聚乙烯裝置反應區溫度聯鎖可靠性評估與改進措施

方向榮 朱建新 莊力健 亢海洲 袁文彬

(合肥通用機械研究院，合肥 230088)

低密度聚乙烯(Low Density Polyethylene，LDPE)是目前世界上產量最大、成本較低且用途廣泛的通用塑料之一，其生產裝置根據反應器類型可分為釜式法和管式法兩種[1]。管式法的主要流程為乙烯單體壓縮后在引發劑(氧或有機過氧化物)、共聚單體及調整劑等的共同作用下分段反應制得聚乙烯產品。管式反應器的操作條件一般為高溫(175～330℃)、高壓(250～320MPa)(具體操作參數根據產品牌號及引發劑等略有不同)，因而具有較大的火災和爆炸風險，其反應區作為整個裝置的核心區域，往往設有眾多的溫度聯鎖以免反應器內發生超溫自分解。根據現場運行經驗，反應區眾多的聯鎖保護也是造成裝置大量誤跳車的主要原因。因此，如何科學地對反應區的溫度聯鎖進行可靠性評估，從而在保證反應區安全運行的同時，適度降低因聯鎖而導致的誤跳車，提高裝置的運行效率和生產效益是一個值得深入探討的問題。

1 LDPE裝置誤跳車主要原因分析①

LDPE裝置連續運行的時間普遍較短，一般每年停車20～70次，對裝置安全生產影響很大[2]，圖1反映了LDPE裝置聯鎖系統的誤跳車比例相比一般煉油裝置要高出很多。影響LDPE裝置停車的因素很多，主要原因可從生產工藝控制和儀表聯鎖兩方面分析。

圖1 某LDPE裝置與煉油裝置聯鎖

1.1 生產工藝控制復雜

LDPE裝置具有工藝過程復雜、工藝條件苛刻及不易操作等特點。

首先，原料經兩級壓縮機壓縮增壓至250～320MPa，機組功率大，介質壓力高，使得機組振動大，儀表設備故障率高，易造成機組聯鎖停車。另外，二次壓縮機出口的乙烯氣體若溫度過高，會造成局部熱點，進而使乙烯發生分解反應。因此在壓縮階段就必須對壓縮機各段壓力和溫度進行密切監控。根據某裝置一年的運行統計，46%的停車原因是因儀表設備故障而引起的[3]。

再者，管式反應器內的聚合反應對溫度和壓力較敏感，在有引發劑存在且壓力高于100MPa的情況下，增加壓力可使反應加快，反應速度幾乎隨壓力的繼續增加而直線上升。乙烯的自分解反應是聚合中的一種失控狀態，在高溫高壓條件下，聚合反應的不穩定性增加，自分解反應發生的可能性就加大。由于催化劑內含雜質、引發劑輸送不均勻、反應器換熱不良以及系統內混入微量的氧或者雜質均會導致反應失控，因此LDPE裝置的工藝特點決定了發生分解反應是不可避免的[4]。

另外，很多管式反應器上安裝有脈沖閥，其目的是通過脈沖技術，使反應器的壓力產生周期性的下降，同時使物料的流速也產生周期性的變化，以此來移走反應器內壁的結垢，但是脈沖技術會造成反應器壓力周期性的波動，引起引發劑注入量的波動，導致反應不穩定。

綜上所述，LDPE裝置的工藝特點導致其運行過程中波動因素較多，且工藝波動處于較高水平。

1.2 儀表聯鎖點眾多

聚乙烯反應器控制系統非常復雜，控制過程涉及的變量達二百多點，內部變量達三百多點，每個變量的變化都對反應器控制系統有直接影響。因此，儀表聯鎖點眾多，各種設備關聯度大是造成裝置誤跳車的重要原因。以某LDPE裝置為例，其十多年的運行記錄顯示，僅記錄在案的反應區溫度聯鎖跳車平均每年就有近4次，其中誤跳車占52.38%。

2 反應區溫度聯鎖的可靠性評估

由于LDPE裝置反應區涉及超高壓且管式反應器長度較長，因此通過安全聯鎖系統進行主動緊急泄壓是唯一可行的安全控制方式[5]。也由于此特點，對LDPE裝置的溫度聯鎖進行可靠性評估并提出科學的優化建議成為一項必要的工作。目前在流程工業中對安全聯鎖系統進行功能安全完整性評估主要采用IEC61511和GB/T 21109.1標準[6]。

以某LDPE裝置為例，其反應區共設有155只溫度傳感器，任意一只檢測到超溫，系統就會聯鎖跳車。采用EXIDA商業數據庫中相關的溫度傳感器失效數據，λ_SD=0FITS、λ_SU=650FITS、λ_DD=0FITS、λ_DU=5350FITS、TR=8h、TSD=24h、BETA=0.03，考慮周期為8 760h(即1年)；另外邏輯運算器單元為2oo3邏輯結構，λ_SD=3813.98FITS、λ_SU=60.02FITS、λ_DD=2711.12FITS、λ_DU=48.83FITS；執行機構為1oo4緊急泄壓閥，λ_SD=0FITS、λ_SU=770FITS、λ_DD=0FITS、λ_DU=1270FITS。其中，λ_SD為可檢測安全失效概率；λ_SU為不可檢測安全失效概率；λ_DD為可檢測危險失效概率；λ_DU為不可檢測危險失效概率；FITS=10-9次為每小時失效可能性；PFD為危險失效可能性；PFS為安全失效可能性；TR為在線維修時間；TSD為裝置誤跳重啟時間；BETA為共因失效因子。最后得到的評估結果見表1。

