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高壓聚乙烯裝置有關安全的特殊自控措施及儀表

文檔作者：于恩深文檔來源：大慶石化工程有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年01月07日
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過程控制 石 油 化 工 自 動 化，2OO8，1：45
AUToM ATION IN PETR()-CHEM ICAL INDU STRY
高壓聚乙烯裝置有關安全的
特殊自控措施及儀表
于恩深
(大慶石化工程有限公司，黑龍江大慶163714)
摘要：高壓聚乙烯裝置是典型的大型石化裝置，其工藝和設備方面的特殊性決定了對其采用自控對策的特殊性。基于工
程設計實例，對該裝置自控設計中為保證安全而采用的特殊對策包括控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖邏輯及現(xiàn)場儀表予以簡明介紹。
關鍵詞：高壓聚乙烯裝置；安全；自控特殊對策
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：1007—7324(2OO8)O2—0045—04
The Special Considerations Related to the Safety of Low Density Polyethylene Plant
on Its Automation Instrumentation Engineering Aspec t
YU Enshen
(The Daqing Petrochemical Engineering Co．，Ltd，Daqing，1 637 1 4，China)
Abstract：The high pressure low density polyethylene plant is a typical large—scale petrochemical plant，
lying on the specialties of its process and equipment，the special automation measures should be taken to
settle them．Based on the practical engineering design，a brief introduction is given towards the special
automation measures，including control system，interlock logic and field instruments in order to ensure
the safety of the plant on its automation／instrumentation engineering aspect．
Keywords： high pressure low density polyethylene plant： specialties： safety； special
autom ation m easures
1 引 言
高壓聚乙烯裝置是典型的石油化工裝置，其主
要工藝特點：
裝置加工、儲存的主要介質乙烯、醋酸乙烯、過
氧化物等易燃易爆；工藝過程操作壓力高(最高操
作壓力310 MPa(G))，反應溫度亦高(最高操作溫
度320℃)，聚合反應劇烈，操作不當極易產生乙烯
分解爆炸，故對過程控制和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)以及關鍵
的現(xiàn)場儀表不僅要求最高的可靠性而且要求極快
的響應速度。工藝設備復雜，二次壓縮機和反應器
為超高壓設備(360 MPa)；工藝流程較長，主要包
括壓縮、引發(fā)劑制備及注入、聚合反應、高低壓循環(huán)
