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高壓聚乙烯裝置反應(yīng)器安全聯(lián)鎖分析

文檔作者：錢芝忠1 劉智斌2 文檔來源： 1．中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部 2．天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月27日
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第1期錢芝忠等．高壓聚乙烯裝置反應(yīng)器安全聯(lián)鎖分析
高壓聚乙烯裝置反應(yīng)器安全聯(lián)鎖分析
錢芝忠1劉智斌2
(1．中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部，蘭州730060；2．天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司，蘭州73{)060)
摘娶對禹壓象乙烯裝王蕾式反應(yīng)器的璉鑷回路進(jìn)行分析，總增裝置自開車以來出現(xiàn)的問題，并給出
相應(yīng)的解決辦法。
關(guān)t訶安全聯(lián)锿系統(tǒng)誤珧車解決辦海
中圈分糞號TH862+，79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼B 文章囊號，：1000．3932(2013)01．01054)3
中國石油蘭州石化公司200kt／a高壓聚乙烯
裝置是該公司乙烯改擴(kuò)建工程的6套主裝置之
一，引進(jìn)LUPOTECHT管式反應(yīng)器。以乙烯為主要
原料，醋酸乙烯為共聚單體，過氧化物為引發(fā)劑，
丙烯和丙醛作為分子量調(diào)整劑，是以乙烯單點(diǎn)進(jìn)
料、過氧化物四點(diǎn)注入的脈沖式反應(yīng)。該裝置的
主要特點(diǎn)是工藝流程簡單，聯(lián)鎖與控制復(fù)雜，乙烯
原料經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后壓力達(dá)到310MPe時才滿足
反應(yīng)條件，在這樣高的壓力下，對安全聯(lián)錟系統(tǒng)
(Safety Instrumented Systems，SIS)的要求也非常
高。聯(lián)鎖回路對裝置的可靠性和安全運(yùn)行影響極
大，如果設(shè)計不當(dāng)，可能的后果是該跳車時不跳
(拒動作)，或者是不該跳車時跳車(誤跳車)。拒
動作會造成嚴(yán)重甚至災(zāi)難性的后果；誤動作的直
接后果是裝置停車，導(dǎo)致巨額經(jīng)濟(jì)損失。
從裝置和設(shè)備的安全以及生產(chǎn)的平穩(wěn)考慮，
在該公司高壓聚乙烯裝鷺中采用了3套緊急停車
系統(tǒng)(ESDl301、ESDl302和PsD5，101)，ESD-t301
和ESD·1302為硬接線緊急停車系統(tǒng)(RSD)，滿足
sIL4安全等級。ESD．1301為一、二次壓縮杏ll：翮反
應(yīng)器聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)；ESD一1302為高分瓤高循聯(lián)鎖
保護(hù)系統(tǒng)。現(xiàn)重點(diǎn)介紹該裝置管式反應(yīng)器
(R1301)的聯(lián)鎖回路，及其開車以來出現(xiàn)的問題，
最后給出相應(yīng)的解決辦法。
1 R1301的聯(lián)鑲圄路的工藝漉程
工藝氣體經(jīng)二次壓縮機(jī)C1202壓縮，并由預(yù)
熱器R130IEIA／B加熱后，達(dá)到聚合反應(yīng)條件，在
反應(yīng)器的4個反應(yīng)區(qū)內(nèi)形成聚乙烯。通過采用不
同的過氧化物溶液，在反應(yīng)器每個區(qū)域的起始處
引發(fā)聚合反應(yīng)。生產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量根據(jù)產(chǎn)品類型
的不同而不同。反應(yīng)器類似于一個套管式換熱
器，聚合反應(yīng)是強(qiáng)放熱過程，因此在夾套側(cè)用低壓
熱水和孛壓熱水撤出聚合反應(yīng)熱。
乙烯、丙醛或丙烯混合后進(jìn)入R130IElA／B
并被加熱到140—170℃，在H1301E1A／B的出口
安裝了一個爆破片，仿止二次壓縮機(jī)和反應(yīng)器超
