250 kt/a輕芳烴加氫裝置安全儀表系統設計

宋蓉楓

（中建安裝工程有限公司，南京 210000）

近年來，為了適應日趨嚴格的環保要求，不斷降低硫含量是汽油質量升級的重點。催化裂化（FCC）汽油加氫脫硫技術作為提高汽油質量的重要手段在煉油行業得到了較為廣泛的發展和應用[1]。250 kt/a輕芳烴加氫裝置的工藝是采用法國Axens公司的Prime G+技術，即采用固定床雙催化劑的加氫技術。正確理解該技術的工藝特點及自動化控制方案對工程設計、生產操作有著非常重要的作用。以下主要針對該裝置的安全儀表系統的設計進行介紹。

1 工藝特點

250 kt/a輕芳烴加氫裝置的工藝流程如圖1所示，該裝置的工藝流程包括全餾分選擇性加氫（SHU）及分餾、精制油選擇性加氫脫硫（HDS）。

全餾分選擇性加氫（SHU）部分采用的是高選擇性加氫Mo-Ni系催化劑（HR-845）。在該反應器內主要進行二烯烴選擇性加氫，輕硫組分轉變成重組分。該反應耗氫比較少，氫油比比較小。反應器流出物進入分餾塔以分餾出3種餾分：輕組分汽油（LCN）、中間組分汽油（MCN）和重組分汽油（HCN），重組分汽油（HCN）被送往加氫脫硫（HDS）部分。

圖1 250 kt/a輕芳烴加氫裝置的工藝流程Fig.1 250 kt/a light aromatics hydrogenation unit process flow

加氫脫硫（HDS）部分采用的是高選擇性加氫Co-Mo系催化劑（HR-806）。在該反應器內主要進行加氫脫硫反應，將硫轉化為H2S，將烯烴加氫降到最低，限制產品中的硫醇含量。循環氣中硫含量比較高經過胺洗后循環使用，反應產物進入汽提塔，經汽提塔汽提后作為產品出裝置。

其工藝特點為通過工藝系統和催化劑系統的配置，建立合理的壓降分布、反應溫度以及氫烴比，從而使操作條件相對緩和，空速較高，烯烴加氫活性低，不發生芳烴飽和裂化反應，能夠在保證脫硫的同時，使烯烴飽和和辛烷值損失最小。汽油收率達99.5%，脫硫率大于98%[2]。

2 安全儀表系統SIS

安全儀表系統SIS是“靜態”系統，正常工況時，它始終監視生產裝置的運行，系統輸出不變，對生產過程不產生影響；當裝置操作工況發生異常且危及安全生產時，SIS獨立完成安全保護功能。根據發生危險情況的等級，及時自動（或手動）采取有效措施，聯鎖相關儀表執行器動作，切斷危險源，以最大限度獲得人身和設備的安全。SIS包括傳感器、邏輯運算器和最終執行元件。

依據本裝置危險與可操作性分析（HAZOP）報告和安全儀表的安全完整性等級（SIL）定級報告，SIS回路的設計根據SIL等級（SIL1級安全儀表系統，傳感器可與控制系統共用；SIL2級安全儀表系統，傳感器宜與控制系統分開；SIL3級安全儀表系統，其傳感器應與過程控制系統分開）確定現場檢測儀表的設置。當多個單元的保護功能由一套安全儀表系統完成時，其公共部分應符合（其內）最高安全等級要求[3]。因此該裝置的安全儀表控制系統按照SIL3級設計。

3 現場儀表的設置

3.1 傳感器的設計選用

傳感器的設計選用應遵循獨立設置原則、冗余設置原則、冗余選擇原則。下面就HDS反應器床層和出口溫度舉例說明。

反應器既存在軸向溫差又存在徑向溫差，測溫點數分布越均勻、越詳細、越能全面地反映反應器內床層溫度的變化。通過測量不同高度但同一圓周方位的床層溫度，了解床層中的反應程度。通過測量同一高度但不同圓周方位的床層溫度，了解反映物流分布均勻程度[4]。

本裝置HDS反應器設有2個催化劑床層，在每個催化劑床層按上中下3層設置測溫點，每個催化劑床層入口、出口處各設置一組測溫點，共4組，每組6點（冗余設置原則）。反應器出口管線上設置一個測溫點。每個管嘴都安裝了獨立的溫度傳感器，一個用于SIS系統聯鎖，一個用于DCS系統控制顯示（獨立設置原則）。共設置了50點的溫度傳感器（25點進SIS系統，25點進DCS系統），并采用了25取2的聯鎖邏輯（冗余選擇原則），從而保證了設備的安全生產。

