乙烯裝置膨脹機再壓縮機的儀表工程設計探討

孫 瑞

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

0 引言

乙烯裝置是石油化學工業的核心裝置，由乙烯裝置產出的乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯是生產各類有機化工產品的基礎，因此乙烯裝置的技術水平、產量、規模是衡量國家石油化學工業發展水平的重要標志。乙烯生產技術在工藝流程上分為原料氣裂解和裂解氣分離兩大部分，其中分離流程根據各乙烯專利商采用的技術不同，可分為順序分離流程、前脫乙烷流程和前脫丙烷流程[1]。

順序分離流程是將裂解氣脫除重烴，經五段壓縮后按照裂解氣的組分，從輕到重逐一分離。

前脫乙烷流程是將裂解氣脫除重烴，經五段壓縮后將碳二及更輕組分與碳三及更重組分分開，再分別進行分離。

前脫丙烷流程是將裂解氣脫除重烴，經四段壓縮后將碳三及更輕組分與碳四及更重組分分開，再分別進行分離。

在上述3種分離工藝流程中，脫甲烷工藝利用低溫分離出甲烷和氫氣，其冷功率消耗約占冷分離總冷負荷的50%。因此，冷量回收非常重要。近年來，大型乙烯裝置

圖1 膨脹機再壓縮機工藝流程[1]Fig.1 Process flow of expander compressor[1]

多采用膨脹機再壓縮機聯合機組，對脫甲烷塔頂產生的尾氣進行膨脹制冷，同時聯動壓縮機對外做功，不僅可以為冷箱提供高位級冷量，提高乙烯收率，還可以將回收的能量用于增壓裂解爐燃料氣，從而實現裝置總能耗降低[2]。由此可見，膨脹機再壓縮機聯合機組是裝置中關鍵設備之一。

1 膨脹機再壓縮機工藝流程

目前，大型乙烯裝置均采用膨脹機再壓縮機工藝，對高壓脫甲烷塔尾氣進行膨脹制冷，同時對燃料氣壓縮增壓。圖1為甲烷尾氣膨脹機再壓縮機的主要工藝流程。

高壓脫甲烷塔的塔頂壓力約為3.04MPa[1]，主要成分為甲烷和氫氣。高壓尾氣經最低級位的乙烯冷劑冷凝后送入回流罐，罐內的液相回流到脫甲烷塔塔頂精餾器，氣相送入膨脹機進行膨脹制冷，獲得約-136℃[1]的冷量進入冷箱冷卻脫甲烷塔進料，然后送入再壓縮機作為再生介質或者燃料被重新壓縮。由于膨脹機制冷是等熵膨脹過程，同外界沒有熱量交換，氣體膨脹全部用于對外做功，內能減少從而溫度降低，其制冷能力要優于傳統的J-T節流閥[1]。

2 膨脹機再壓縮機控制概述

乙烯裝置中的膨脹機再壓縮機機組采用透平驅動，因為操作溫度低、機組轉速高等特點，目前大多采用國外廠商設計制造的磁力軸承機組，主要制造商有美國的Mafi、法國的低溫星公司等。以某大型乙烯裝置采用的某公司膨脹機再壓縮機為例，機組結構主要包括以下3個基本部分：膨脹機定子部分及進出口法蘭、同軸轉子、壓縮機定子部分及進出口法蘭。

膨脹機進口處設有入口導葉IGV（Inlet Guide Vanes），通過帶限位開關的氣動執行機構控制IGV的開度，從而調節進入膨脹機的工藝介質流量，并將壓降轉換為高流速驅動葉輪。

軸承、同軸、軸密封、葉輪以及葉輪密封封裝在承壓腔內，構成轉子系統。同軸采用外部套有磁性材料的疊片式結構。磁力軸承是一套電磁設備，由磁力軸承控制柜MBC（Magnetic Bearing Control Cabinet）控制，使轉子和定子之間保持一定的距離，并監測轉子轉速、振動位移和溫度。位于定子中的徑向電磁體和軸向電磁體在通電狀態下產生電磁場，轉子受重力與磁力平衡時懸浮于承壓腔內。徑向軸承上設有軸向和徑向位移監測探頭，對轉子的位置進行連續監測并輸出信號，MBC控制系統對位置偏差信號進行計算，通過改變磁力軸承電磁場的電流大小，改變對轉子的作用力，從而使其回到正常位置運行。