氣系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、擠壓及風送等工段。
裝置主要控制系統(tǒng)包括DCS，ESD和脈沖閥
控制器。DCS用于整個生產過程的監(jiān)視和控制；
ESD由專用的硬接線反應器停車邏輯控制系統(tǒng)
(RSD)和主要用于風送脫氣工段的安全可編程邏
輯控制系統(tǒng)(PSD)組成，用于裝置的緊急聯(lián)鎖停
車，同時，PSD也實現(xiàn)ESD的事件順序記錄(S0E)
和與DCS進行數據通訊的功能；脈沖閥控制器則
專門用于反應器出口的脈沖閥的控制。
筆者參加了國內最近2套200 kt／a高壓聚乙烯
裝置(大慶石化公司和蘭州石化公司，均采用
BASELL LUPOtech T 高壓管式反應器工藝)的包
括項目和設備采購技術談判、基礎和詳細設計、現(xiàn)場
施工和開車服務等的與工程設計有關的所有工作，
并對高壓裝置開車及運行階段的常見問題有過深入
分析并妥善處理，尤其對自控方面有關安全的特殊
設計和實效有了較深切的體會，下面分別予以簡介，
以期對同行或同類裝置的設計有所借鑒。
2 DCS的特殊考慮
除“快速數據記錄”和“系統(tǒng)時鐘同步和系統(tǒng)時
收稿日期：2007—11—05
作者簡介：于恩深(1963一)，男，黑龍江拜泉人，1985年大慶
石油學院過程自動化專業(yè)畢業(yè)，學士，畢業(yè)至今一直在大慶石化工
程有限公司從事儀表及自控設計工作，高級工程師，參加過多項大
中型石化裝置工程設計，獲省部級設計獎2項，發(fā)表論文3篇。
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石油化工自動化
間生成”兩種較特殊的要求外，高壓裝置對DCS的
技術要求與一般裝置是類似的。
2．1 快速數據記錄
沿高壓反應器體的溫度(包括其他參數共約
150個AI點)變化對裝置開車和正常運行具有極
其重要的指導作用，所以單獨采用一顯示器對其溫
度變化動態(tài)快速顯示，快速數據采集專用DCS的
一個控制站實現(xiàn)，其顯示專由DCS的一個操作站
實現(xiàn)。對快速數據采集點的掃描周期要求為
100 ms，顯示畫面數據刷新周期不大于500 ms。
2．2 控制系統(tǒng)時鐘同步和系統(tǒng)時間生成
因高壓裝置開車和運行中易發(fā)生聯(lián)鎖跳車，并
且聯(lián)鎖及其關聯(lián)信號分布在DCS和ESD中，而要
準確快速地找出跳車的原因，除了PSD系統(tǒng)要求
較強的SoE功能外，還要求DCS和PSD的基準
時鐘保持同步。
針對中國的具體情況，實際設計中該時鐘同步
是采用全球定位系統(tǒng)(GPS)的接收器實現(xiàn)的，即此
接收器接收全球定位系統(tǒng)發(fā)出的標準時鐘信號并
同步傳輸給DCS和PSD。此特殊的接收器由DCS
廠家成套提供并工程實現(xiàn)。
3 ESD的特殊考慮
3．1 硬接線反應器停車邏輯控制系統(tǒng)(RSD)
考慮到高壓裝置的特殊性，根據專利商要求，
對裝置最為關鍵的高壓部分(主要包括反應器、二
次壓縮機和高壓分離器等)有關的緊急停車控制采
用(RSD)實現(xiàn)。其主要優(yōu)點：系統(tǒng)安全等級達SIL
4級；響應時間快，從收到輸入、進行邏輯運算、到
給出輸出的響應時間不大于80 ms；同類裝置大多
采用此類控制系統(tǒng)；RSD 主要實現(xiàn)緊急程序l
(EP1)和緊急程序2(EP2)的功能。
EP1用以保護二次壓縮機和反應器系統(tǒng)，通
過快速排放二次壓縮機和全反應器系統(tǒng)以避免其
由于乙烯分解或設備等故障而導致壓力溫度超限。
EP1主要由二次壓縮機出口溫度／壓力、反應
器溫度／壓力、高壓分離器液位等超限條件觸發(fā)，也
可手動觸發(fā)；同時，EP2動作也觸發(fā)EP1。
EP1觸發(fā)后主要動作包括：反應器系統(tǒng)的所
有緊急排放閥打開，使二次壓縮機和整個反應器系