壓。沿著反應(yīng)器的各個區(qū)安裝了多只熱電偶，用
來監(jiān)測反應(yīng)混合物沿反應(yīng)器的溫度分布，這個溫
度分布通過精確調(diào)節(jié)工藝參數(shù)而產(chǎn)生，如反應(yīng)器
壓力、引發(fā)劑與調(diào)整荊豹類型及數(shù)量等。由于存
在乙烯分解的危險，最高反應(yīng)溫度設(shè)定在310℃
左右。按規(guī)定的間隔降低反應(yīng)器的壓力會影響聚
合反應(yīng)。安裝在第四反應(yīng)區(qū)出口的脈沖閥調(diào)節(jié)反
應(yīng)間歇膨脹，經(jīng)過此膨脹過程后，脈沖閥在反應(yīng)器
和出口預(yù)熱器聞產(chǎn)生數(shù)百予帕妁壓降。這種壓力
波動能夠減少：反應(yīng)器管壁上的結(jié)垢。
此外，反應(yīng)介質(zhì)的冷卻及加熱等參數(shù)也會影
響聚合過程碡．預(yù)熱器用預(yù)熱的低壓和中壓熱水加
熱，低壓熱水由產(chǎn)品冷卻器E1402提供。中壓熱
水和低壓熱水由．產(chǎn)品冷卻器E1401與后冷器
R1301E2提供。
為了穩(wěn)定操作，在R130IEIA／B對工藝氣體
的加熱過程中、，采用特殊的控制概念，將溫度與流
量控制相結(jié)合，既保證從熱永到工藝氣體要求的
傳熱量，又可防止熱水沸騰。熱水罐V1502向
E1401／后冷器R1301E2的中壓熱水供水與各自
的圃水婀溫差為lS℃，這個溫差可以通過位于
V1802上中壓熱水回水線的流量控制閥控制中壓
收藕日船-2012-084)9
萬方數(shù)據(jù)
化工自動化及儀表第40卷
熱水流量來調(diào)節(jié)。
開車時，需要由外部提供額外的熱量加預(yù)熱
器中的工藝氣體，以達(dá)辯縻虞器中引發(fā)聚合反應(yīng)
所需的溫度條件。在這種情況。下，需要遵循一套
與正常操作不同的特殊操作程序，在開車
R13019lA／B上使用從界區(qū)外輸入的高壓蒸汽
時，從反應(yīng)器后冷器到最后一個預(yù)熱器區(qū)域，中壓
熱水給水溫度呈上升趨勢。
脈沖閥將聚合物與乙烯混合物的壓力降至
48MPa左右。在聚合物進(jìn)入高壓產(chǎn)品分離器
S1401之前，由中壓熱水通過反應(yīng)器后冷器
R1301 E2將反應(yīng)混合物的溫度降至250"13左右。
一旦高壓氣體溫度過高，或反應(yīng)器與后冷器
區(qū)發(fā)生分解，產(chǎn)生的高壓將觸發(fā)緊急事故程序。
為了保護(hù)反應(yīng)器的管子不發(fā)生破裂，在反應(yīng)器上
設(shè)計安裝5個緊急事故閥。在脈沖閥的下游和
S1401的下旖裝設(shè)另外兩個緊急事故閥。通過緊
急排放管線，反應(yīng)器中的物料立即進(jìn)入反應(yīng)器排
放罐V1301。為了檢測緊急事故閩泄漏的少量氣
體流量，在每個放空線上都設(shè)計安裝了熱電偶。
每班的操作工都要保證放空線的暢通(沒有聚合
物堵塞)，操作人員必須定時打開放空線的氮?dú)猓?
短時吹氮，并通過相應(yīng)的壓力表觀察壓降。
1．1反應(yīng)器排放系統(tǒng)
緊急停車程序ESDl301通過降低二次壓縮
機(jī)和反應(yīng)器的壓力，使反應(yīng)單元達(dá)剄一個不再發(fā)
生進(jìn)一步聚合的安全條件。擴(kuò)展ESD程序
ESDl302迸一步使后冷器和高壓產(chǎn)品分離器壓力
降低。反應(yīng)器排放罐V1301正常情況在大氣壓
下操作，放空線出口離地面約‘45m。V1301的設(shè)
計壓力5．0MPa(G)、溫度250℃÷磐積34m’、外徑
2．4m、切線高6．7m。V1301內(nèi)裝填了-些水，用
來冷卻進(jìn)入容器的熱氣體。容器內(nèi)水的液位用放
射性測量元件檢測，并在DCS上指示。
當(dāng)ESD程序被觸發(fā)時，經(jīng)弧的延遲，中壓蒸
汽被注入到煙囪中，約60s后蒸汽物流自動中斷，
這樣就提高了混合物的冷卻速度，并且加速了容
器中乙烯與聚合物混合物的冷卻。為了稀釋并冷
卻聚合物和氣體的混合物，容器中也需要有水。
在V1301中，聚合物被冷卻并留’在容器內(nèi)，而乙
烯與水的混合物被釋放薊大氣中。
為了清洗，包括降壓后的反應(yīng)器、高匿產(chǎn)品分
離器和反應(yīng)器排放罐V1301的整個泄壓系統(tǒng)都
要用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃。在V1301液面上方圓柱的
較低部分，設(shè)有一個低壓氮?dú)庾⑷肟?，用作吹掃?
