羅欣穎

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

現(xiàn)今航空航天、機(jī)械裝備制造和汽車行業(yè)對(duì)高質(zhì)量潤滑油的需求與日俱增，目前國內(nèi)生產(chǎn)能力面臨較大缺口。此類油品生產(chǎn)裝置具有良好的發(fā)展前景及可觀的經(jīng)濟(jì)效益。控制方案是裝置的核心，合理的控制方案能夠提高裝置的自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率，整體提升裝置的經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)于聯(lián)鎖控制方案而言，可以有效地降低裝置生產(chǎn)運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)裝置及操作人員人身安全。因此控制及聯(lián)鎖方案的有效實(shí)施是裝置運(yùn)行中的重要環(huán)節(jié)。本文以國內(nèi)某油品生產(chǎn)裝置為基礎(chǔ)，對(duì)裝置中的主要控制及聯(lián)鎖方案進(jìn)行討論，并結(jié)合開車調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行探討并提出改進(jìn)方案。

1 油品生產(chǎn)裝置工藝流程簡述

該裝置以烯烴為原料，通過催化劑作用，經(jīng)過反應(yīng)及吸附分離回收等工序后得到一種高質(zhì)量潤滑油產(chǎn)品。

2 油品生產(chǎn)裝置主要控制方案

2.1 反應(yīng)單元油品吸附系統(tǒng)順序控制方案

（1）工藝控制要求

圖1 為油品吸附工藝流程示意圖。從反應(yīng)器出來的反應(yīng)產(chǎn)物中含有反應(yīng)后殘留的催化劑等需要移除，故將上游油品引入油品吸附罐，利用吸附劑去除反應(yīng)產(chǎn)物中的不必要組分。此時(shí)，油品與吸附劑在吸附罐中需充分結(jié)合（使用攪拌器攪拌）并在罐體中停留一段時(shí)間，吸附完成后反應(yīng)產(chǎn)物將進(jìn)入后續(xù)工段的過濾器中。油品吸附過程需要物料在吸附罐中停留一段時(shí)間進(jìn)行吸附，為了使工藝流程持續(xù)，所以在工藝上采用了A/B 線切換方案，即A 線（或B 線）停留在罐中吸附時(shí)，B 線（或A 線）已經(jīng)完成吸附的物料進(jìn)入后續(xù)工段。

（2）順序控制方案

如圖1所示，順序控制的初始狀態(tài)為A 線及B線油品吸附罐進(jìn)出料閥門、吸附劑加料罐及吸附劑計(jì)量罐出料閥、氮?dú)獯祾唛y均處于關(guān)閉狀態(tài)。下文以A線為例進(jìn)行描述。

圖1 油品吸附工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the oil adsorption process

啟動(dòng)順序控制，打開吸附劑加料罐出口閥A，使其維持全開狀態(tài)一段時(shí)間后關(guān)閉（將吸附劑轉(zhuǎn)入計(jì)量罐中）。打開油品吸附罐進(jìn)料閥A，液位到達(dá)低液位設(shè)定值后，同時(shí)打開吸附劑計(jì)量罐出口閥A 以及氮?dú)獯祾唛yA（利用氮?dú)鈮毫⑽絼┧腿胛焦迌?nèi)），到達(dá)設(shè)定時(shí)間后關(guān)閉上述兩臺(tái)閥門。啟動(dòng)油品吸附罐攪拌器。液位到達(dá)高液位設(shè)定值后，關(guān)閉攪拌器以及進(jìn)料閥A，并打開吸附罐出料閥A。液位降至低液位設(shè)定值后關(guān)閉出料閥A。A 線催化劑吸附順序控制結(jié)束。B 線順控操作同上。

（3）調(diào)試與開車階段發(fā)現(xiàn)的問題

①啟動(dòng)順序控制后需人工切換A/B 線，無法實(shí)現(xiàn)A/B 罐之間的自動(dòng)切換，且由于兩個(gè)罐體的頻繁切換而導(dǎo)致操作員工作負(fù)荷增加。