統(tǒng)快速泄壓；反應器脈沖閥關閉；高壓循環(huán)切斷閥
關閉，使高壓分離器和高壓循環(huán)氣系統(tǒng)保持在正常
操作壓力；產品閥關閉；一次壓縮機和二次壓縮機
停止，二次壓縮機吸入閥關閉；引發(fā)劑進料關斷，進
料泵停止等。
EP2提供進一步的安全功能以保護產品冷卻
器和高壓分離器，避免其因乙烯分解而產生的高壓
力／溫度而損壞。
EP2主要由反應器脈沖閥和高壓分離器間的
產品冷卻器溫度、高壓分離器溫度和壓力、液壓油
壓力等超限條件觸發(fā)，也可手動觸發(fā)。
EP2觸發(fā)后主要動作為：產品冷卻器入口和
高壓分離器出口緊急排放閥打開，使產品冷卻器和
高壓分離器快速泄壓；觸發(fā)EP1。
3．2 脫氣工段安全聯(lián)鎖邏輯(PSD)
由高壓裝置反應工藝決定，其經擠壓后送料倉
的顆粒中夾帶較多的氣體乙烯，為保證安全，需在
產品進成品倉之前經脫氣倉脫氣，并對脫氣設安全
聯(lián)鎖邏輯控制。
該聯(lián)鎖邏輯主要功能是避免脫氣倉內乙烯
氣體體積分數超高而發(fā)生危險。具體實現(xiàn)是在
某脫氣倉進行脫氣工序時如果其正常脫氣氣體
(空氣)流量過低，則自動(或手動)打開該倉后備
脫氣氣體(高壓氮氣和低壓氮氣)的開關閥補充
脫氣，同時，停止該料倉的進料、排料及摻混等順
序操作。
根據專利商要求，該安全邏輯和判斷某脫氣料
倉處于脫氣工序的邏輯必須在安全型可編程控制
器(S—PLC)內實現(xiàn)，而風送單元其他所有邏輯和
順序控制是在DCS或PLC內實現(xiàn)的，因此具體實
現(xiàn)時需要在S—PLC與DCS(PLC)間交換大量關
聯(lián)信號，基于這一情況，筆者建議在今后類似設計
中，把風送單元控制邏輯及類似PSD 的安全邏輯
都用S—PLC統(tǒng)一實現(xiàn)。前提是由此引起的控制
系統(tǒng)的價格增加必須在合理范圍內。
4 脈沖閥及脈沖閥控制器
由于高壓管式反應器反應生成的聚合物比較
粘稠，易粘附在反應器管壁，這將使管壁傳熱效果
降低，影響反應熱的散發(fā)，降低轉化率。為此反應
器采用脈沖出料，靠脈動流推力來沖刷掉粘附在管
壁的聚合物。具體實現(xiàn)是在反應器出口管設脈沖
閥，并對其采用專用控制器—— 脈沖閥控制器
控制。
脈沖閥為液壓驅動的超高壓(差)角形控制閥，
壓力等級為360 MPa，配套供有液壓伺服閥、液壓
電磁閥、閥位回訊開關及變送器等，以滿足正常生
產或緊急工況時的控制需要。
脈沖閥控制器是基于微處理機技術的專用控
制器，正常生產時，它接收DCS給出的反應器壓
力、脈沖間隔、脈沖寬度等設定信號，經調節(jié)運算后
輸出控制脈沖閥，達到既能定值控制反應器壓力又
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第1期 于恩深．高壓聚乙烯裝置有關安全的特殊自控措施及儀表
能使其周期降壓的目的。同時，它也可以脫離
DCS獨立工作，如上參數也可在脈沖閥控制器內
設定，且降壓過程中的一些細節(jié)參數只能在其內部
設定，如壓力下降時間、壓力上升時間、脈沖深
度等。
除了模擬信號以外，脈沖閥控制器與DCS／
ESD也有約10點的觸點信號交接，由此完成在
EP1，EP2等程序動作時的對脈沖閥的控制。
5 特殊儀表
5．1 高壓熱電偶和快速溫度變送器
為保證測量快速可靠，裝置高壓管線測溫均采
用專用的高壓小惰性熱電偶。根據應用位置不同，
其壓力等級分別為PN 360 MPa，PN 160 MPa，
PN 50 MPa，高壓密封采用金屬線密封，響應時間
t50≤ 0．6 S，t90≤ 1．8 S。
全裝置共有124支高壓熱電偶，其中有103支
作為EP1和EP2的輸入觸發(fā)信號，作用極其重要，
為保證其信號的快速可靠傳送，現(xiàn)場采用快速溫度
變送器把熱偶信號轉換為標準4～20 mA信號，再
送入中控室?？焖贉囟茸兯推黜憫獣r間要求為
t90≤30 ms。
5．2 緊急排放閥
緊急排放閥為液壓驅動的(超)高壓三通開關
閥，裝置共有7臺，其中反應器系統(tǒng)設置6臺(PN
