍵相監(jiān)控并輸出聯(lián)鎖信號至SIS系統(tǒng)，最終形成信號C或D用于殺死系統(tǒng)的2型或3型殺死以及壓縮機(jī)的跳車。該系統(tǒng)通常為壓縮機(jī)廠方提供，現(xiàn)場傳感器為Bently 3300系列，監(jiān)控系統(tǒng)為Bently 3500模塊安裝于19機(jī)架。機(jī)架最左端是2個(gè)電源專用模塊和接口模塊位置，剩余14個(gè)卡槽安裝溫度、振動(dòng)、鍵相位、繼電器和通訊模塊， 配線在機(jī)架后面完成。

2.4 超速保護(hù)系統(tǒng)配置

全密度聚乙烯裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)用透平超速保護(hù)系統(tǒng)，工藝包專利商推薦了Compressor Controls Company(Guardian System)，Woodward (Pro Tec)， 和Bentley Nevada三家[1]，本裝置采用Compressor Controls Company Guardian System，該系統(tǒng)通過監(jiān)測現(xiàn)場三路獨(dú)立的磁阻傳感器（MPU）的信號，為透平提供三選二超速保。當(dāng)監(jiān)測到透平轉(zhuǎn)速超過壓縮機(jī)電機(jī)最大連續(xù)轉(zhuǎn)速10%時(shí)，“CCC Guardian System“將輸出2組超速聯(lián)鎖（trip）信號分別送至SIS和現(xiàn)場。聯(lián)鎖（trip）信號進(jìn)入SIS用于停止反應(yīng)器3型殺死。聯(lián)鎖（trip）信號送至現(xiàn)場用于關(guān)閉現(xiàn)場超速跳閥（overspeed trip valve）。循環(huán)氣壓縮機(jī)共有5支磁阻傳感器（MPU），3支信號進(jìn)入“CCC Guardian Syste“用于超速聯(lián)鎖保護(hù)，1支進(jìn)入DCS用于控制室監(jiān)視透平轉(zhuǎn)速，1支進(jìn)入現(xiàn)場轉(zhuǎn)速儀為現(xiàn)場巡檢方便。

2.5 PLC的配置

全密度聚乙烯裝置中PDS系統(tǒng)（產(chǎn)品排料系統(tǒng)）包含依據(jù)排料過程的壓力、PDS閥位狀態(tài)、和PDS循環(huán)時(shí)間開關(guān)的20臺自動(dòng)控制閥。交互排料模式下循環(huán)周期小于180S。通常情況下，兩條排料線交替排料。若其中一條故障，可以切換到單線排料模式。排料過程中各個(gè)閥門順序開關(guān)，邏輯以順序控制為主，掃描/反應(yīng)時(shí)間較短，且控制規(guī)模（I/O點(diǎn)）較小，采用PLC實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)配置考慮到工藝特殊操作，PLC系統(tǒng)采用了西門子S7-400系統(tǒng)，CPU、電源、通訊等做冗余配置，同時(shí)設(shè)置3個(gè)獨(dú)立卡籠，分別用于排料1線信號I/O卡件、排料1線信號I/O卡件、2條線公用部分信號I/O卡件。

造粒系統(tǒng)、添加劑系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)由成套機(jī)組供貨商成套控制系統(tǒng)（PLC）實(shí)現(xiàn)，基本配置要求與DCS類似，因此不再詳述。

2.6 APC+的配置

專利商提供了一套完整的先進(jìn)控制軟件（APC+），循環(huán)氣在線組分分析結(jié)果用于該軟件包中，通過優(yōu)化計(jì)算后用于控制和指導(dǎo)反應(yīng)器的進(jìn)料比例控制。同時(shí)給出了對服務(wù)器/計(jì)算機(jī)的硬件配置需求，主要是瞬間處理數(shù)據(jù)的能力，APC的組態(tài)和調(diào)試由專利商負(fù)責(zé)。

本裝置自動(dòng)化程度高，控制系統(tǒng)先進(jìn)，DCS系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)包括可燃?xì)怏w和有毒氣體報(bào)警系統(tǒng)、PLC以及APC等共同構(gòu)成了一套完整的控制系統(tǒng)，為工藝生產(chǎn)、日常維護(hù)、設(shè)備和人員的安全提供了較好的保障。系統(tǒng)配線設(shè)計(jì)采取現(xiàn)場儀表電纜直接進(jìn)入輔助機(jī)柜端子板/底板式安全柵通過專用電纜連接到控制柜I/O的方式和PDS系統(tǒng)PLC I/O分配采取根據(jù)工藝操作分配卡籠的方式是裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的2個(gè)特點(diǎn)，有利于故障排查、減少單點(diǎn)故障引起的裝置停車。

參考文獻(xiàn)

[1]UNIVATION TECHNOLOGIES. PROCESS DESIGN PACKAGE FOR LOW PRESSURE POLYETHYLENE. UNIVATION TECHNOLOGIES，2008.

[2]Tricon，北京康吉森自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限公司[G].Tricon 設(shè)計(jì)安裝手冊，2000.

[3]GE能源集團(tuán).Bently Nevada 3500系列機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)[G].GE能源集團(tuán)，2002.

作者簡介：姬景豐（1984-），男，河北省晉州市，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）自動(dòng)化專業(yè)，工作于中國昆侖工程公司大慶石化分公司，從事自控儀表設(shè)計(jì)。