氮?dú)獗Ｗo(hù)。V1301的底鄙有液壓蓋可以就地打開
和關(guān)閉，以除去分離出的聚合物粉末。液壓蓋有
電動機(jī)械聯(lián)鎖，打開容器之前，操作工必須使用一
個鑰匙系統(tǒng)將液壓裝置解除。打開V1301之前，
操作工必須關(guān)閉氮?dú)膺M(jìn)料閥、上游切斷閥、中壓蒸
汽閥、下游切斷閥、去高壓氮?dú)獯祾呖偣艿倪M(jìn)料閥
(機(jī)械鎖)、沖水周和新鮮乙烯進(jìn)料閥，同時設(shè)置
部分機(jī)械鎖以防操作工檢查敞開容器時受傷。高
壓循環(huán)圓路上的兩個緊急事故閥必須在ESD盤
上處于鎂定的狀態(tài)，以防止高壓循環(huán)氣系統(tǒng)在壓
力下打開。需要注意的是，一旦容器蓋打開，一、
二次壓縮機(jī)C1201和C1202都不能啟動。
給水閥安裝在反應(yīng)壩外，可通過DCS手動向
V1301加水。V1301僅加水到水線進(jìn)口管嘴的標(biāo)
高處，最大加水量約6．5m3。為了避免水進(jìn)入緊
急排放管線，當(dāng)容器加水時高液位觸發(fā)進(jìn)水閥自
動關(guān)閉。一旦液位增長(如蒸汽閥或給水閥泄
漏)立即報警，并可操作開／關(guān)閥從控制室手動調(diào)
節(jié)液位。在這種情況下，水僅需降到正常液位。
水位降低的補(bǔ)水也通過補(bǔ)水線來完成。通過DCS
可以操作放水閥放水，反應(yīng)器運(yùn)行時該操作也可
進(jìn)行。如果操作工不在，放水閾自動關(guān)闋。通過
這個閥不可能放掉全部的水，該閥安裝在反應(yīng)壩
內(nèi)。
根據(jù)ESDl301或ESDl302，以及分解的沖力，在
V1301中約有2．5m3的水與聚乙烯混合，混合物的溫
度約在60一．1000C。打開V1301盞前，通過位于容器
最底部錐形部分的導(dǎo)淋閥，將水排到收集罐里，然后
排劐反應(yīng)壩旁的排水溝。如果排放罐盞打開，一次
壓縮機(jī)C1201不能啟動。在0．IMPa(絕壓)、100—
60℃條件下，乙烯在水中的溶解量很小，茵此廢水中
的乙烯含量可以忽略。
當(dāng)容器中的水放掉后，就可以用液壓打開容
器底盞，約為510(ESDi301)一620kg(ESDl302)
的聚合物粉末靠重力放入容積為3—4m3的收集
罐中。如果ESDl30l動作，約90kg的聚乙燎粉
末將排放到大氣中；如果ESDl302動作，會有約
1lOkg聚乙烯粉末排放到大氣中。這相當(dāng)子一年
平均排放到大氣中的聚乙烯粉末約0．5t(4次緊
急程序l和1次緊急程序2)。經(jīng)過容器上的導(dǎo)
淋閥，剩下的水排放到地面。通過目測檢查確認(rèn)
萬方數(shù)據(jù)
第1期錢芝忠等．高壓聚乙烯裝置反應(yīng)器安全聯(lián)鎖分析
容器已排空(檢查液位控制)，且在緊急排放管線
的出口處沒有剩余的聚乙烯粉末，則可以液壓關(guān)
閉封蓋"這時必須啟動機(jī)械聯(lián)鎖并且把瘩填充進(jìn)
去。最多含0．001％o乙烯的聚乙烯粉末7，可以從
反應(yīng)壩移走，去作進(jìn)一步處理。
1．2 R1301涉及的危險因素
反應(yīng)器由于冷卻不良或催化劑內(nèi)含雜質(zhì)，會
使反應(yīng)器內(nèi)的乙烯自分解，致使反應(yīng)器內(nèi)溫度和
壓力迅速上升，損壞設(shè)備；反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生自分解