360 MPa)，另1臺(PN 50 MPa)在高壓分離器氣
相出口線上，其特點是耐高壓(差)，動作快(其排放
通路自全關到開度50 的時間僅為0．2 s)，并要
求零故障。它們只受EP1和EP2控制，是裝置高
壓部分緊急工況時的惟一泄壓手段。
5．3 高壓壓力變送器
直接安裝在高壓或超高壓管路上的壓力變送
儀表，采用電阻應變片式測量原理，其測量壓力范
圍可到0~400 MPa，精度為0．5 ，采用二線制本
安型，響應時間應小于10 ms，與介質密封采用金
屬線密封。裝置共有高壓壓力變送器34臺。
5．4 三取二測量
對重要的測量參數(如反應器入口、高壓分離
器氣相出口、液壓油壓力等)，為保證測量可靠，減
少誤動作，現(xiàn)場采用3個壓力變送器測量，其超限
信號送入RSD的緊急程序EP1，EP2中，采用三取
二邏輯。
5．5 高壓分離器的液位測量
高壓裝置共有5臺設備需采用核輻射儀表測
量液位，其中高壓分離器的液位測量較具難度，因
其設備內部壓力較高(正常約30 MPa)，溫度高(正
常約250℃)，設備壁厚較大(約200 mm)，內部介
質密度較大，采用普通的遮擋法核輻射測量液位是
無法實現(xiàn)的，故實際上設備廠家根據需要對射源和
檢測器處均做了伸入設備內的特殊套管，自控設計
則因此采用核輻射穿透法來測量液位。
核輻射穿透法測量原理決定其要求的核源強
度較大，如何在保證測量效果的前提下盡可能使用
較小強度的射源是這一測量的核心所在(當然這也
是所有核輻射測量技術的核心問題)，實際應用證
明二者是可以兼得的。
5．6 水中乙烯分析儀
高壓管式反應器長期在高溫和超高壓脈動壓
力的苛刻條件下工作，故可能產生裂縫，這在以往
裝置的實際生產中曾出現(xiàn)過，所以快速準確地檢測
出其本體可能有的裂縫對裝置的安全極其重要，這
一難題是由水中乙烯分析儀的間接測量解決的。
水中乙烯分析儀采用紅外測量原理，安裝在管
式反應器夾套的熱水回水系統(tǒng)處，只要在熱水系統(tǒng)
的蒸汽中檢測到乙烯，便可斷定反應器有裂縫。
5．7 高壓系統(tǒng)儀表的抗振措施
裝置的高壓壓力變送器直接安裝在高壓管線
上，正常生產時因高壓管線振動而引起變送器表頭
接線盒處有振動，為避免因振動而使電纜接線松
動、斷線或損壞儀表的情況發(fā)生，設計中對該表安
裝采用特殊的加強支架，由支架把變送器及其安裝
管道結為一體，從而減少了變送器表頭的振動幅
度，達到了預期效果。
6 反應壩內可燃氣體的檢測
因聚合反應劇烈，如操作不當，將出現(xiàn)爆聚使
壓力急劇升高而發(fā)生危險，故為安全考慮，一般高
壓裝置均把高壓聚合反應器和高壓分離器布置于
一防爆圍墻內，也稱反應壩。反應壩內的可燃氣體
檢測主要檢測管式反應器各段連接法蘭處的泄漏。
管式反應器在反應壩內分段由法蘭連接組合
成立體螺旋排列，反應器設計制造和平面布置保證
了每組法蘭連接群處各法蘭均處于同平面坐標位
置而僅是立面高度不同，因此，為檢測反應器各段
連接法蘭處的泄漏，先在每組法蘭連接群處作一自
下而上的風道，在此風道的下口和上口各安裝一催
化燃燒式可燃氣體檢測器，以此達到測量泄漏的可
燃氣體的目的。
為保證操作維護人員的安全，如上的可燃氣體
檢測儀表選用分體結構，即檢測器安裝在反應壩
內，而變送器安裝于反應壩外，二者之間采用遠程
標定設施。
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石油化工自動化
為保證測量的可靠，在每組風道的上口又增設
了開路紅外式可燃氣體檢測器。
鑒于反應壩內可燃氣體泄漏的可能后果，根據
專利商要求，如上催化燃燒式可燃氣體檢測器任何
2個信號同時超限和每組風道上口的催化燃燒式
及開路紅外式可燃氣體檢測器同時超限報警時，信
號送RSD觸發(fā)EP1。
7 機械鎖
機械鎖一般裝在如工藝閥門的手動操作機構
上，安裝有機械鎖的手動操作機構只有其在正確的
操作位置并且有專用鑰匙開啟的情況下，才可下一
步手動開向其相反位置，幾個有機械鎖的手動機構
組合操作則構成了一個只能按惟一順序才能進行