②吸附劑加料罐的出料閥A 關(guān)閉后，直接打開吸附罐進(jìn)料閥。此時(shí)，尚未對(duì)待進(jìn)料的罐體進(jìn)行液位判斷，在裝置運(yùn)行過程中可能存在一定的溢罐風(fēng)險(xiǎn)。

③開車調(diào)試階段利用氮?dú)鈱⑽絼┯?jì)量罐內(nèi)的吸附劑送入油品吸附罐時(shí)，根據(jù)下游油品質(zhì)量改進(jìn)吸附劑計(jì)量，所以吸附劑計(jì)量罐出口閥以及氮?dú)獯祾唛y開關(guān)時(shí)長設(shè)定時(shí)間需要手動(dòng)調(diào)整，以確保進(jìn)入下游過濾器油品質(zhì)量。裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，盡量確保每一次吹掃吸附劑的氮?dú)鈮毫Σ蛔儯椅絼┯?jì)量罐出口閥和氮?dú)獯祾唛y開關(guān)時(shí)長一致。一旦壓力或者閥門開關(guān)時(shí)長發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入油品吸附罐的吸附計(jì)量發(fā)生變化而影響吸附效果。

（4）順序控制方案的改進(jìn)

針對(duì)上述在調(diào)試及開車階段發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)順序控制方案做出了改進(jìn)（仍以A 線為例）。

啟動(dòng)順序控制，當(dāng)油品吸附罐A 液位低于低液位設(shè)定值且罐B 液位高于高液位設(shè)定值時(shí)（開車工況時(shí)，罐B 為空罐零液位，手動(dòng)開罐A 進(jìn)料閥）開罐A 進(jìn)料閥同時(shí)開吸附劑加料罐出口閥A，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后關(guān)閉吸附劑加料罐出口閥A。下一步，開啟吸附劑計(jì)量罐出口閥A 以及氮?dú)獯祾唛yA，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后關(guān)閉上述兩臺(tái)閥門。罐A 液位上升至高液位設(shè)定值時(shí)關(guān)閉進(jìn)料閥A 并開啟出料閥A，至液位降至低液位設(shè)定值時(shí)關(guān)閉出料閥A。

（5）改進(jìn)前后控制方案對(duì)比

①啟動(dòng)順控后，同時(shí)將兩個(gè)罐體的料位（一個(gè)罐高料位，另一個(gè)罐低料位）作為順控條件，以此實(shí)現(xiàn)A/B 罐之間的自動(dòng)進(jìn)出料切換（除開車工況外）。改進(jìn)后提高了裝置的自動(dòng)化效率，減輕了操作人員的工作負(fù)荷。

②改進(jìn)后通過預(yù)進(jìn)料罐的低液位以及切換罐的高液位相互制約來開啟進(jìn)料閥，有效避免了溢罐風(fēng) 險(xiǎn)。

③在DCS 順序控制操作界面中將閥門開關(guān)時(shí)長的設(shè)定時(shí)間設(shè)置為可手動(dòng)修改，使工藝操作人員可以根據(jù)下游油品吸附效果及時(shí)調(diào)整吸附劑計(jì)量，從而改善吸附效果。在今后擴(kuò)大規(guī)模的裝置中，可考慮提高吸附劑計(jì)量的控制精度，可以有效提高下游油品質(zhì) 量。

④改進(jìn)后順控方案中，攪拌器的啟動(dòng)與停止不再在順序控制中實(shí)現(xiàn)，僅根據(jù)液位高低值來聯(lián)鎖控制其開停，罐體液位高時(shí)停攪拌器液位低時(shí)開攪拌器。改進(jìn)方案簡化了攪拌器的控制邏輯，且在開始進(jìn)料并加入吸附劑的過程中已經(jīng)啟動(dòng)攪拌器，這樣提高了攪拌器的攪拌效率，同時(shí)能夠讓吸附劑和物料接觸更加充分。