時，產(chǎn)生的壓力波可能向下游波及，使下游產(chǎn)品冷
卻換熱器或分離器超壓，或波及上游使反應(yīng)預(yù)熱
器或壓縮機(jī)超壓而損壞；反應(yīng)器上的緊急排空閥
若開啟前、后順序不一致，可能導(dǎo)致某一只或幾只
緊急排空閥打開時，高溫高壓物料排放入排空閥
造成排空f醒壓力過高引起危險；反應(yīng)器內(nèi)生成的
聚合物若萑反應(yīng)器或排空闊下游伴熱不良，會引
起聚乙烯凝固，可能導(dǎo)致排空能力不足造成危險。
2 R1301聯(lián)鎖回路構(gòu)成
高壓聚乙烯裝置管式反應(yīng)器聯(lián)鎖回路主要由
3個聯(lián)鎖功能(SIF)組成：反應(yīng)器溫度高高時開啟
緊急排空閥聯(lián)鎖功能(SIFl)，反應(yīng)器溫度高高時
切斷下游脈沖閥聯(lián)鎖功能(SIF2)，反應(yīng)器溫度高
高時觸發(fā)ESD停二次機(jī)C1202(SIF3)。R1301聯(lián)
鎖回路涉及的相關(guān)設(shè)備詳見表1。
袁1 R1301聯(lián)鎖回路內(nèi)設(shè)備
3聯(lián)鎖回路的改進(jìn)
R1301內(nèi)反應(yīng)異常，發(fā)生乙烯自分解時，
R1301入口的爆破片可防止設(shè)備損壞，但不能防
止反應(yīng)器積炭。操作工可以得到報警，但投有足
夠的反應(yīng)時間。當(dāng)R1301中任一段溫度(共設(shè)有
90個熱偶，確認(rèn)此處傳感器TRl3001—13096最
多允許旁路．4個，反應(yīng)器段有TRl3014等66只熱
電偶，報警值270，聯(lián)鎖值300)超過聯(lián)鎖值時，觸
發(fā)ESDl301，打開XVl300l—XVl3005閥門進(jìn)行
緊急泄壓，并執(zhí)行全線停車。
綜合高壓聚乙烯裝置的風(fēng)險因素，并對聯(lián)鎖
的安全要求進(jìn)行分析，考慮到現(xiàn)有條件下聯(lián)鎖誤
跳車的頻率過高，目前反應(yīng)器上相鄰的4路溫度
傳感器由同一塊報警設(shè)定卡輸入，而報警設(shè)定卡
為故障安全型卡件，其中某一通道故障或信號超
量程，則該報警設(shè)定卡整體切出，所以一路傳感器
故障，需同時旁路該卡件的4個聯(lián)鎖回路。如果
反應(yīng)器上的4路溫度傳感器同時處于旁路狀態(tài)，
反應(yīng)器發(fā)生飛溫時具有重大風(fēng)險(自分解的壓力
上升速度極快)，因而反應(yīng)器存在重大風(fēng)險。建
議更換相應(yīng)的報警設(shè)定器卡件，使每個測溫點(diǎn)都
可以進(jìn)行單獨(dú)旁路，可有效避免不必要的聯(lián)鎖誤
跳車。
4結(jié)束語
以上是筆者對高壓聚乙烯裝置反應(yīng)器安全聯(lián)
鎖回路的理解分析，針對該裝置開車以來，聯(lián)鎖誤
跳車頻頻發(fā)生的主要原因進(jìn)行分析，并對安全聯(lián)
鎖網(wǎng)路進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的安全聯(lián)鎖回路有效地
避免不必要的聯(lián)鎖誤跳車現(xiàn)象，減少了裝置的非
計劃停車，確保生產(chǎn)的長周期平穩(wěn)運(yùn)行。
萬方數(shù)據(jù)

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03-11