3.2 最終執行元件的設計選用

最終執行元件包括控制閥（調節閥、切斷閥）、電磁閥、電機等，遵循故障安全型（正常工況處于勵磁狀態，故障工況時處于非勵磁狀態）原則。DCS和SIS不共用控制閥。閥門使用彈簧復位型執行機構，并設置閥位回訊開關，在SIS顯示閥位狀態。采用單電控電磁閥，電源由SIS提供，失電聯鎖，執行器內的空氣/液體通過電磁閥排出，使彈簧推動閥門至故障安全位置，下列情況除外：

（1）特殊設計禁止使用彈簧復位執行器；

（2）使用了彈簧復位執行器，但由于工藝方面的原因，例如，該裝置的緊急泄壓閥，彈簧實現的故障位置剛好與安全停車位置相反，則配置了事故空氣儲罐，保證閥門在聯鎖時到達安全位置。

4 SIS系統的選用

加氫裝置為高溫、高壓、臨氫系統，存在易燃、易爆、有毒介質，因此為了保證裝置在異常情況下能夠迅速、安全地聯鎖停車，必須要求SIS系統具有較高的可靠性。根據本裝置安全儀表的安全完整性等級 （SIL）定級報告，裝置選用了HIMA公司的H51q-HRS系統，該系統具有TüV認證，安全級別達到 SIL3（IEC61508）和 AK6（TüV）。 系統采用了以微處理機為基礎，四重化模塊的冗余容錯技術；采用了冗余和容錯的通信方式；與DCS通信接口模塊采用冗余配置，并帶自診斷功能，在DCS的操作站上顯示運行狀態；回路設計成故障安全型，并能實現時序控制、計算、脈沖調幅、積算、數據鍵入、操作、通信等功能。

4.1 處理器模塊

H51q-HRS系統是基于HI-Quad技術的四重化QMR CPU結構的中央處理單元以及安全冗余的I/O模塊組成。如圖2所示，安全儀表系統的中央控制單元共有4個微處理器，每2個微處理器集成在1塊CU模件上，再由2塊同樣的CU模件構成中央控制單元。一塊CU模件已經構成1oo2D（2取1帶診斷）結構，而HIMA的1oo2D結構產品可以滿足AK6/SIL3的安全標準。采用雙1oo2D結構，即2oo4D（4取2帶診斷）結構的目的是為用戶提供最大的實用性（可利用性），其容錯功能使系統中任何一個部件發生故障，均不影響系統的正常運行[5]。IO模件的每個信號通道都包含有相互獨立的3個通道，每塊IO模件實際相當于相互獨立的3個單通道卡件。在中央區域故障的情況下，整個系統可通過1個獨立的高優先級別的檢測看門狗（watchdog）的硬電路系統，發出停機命令而使生產裝置安全停車。

圖2 H51q-HRS處理器結構示意Fig.2 Processor structure diagram of H51q-HRS

4.2 系統硬件結構

本裝置系統硬件構成包括工程師站、SOE站、輔操臺和控制機柜（系統柜和輔助柜）。裝置的I/O點數如表1所示，根據裝置的I/O點數，該系統配置了1個中央機架、1個附加5 V電源套件、3對I/O機架、7塊DI卡件、9塊DO卡件、18塊AI卡件，均不含冗余卡件。每對I/O機架分主機架和冗余機架，彼此卡件布置完全相同，之間采用冗余的I/O BUS相連，以實現I/O完全冗余。此外，3取2的信號分別引入不同的輸入卡件，從而提高了系統的可靠性。

表1 輕芳烴加氫裝置的SIS輸入輸出點數匯總Tab.1 I/O points of light aromatics hydrogenation unit SIS

5 裝置主要聯鎖保護方案

本裝置的SIS系統是圍繞著原料泵聯鎖系統、新氫/循環氫壓縮機聯鎖系統、SHU/HDS反應器聯鎖系統、加熱爐聯鎖系統、緊急泄放聯鎖系統為中心進行設計的。SIS系統將各個關鍵設備的運行狀態進行監控，并通過設計合理的邏輯關系，使之相互影響，共同協作。

5.1 緊急泄放聯鎖系統

本裝置加氫反應單元的緊急泄放聯鎖系統分為選擇性加氫（SHU）和加氫脫硫（HDS）兩部分。通過對緊急泄放聯鎖系統的設置，使得裝置在遇到突發事故時，反應系統的緊急卸壓閥將自動打開，保護設備，防止發生超壓。同時，卸壓時閃蒸的物料將反應系統的大量熱量攜帶出去，降低反應器床層溫度，避免超溫或“飛溫”事故，防止催化劑結焦。