膨脹機再壓縮機機組配置有一套迷宮式密封系統，用于防止冷量由膨脹機側向壓縮機側傳遞，避免冷的工藝氣體進入承壓腔，還可以防止磁力軸承產生的熱量進入冷的工藝氣體中。密封氣與承壓腔壓差與密封氣溫度，參與控制密封氣入口調節閥開度和機組開停機聯鎖。

膨脹機再壓縮機機組在壓縮機出口配置有返回入口的防喘振回路，防喘振閥門可以由CCS控制，也可以由用戶根據廠家提供的防喘振算法通過DCS實現控制。

上述關鍵設備的儀表控制和聯鎖直接影響到膨脹機再壓縮機機組的安全可靠運行。膨脹機再壓縮機機組主要由開車控制流程、正常停車控制流程、緊急停車控制流程、MBC柜控制流程、關鍵控制回路等組成。

2.1 MBC柜控制流程

MBC控制柜監測機組運轉過程中的各類報警狀態并向操作人員提供報警信息，MBC報警信號劃分等級如下：

一般故障（Level 1）：當MBC的輸入信號超過正常操作值時，MBC將向CCS輸出一級報警信號，并顯示在控制柜的HMI界面上。此時磁力軸承系統仍然處于工作狀態，一級報警不會觸發機組停車。

主要故障（Level 2）：當MBC的輸入信號超過正常操作安全值時，MBC將輸出二級報警信號。此時磁力軸承系統處于非安全工作狀態，MBC向CCS發出機組停車請求，最終停車命令由CCS聯鎖觸發。MBC仍保持機組轉子處于懸浮狀態，直到機組停車轉子終止轉動。

全停車故障（Level 3）：當發生會損壞機組或者控制柜的功能性故障時，MBC將輸出三級報警信號。MBC向CCS發出機組停車請求，最終停車命令由CCS聯鎖觸發。此時機組轉速降低至最小臨界值480rpm以下，轉子終止懸浮狀態。

MBC監控故障：MBC柜內的硬件故障會引發MBC系統監控報警，此時MBC的所有輸入輸出信號停止工作，MBC與CCS之間的通訊和聯鎖觸發請求中斷。

2.2 關鍵控制回路

密封氣差壓控制回路是一個重要回路。差壓調節閥PDV的開度由機組內不同檢測點的密封氣壓力差控制，選取密封氣入口壓力和膨脹機葉輪壓力作為工藝過程檢測變量，最終建立并維持密封氣環境。

圖2 CCS控制系統結構圖Fig.2 Structure diagram of CCS control system

入口導葉控制回路：入口導葉作為膨脹機再壓縮機機組的重要工藝過程控制對象，控制方式有兩種——手動控制或者自動控制。手動控制方式由CCS內的HIC控制器實現，自動控制由控制器監測工藝過程變量，根據設定值自動調節IGV的開度。兩種控制方式可以在CCS內切換，當控制方式由手動切換到自動時，應確保輸出信號偏差在3%以內。機組允許啟動時，要求IGV必須置于手動控制模式，并且開度應小于3%。

3 控制系統設計

膨脹機再壓縮機機組的儀表控制系統設計，一般采用CCS集成控制。如圖2所示為采用CCS控制的系統架構。

整個機組的控制系統安裝在非防爆區域，由壓縮機控制系統CCS、馬達控制中心MCC和磁力軸承控制柜MBC組成。其中，在MCC內布置密封氣電加熱器控制盤。現場設置有模擬量信號接線箱、數字量信號接線箱、磁力軸承信號接線箱和現場操作盤。機組工藝氣路和密封氣路上的模擬量AI/AO信號，通過模擬量信號接線箱接入CCS參與控制聯鎖；密封氣路上的電加熱器溫度信號經模擬量信號接線箱先進入MCC內的TCP控制盤再接入CCS，同時TCP控制盤接受來自CCS的控制信號。現場數字量DI/DO信號，經過數字量信號接線箱接入CCS和現場操作盤。磁力軸承系統的速度、位移、溫度傳感器信號經過磁力軸承信號接線箱接入MBC控制柜，再由MBC將磁力軸承系統信號經RS485通訊至CCS，硬線輸出速度信號、故障報警、停車請求等信號至CCS，并接受來自CCS的數字量控制信號。