表1 某LDPE反應區溫度聯鎖子系統可靠性計算結果

結果表明，反應區溫度聯鎖的安全失效可能性高達0.972，說明LDPE裝置的反應區在一年內僅因儀表聯鎖故障導致的誤跳車概率很高。若再考慮到LDPE裝置其他部分的聯鎖跳車以及工藝波動導致的停車，LDPE裝置的跳車次數將上升至一個更高的水平，這也就造成了LDPE裝置難以實現長周期運行的狀況。

盡管如此，仍然可以通過采取一些措施來提高LDPE裝置運行的穩定性。例如某公司的LDPE裝置原先平均每年跳車20次左右，通過對聯鎖系統的評估和優化，并加強日常管理，實現了連續運行二百多天的良好成績，比以往的運行狀況有了很大的改觀。從可靠性的角度來看，假如能夠利用溫度傳感器單元的硬件實現雙股通信，即每個測溫點都能夠設雙支熱電偶且卡件獨立，則同樣的反應區溫度聯鎖可靠性計算結果見表2。

表2 某LDPE反應區溫度聯鎖子系統改進后的可靠性計算結果

通過比較表1、2的計算結果可知，采取上述措施能夠在維持聯鎖安全水平相當的情況下，聯鎖自身誤跳車的可能性比原先降低了88.7%，如圖2所示。

圖2 反應區溫度聯鎖子系統改進前、后失效概率對比

3 提高反應區溫度聯鎖可靠性的措施

由上述分析可知，LDPE裝置的誤跳車次數是由多方面原因造成的，裝置固有的系統特性導致其難以長周期連續運行，但是通過對儀表聯鎖系統進行評估和優化，仍然有可能改善LDPE裝置的運行水平，使其穩定性在現有基礎上得以提升。

3.1 開展系統安全完整性評估

根據IEC61511和GB/T 21109.1對流程工業的生產裝置開展安全完整性評估，找出風險點和誤跳源，有助于發現裝置中的潛在風險點，從而提出科學的改進建議，在確保安全的前提下降低誤跳車次數，使聯鎖系統的可靠性維持在合理水平，對于減小事故的發生和避免經濟損失具有重要意義。

3.2 改善聯鎖系統的可靠性

部分裝置現場設有多重監測儀表，但分別屬于安全聯鎖系統和DCS系統，在儀表可靠性較差的情況下，可以考慮結合DCS系統的儀表信號，充分利用現有硬件條件，從而間接地提高安全聯鎖系統的可靠性。

以某LDPE裝置為例，設計現場原安裝有大量的溫度監控點用于DCS控制和安全聯鎖系統，其中每個測溫點均使用的是雙支高壓熱電偶，測量信號一路送入DCS用于工藝監控，另一路送入安全聯鎖系統用于緊急停車(ESD)系統的聯鎖保護。裝置投運后經常跳車，其中因溫度聯鎖引發的誤跳車占50%以上，后采取將原先送入DCS系統的信號通過新增的卡件送入安全聯鎖系統，并與原安全聯鎖系統信號形成與門邏輯(2oo2)的措施，從而降低了誤跳車。

3.3 結合工作環境升級儀表

由于裝置現場環境復雜，儀表常處于溫度高、壓力高、振動大的工況，因此部分儀表易發生故障。以壓縮機的溫度傳感單元為例，若能將鎧裝電阻體改為防振型電阻體，其抗振效果將得以提高，使用壽命也將延長；另外電阻體可通過自帶延長線，將接線移至沒有振動或振動較輕微的部位，從而避免接線端子振松的情況，降低儀表因振動而引發的故障[3]。

此外，若裝置的儀表裝備落后，大量采用單點聯鎖也可能造成頻繁誤跳車，充分考慮儀表的現場工作環境，有必要對儀表進行升級或者通過增加冗余設計來提高儀表的可靠性，從而降低誤跳車的可能性。

3.4 提高生產工藝的穩定性

工藝波動頻繁往往會導致儀表故障率上升并且容易引發裝置誤跳車，因此提高工藝操作水平也是降低裝置誤跳車的重要手段。例如加強對一次/二次壓縮機組的巡檢管理，密切關注壓縮機各段的壓力和溫度變化，避免二次壓縮機出口乙烯溫度過高導致局部熱點的產生，從而降低乙烯發生自分解的可能；關注引發劑注入泵的出、入口壓力變化，防止注入管嘴堵塞，避免管嘴頂通后引發劑瞬間流量過大，導致反應溫度過高；此外，最大限度地減少系統雜質的含量，嚴格控制氧的串入，重視壓縮機潤滑油因氧化而帶入活性基團引發乙烯自分解等因素。通過加強對故障源的監控，有利于維持工藝穩定，從而降低裝置誤跳車的幾率。

4 結束語

LDPE裝置反應區設置了大量的溫度聯鎖點，安全完整性評估結果證實，這也是造成裝置頻繁跳車的重要原因。通過對聯鎖系統進行安全完整性評估，定量分析聯鎖的可靠性等級，了解裝置可靠性的特點，從而采取有針對性的合理措施，使LDPE裝置的穩定性在當前運行水平基礎上得到較大提升，從而為企業創造更多的經濟效益。