（1）在選擇性加氫（SHU）部分設置了SHU反應器至穩定塔的緊急泄壓閥和穩定塔塔頂緊急泄壓閥。當按下緊急泄壓現場按鈕或輔操臺按鈕，裝置緊急泄壓，泄放介質由SHU反應器先經泄壓孔板（保證SHU反應器在15 min內泄壓至7 bar）降壓后至穩定塔，在穩定塔中將泄放介質進行氣液兩相分離，以減少液相損失，并避免大量汽油進入放空罐，氣相在穩定塔頂泄放至火炬系統。

該系統的主要聯鎖動作為打開SHU反應器至穩定塔旁路泄壓閥和穩定塔頂泄壓閥；關閉SHU穩定塔回流罐氫氣壓控閥和不凝氣排放閥；切斷SHU反應器進料（輕芳烴和氫氣）；切斷SHU反應器進料預熱器和SHU穩定塔重沸器的熱源；關閉分餾塔回流罐氫氣壓控閥和不凝氣排放閥。

（2）在加氫脫硫（HDS）部分設置了HDS反應器至火炬的緊急泄壓閥。當按下緊急泄壓現場按鈕或輔操臺按鈕，裝置緊急泄壓，泄放介質由HDS反應器經換熱器、空冷器進入HDS分液罐，將泄放介質進行氣液兩相分離，氣相在分離罐罐頂經泄壓孔板（保證HDS反應器在15 min內泄壓至7 bar）降壓后泄放至火炬系統。

該系統的主要聯鎖動作為HDS至火炬泄壓閥打開；新氫壓縮機旁路返回線和穩定塔底重沸器熱源旁路線全開；停止循環氫壓縮機；停止HDS加熱爐和貧胺液泵；切斷HDS部分進料 （重汽油和氫氣）；切斷HDS穩定塔進料；切斷酸性水、貧富胺液、工藝注水和分離罐底輕烴等，防止系統竄入循環氫；聯鎖停止SHU部分的進料和熱源，有效避免了工藝系統因失去控制而持續超溫、超壓[6]。

5.2 循環氫/新氫壓縮機聯鎖系統

本裝置共有4臺壓縮機，包括2臺循環氫壓縮機，2臺新氫壓縮機。氫氣壓縮機是加氫裝置的心臟，它既為反應過程提供氫氣，又為控制反應器床層溫度提供冷氫，一旦發生停機、供氫中斷、供氫壓力出現劇烈波動，會造成反應器超溫、超壓引起爆炸等事故。此外，高壓分離器液面過高、循環氫帶液，也會使壓縮機產生振動，嚴重時會損壞設備，造成氫氣泄漏引起爆炸事故。下面以循環氫壓縮機為例，說明壓縮機部分的聯鎖系統，聯鎖邏輯如圖3所示。

圖3 循環氫壓縮機聯鎖邏輯Fig.3 Interlock logic diagrams of circulating hydrogen compressor

5.2.1 啟動聯鎖

當下列條件均具備時允許啟動：供油總管油壓≥0.2 MPa，供油總管油溫＞10℃，盤車機構脫開，壓縮機入口、出口切斷閥全開，沒有聯鎖存在，人工確認允許啟動。

5.2.2 停車聯鎖

停車聯鎖系統包含裝置工藝聯鎖和設備保護聯鎖。

裝置工藝聯鎖啟動條件為循環氫壓縮機入口分液罐高高液位（3取2）；輔操臺上循環氫壓縮機急停按鈕；循環氫壓縮機入口切斷閥關閉；循環氫壓縮機出口切斷閥關閉。

設備保護聯鎖啟動條件為循環氫壓縮機潤滑油供油總管壓力低低（3取2）；循環氫壓縮機主電機定子溫度高高；循環氫壓縮機主軸承溫度高高。

該系統的聯鎖動作為循環氫壓縮機停機；關閉壓縮機入口、出口切斷閥、至HDS的補充氫切斷閥；HDS反應系統馳放氣排放閥關閉；HDS穩定塔至HDS反應部分進料切斷；加熱爐熄火。

SIS系統按故障安全型設計，即正常時帶電，事故時失電。所有聯鎖保護輸入輸出觸點正常操作條件下閉合，在事故情況下打開。其中，聯鎖復位按鈕采用軟按鈕，設置在操作站上，緊急停車按鈕設置在中心控制室的SIS輔助操作臺上。每個聯鎖輸入設置了儀表維護軟旁路開關和軟旁路指示燈。軟按鈕和軟開關設在操作站上，儀表維護軟旁路開關、工藝旁路軟開關采用密碼方式啟動。