膨脹機再壓縮機機組的儀表控制系統設計可以根據用戶需求，采用DCS+SIS拆包控制方案，將原CCS控制系統按照儀表回路的功能，拆解到DCS和SIS分別控制。根據回路功能及安全等級，將所有參與停機聯鎖的信號接入SIS系統；將一般控制回路、指示回路和報警信號接入DCS系統。

表1 機組啟停聯鎖因果表Table 1 Cause and effect of unit start and stop interlock

4 聯鎖邏輯設計

如前所述，膨脹機再壓縮機機組的控制系統可以采用CCS系統，或者根據儀表回路功能、安全等級拆分為DCS+SIS系統。如果采取CCS控制，全部聯鎖邏輯將通過CCS和MBC實現；如果采用DCS+SIS控制，如何將原有集成在CCS的聯鎖邏輯進行邏輯拆解是儀表工程設計的重點，既要保證邏輯拆解后，聯鎖邏輯輸入條件和輸出動作不受影響，同時還要考慮進行設計優化，盡量減少現場各控制系統的接線箱數量，減少DCS、SIS、MBC 3個系統之間的聯鎖邏輯、輸入輸出信號、柜間接線和通訊點數。

在某大型乙烯項目工程設計中，根據實際設計需求，并與機組制造商多次探討修改聯鎖邏輯設計方案，將功能控制與聯鎖報警進行了細化和拆分，并進行了優化設計。即：將一般指示回路、一般控制回路、IGV入口導葉控制回路、防喘振控制回路、不參與停機聯鎖的報警信號回路、機組允許啟動邏輯和機組轉子勵磁懸浮邏輯設計在DCS系統中；將機組啟動和停車聯鎖邏輯、膨脹機入口切斷閥回路、密封氣供氣切斷閥回路設計在SIS系統中。聯鎖因果見表1。

經過開工運行檢驗，上述控制、聯鎖邏輯的設計是可靠的，并得到了業主認可。

5 其它

在膨脹機再壓縮機的儀表工程設計中，還需要對磁力軸承系統MBC控制柜的安裝位置進行評估。MBC柜內包含有電源放大器、備用電磁、PID控制器、電流電壓調整器，應安裝在非防爆區。根據機組控制需求，MBC和儀表控制系統之間有硬線信號和通訊信號連接，同時MBC還需要由MCC供電。因此，在乙烯裝置現場通常將MBC放置在儀表現場機柜室FAR，或者馬達控制中心MCC。在進行機柜間布置設計時，應特別注意避免MBC柜和其他機柜因距離過近產生電磁干擾現象，如前期設計忽視了這一點，由此帶來的現場整改工程問題將不可小覷。根據EN61000 6-4-2007電磁兼容性標準中給出的規定[3]，MBC控制柜應與周圍機柜保持3m～5m的距離。對電磁干擾因素進行評估，采用大間距設計，可有效避免設備間產生電磁干擾。

表2 機組允許啟動聯鎖因果表Table 2 Cause and effect table of unit allowable start interlock

6 結束語

在乙烯裝置膨脹機再壓縮機的儀表工程設計過程中，需要注意以下幾點：

1）在滿足機組工藝流程對儀表控制要求的基礎上，結合用戶實際需求選擇控制系統架構，可優先采用CCS+MBC。

2）當用戶（業主）有要求時，可采用DCS+SIS+MBC作為控制系統，將原有集成在CCS的聯鎖邏輯進行邏輯拆解是儀表工程設計的重點。要保證邏輯拆解后，邏聯鎖輯輸入條件和輸出動作不受影響。設計中，應優化聯鎖邏輯設計和儀表接線工作，減少各系統間非關鍵聯鎖信號往來。

3）關鍵控制回路的設計，應滿足工藝操作的需要，并嚴格遵循機組對設定值的要求，進行精準控制。聯鎖邏輯設計時，應與機組制造商共同完善聯鎖邏輯設計方案，將功能控制與聯鎖報警進行細化和拆分，并進行優化。

4）MBC機柜布置應符合規范的要求，結合成功的工程經驗，合理布置機柜，避免設備間的電磁干擾。