的邏輯手操過程，這一過程不便于操作，但能保證
絕對安全。對某些有關裝置安全的重要操作，采用
機械鎖是最直接最可靠的選擇。高壓裝置在如高
壓氮氣罐(服務于反應器緊急排放閥和風送緊急脫
氣閥)充氣系統(tǒng)的關鍵處采用了機械鎖。
機械鎖系統(tǒng)一般由帶機械鎖的現(xiàn)場執(zhí)行設備、
專用鑰匙及控制室內鑰匙柜組成，裝置運行時，每
個現(xiàn)場執(zhí)行設備的一個鑰匙必須插在鑰匙柜的相
應位置上。
普通的機械鎖系統(tǒng)應屬于工藝操作的范疇，
但有些復雜的機械鎖系統(tǒng)則配有一次儀表(如位
置開關和／或電磁等)與裝置控制系統(tǒng)邏輯緊密
關聯(lián)，此時的機械鎖也應屬于裝置安全控制的一
部分。高壓裝置與裝置控制系統(tǒng)有關的機械鎖
主要有兩處。
7．1 放空塔排料的機械鎖系統(tǒng)
EP1和EP2觸發(fā)后，高壓聚合物通過緊急排
放閥排到底部錐體有水的放空塔，其中氣態(tài)乙烯自
放空塔上部排放，而其余聚合物接觸水后成為白色
粉末狀(或松散塊狀)沉積物，緊急停車后再次開車
前，須清理出此沉積物。
放空塔底部水位測量采用核輻射儀表，射源鉛
罐孔開閉有位置開關檢測并由氣動執(zhí)行機構控制；
放空塔底部卸料大蓋開閉設位置開關檢測并由液
壓執(zhí)行機構開啟。在放空塔底部地面設有開啟射
源和底蓋的現(xiàn)場控制箱(均帶機械鎖設施)。進放
空塔的稀釋蒸汽線、低壓氮氣線和熱水線均裝有帶
機械鎖的手閥。
裝置正常生產時，射源鉛罐孔處于開位置，放
空塔底部卸料大蓋處于關位置(信號送DCS作為
裝置開車允許條件)。
ESD觸發(fā)裝置停車后，須清理出放空塔內的
沉積物，首先，在滿足一次機／2次機停止等一系列
條件的前提下，DCS邏輯給現(xiàn)場底蓋控制箱一允
許開蓋信號，再從機械鎖鑰匙柜取出專用鑰匙到現(xiàn)
場依次關閉稀釋蒸汽線、低壓氮氣線、熱水線帶機
械鎖的手閥，而后用前者釋放的鑰匙通過上述射源
控制箱關閉射源，最后，在射源關閉位置信號送到
底蓋的控制箱的前提下，才可用前者釋放的鑰匙通
過該控制箱的手動開關打開放空塔的底蓋卸料。
開車前關閉放空塔底蓋的順序與上述順序恰
好相反。
通過如上的較為復雜而嚴格的操作過程，保證
了開車時的裝置安全和停車后對操作人員的可靠
保護。
7．2 機械鎖與ESD
高壓裝置共有4組機械鎖系統(tǒng)，在控制室設1
個機械鎖鑰匙柜，鑰匙柜上各組應歸位的分鑰匙和
一個總鑰匙位置是固定的。ESD盤上設機械鎖總
鑰匙插座(帶位置開關和鎖定機構)。
裝置開車前，各組機械鎖系統(tǒng)現(xiàn)場操作必須完
成，而后各分鑰匙必須在鑰匙柜歸位，且只有在各
分鑰匙都歸位后，才能拔下總鑰匙，把它插入ESD
盤上的機械鎖總鑰匙插座中，此時，就位信號送
ESD邏輯中，裝置方可正常開車。
在ESD觸發(fā)裝置停車后，ESD輸出給總鑰匙
插座鎖定機構以釋放信號，此時方可拔下總鑰匙，
將其插入機械鎖鑰匙柜的總鑰匙插座后，才能取下
各組機械鎖系統(tǒng)的分鑰匙對現(xiàn)場各機械鎖系統(tǒng)
操作。
通過機械鎖和ESD邏輯的交叉互鎖控制，保
證了只有在現(xiàn)場各有關安全的機械鎖操作完成后
裝置才能開車和只有在裝置停車后才能進行現(xiàn)場
各機械鎖系統(tǒng)操作的工藝要求。
8 結束語
因高壓裝置的特殊性，決定了參加工程的各方
(包括專利商和工程承包商、設計和用戶等)對裝置
的安全性和可靠性有著更多的要求，如上只是對自
控設計方面諸多安全對策中的某些特殊措施、儀表
的介紹。同時，其他各專業(yè)也采用了諸多安全可靠
的方案，也正因如此，才保證了高壓裝置整體的可
靠，達到了化危險為安全的最終效果，2套高壓裝
置的一次開車成功和平穩(wěn)運行，是對各方艱辛工作
的最好肯定和回報。
參考文獻：
1 孟繁榮．石油化工裝置過程控制設計手冊．北京：中國石化出版
社，1995，267～ 295

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