5.3 SHU/HDS反應器聯鎖系統

在SHU反應器中，由于選擇性加氫反應器主要在液相下操作，因此設置了輕芳烴進入SHU反應器流量低低（3取2），確保反應器入口有足夠的液相流速。反應器床層溫度是判斷反應分布情況的依據，床層最高溫度與入口溫度之差是床層的溫升，溫升大小表示反應的激烈程度和反應深度。入口溫度變化、原料性質變化、進料量大小、催化劑使用狀況等影響床層溫度和溫升變化。如果反應器床層超溫或飛溫，超過鋼材的耐受范圍，反應器外殼鋼材材質會發生過燒、受損，機械承壓強度迅速降低，在操作壓力的作用下可能出現鼓包等現象，嚴重者會在操作壓力作用下發生物理性爆炸，進而引發化學性爆炸。因此SHU反應器軸向在不同的截面位置上，徑向在進出口處均設有溫度測溫點（10取2），能夠全面地監測加氫反應溫度，監測“熱點”溫度的變化。

該系統的聯鎖動作為切斷SHU反應器進料（輕芳烴和新氫）；切斷SHU反應進料預熱器的熱源；同時SHU反應進料/流出物換熱器，SHU反應進料/SHU穩定塔底油換熱器完全甩開走旁路，從而停止加氫反應進料的加熱，使反應器逐漸降溫。

在HDS反應器中，HDS反應為氣相全放熱反應，反應器內介質全部為氣相，設置了循環氫進入HDS反應器流量低低（3取2），采用第二床層入口溫度的平均值控制冷氫的流量以控制反應器床層溫升，HDS反應器內部和出口設置了出口超溫（25取2）。在HDS反應中，混氫原料在催化劑作用下，主要進行加氫脫硫、烯烴飽和等精制反應，并同時最大限度降低辛烷值損失。

該系統的聯鎖動作為HDS加熱爐熄火；停止HDS進料泵、HDS穩定塔底泵；切斷HDS穩定塔至HDS反應器進料；此時主要通過維持循環氫壓縮機運轉降低反應器的溫度小于250℃，阻止反應進一步發生，保護反應器床層。

5.4 加熱爐聯鎖系統

加熱爐是通過燃燒瓦斯釋放的熱量對反應進料（原料油、氫氣）進行加熱，使反應進料的溫度達到加氫反應的要求。如果進料流量低低，則爐管內介質不能正常流動，而會受到持續加熱，造成局部過熱，超溫，導致爐管內部結焦，從而導熱性能變差，不能正常工作[7]。所以當裝置緊急泄壓、循環氫壓縮機停車、反應進料中混氫流量過低、加氫進料泵出口流量過低、加氫進料泵停車、反應器床層和出口溫度過高等條件之一存在時聯鎖切斷瓦斯氣，加熱爐熄火。

5.5 機泵保護聯鎖系統

機泵的聯鎖保護系統相對簡單，就本裝置而言，主要是原料泵的保護聯鎖。當塔釜液位低低，循環氫進HDS流量低低，原料泵將聯鎖自停。在聯鎖邏輯設計中，各個聯鎖系統是相互依存、相互影響的。例如，緊急泄放聯鎖啟動、循環氫壓縮機聯鎖啟動、SHU/HDS聯鎖啟動時，加熱爐熄火時，原料泵也應相應地聯鎖停車。

6 結語

隨著石油化工生產裝置越來越大規模連續性的生產，在實現APC先進控制的同時，設計操作指標離安全臨界點越來越近，發生危險的可能性也隨之增加。SIS作為安全生產的一道關鍵防線，擔負著在生產過程中發現、識別、確認事故隱患，作出必要的反應、保障生產安全的任務，其重要性是不言而喻的。因此，對于設計者和企業而言，必須在應用方面繼續深入地探索并在實踐中不斷地總結經驗，長期維護并定期功能評價、測試，使SIS的設計和應用在不斷改進中日臻完善。

[1]夏少青.催化裂化汽油加氫裝置典型控制方案[J].煉油技術與工程，2010，40（5）：28-29．

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[4]王京慧.多點鎧裝熱電偶在加氫反應器床層溫度測量中的應用[J].石油化工自動化，2009，45（6）：59-62．

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[6]劉瑞萍，王國旗，夏少青，等.催化裂化汽油加氫裝置的安全連鎖特點[J].煉油技術與工程，2012，42（11）：33-35．

[7]張世建.加氫精制裝置緊急停車系統的研究與設計[D].大連：大連理工大學，2006.