⑤無論是改進(jìn)前還是改進(jìn)后控制方案，要實(shí)現(xiàn)A/B 罐間的切換以及保持上下游物料連續(xù)，當(dāng)罐體內(nèi)物料達(dá)到高液位設(shè)定值后即將打開罐體出料閥。所以最后進(jìn)入吸附罐的上游物料在罐體中停留的時(shí)間相對(duì)較短，這是該種工藝流程中無法避免的問題。

通過上述改進(jìn)，裝置開車后運(yùn)行平穩(wěn)正常。

2.2 裝置中典型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

目前許多石油化工生產(chǎn)裝置中，物料儲(chǔ)罐的氮?dú)饷芊饧皦毫刂葡到y(tǒng)采用分程控制方式，即用一個(gè)調(diào)節(jié)器按輸出信號(hào)的不同區(qū)域同時(shí)控制兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方式。此種控制方式一是可以擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，改善控制的品質(zhì)；二是可以滿足工藝操作中更加精確的要求[1]?，F(xiàn)今石油化工裝置中的分程控制系統(tǒng)一般都采用DCS（Distributed Control System 分散控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)的分程模塊實(shí)現(xiàn)，分程模塊的優(yōu)點(diǎn)是：易于實(shí)現(xiàn)，便于調(diào)校、維修以及更換[2]。

（1）工藝控制要求

根據(jù)裝置的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，催化劑配置/計(jì)量罐、吸附罐、緩沖罐、油罐和反應(yīng)器等罐體的壓力均需要維持在某設(shè)定值（正壓）范圍內(nèi)，主要目的是使罐頂壓力始終維持在一個(gè)相對(duì)固定的范圍內(nèi)。裝置中罐體均利用精制氮?dú)鈱?duì)罐頂壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，本文以圖1 中催化劑吸附罐壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。通過罐體壓力實(shí)時(shí)測量值同時(shí)調(diào)節(jié)氮?dú)庖约胺趴展芫€上的調(diào)節(jié)閥開度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定罐體壓力的作用。

如圖1所示，當(dāng)吸附罐罐體進(jìn)料時(shí)，液位上升，灌頂壓力上升至壓力下限設(shè)定值時(shí)，停止補(bǔ)充氮?dú)?，若壓力持續(xù)升高至壓力上限設(shè)定值時(shí)，放空閥逐步打開適量放空。當(dāng)吸附罐罐體出料時(shí)，液位下降，灌頂壓力降低至壓力下限設(shè)定值時(shí)，繼續(xù)補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

（2）分程控制方案

該裝置中分程控制均在DCS 系統(tǒng)中完成，分程控制描述為：控制器輸出0%～45%時(shí)，進(jìn)氣閥開度從100%～0%，放空閥開度為0%；控制器輸出45%～55%時(shí)，兩個(gè)閥開度都是0%；控制器輸出55%～100%時(shí)，放空閥開度從0～100%，進(jìn)氣閥開度為0%。45%～55%區(qū)間可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，分程控制區(qū)間如圖2所示。

圖2 分程控制區(qū)間Fig.2 The interval of split control

（3）對(duì)分程控制方案的探討

①調(diào)節(jié)閥的氣開/氣關(guān)形式

該裝置中，從工藝安全的角度，進(jìn)氣閥在發(fā)生故障時(shí)停止補(bǔ)氣應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，故其形式為FC（氣開型）；放空閥在發(fā)生故障時(shí)將灌頂氣體排空，故其形式為FO（氣關(guān)型）。壓力調(diào)節(jié)信號(hào)從0 增至壓力下限設(shè)定值時(shí)對(duì)應(yīng)進(jìn)氣閥開度從100%～0%，調(diào)節(jié)信號(hào)由壓力上限設(shè)定值至100%時(shí)對(duì)應(yīng)放空閥開度從0%～100%。對(duì)于被控過程而言，當(dāng)壓力信號(hào)增加（減?。r(shí)，閥門開大（關(guān)?。吮豢剡^程為正作用；當(dāng)壓力信號(hào)增大（減?。r(shí)，閥門關(guān)?。ㄩ_大），此被控過程為反作用。綜合考慮以上因素，可以通過DCS 系統(tǒng)的分程控制模塊實(shí)現(xiàn)分程控制，完成工藝控制要求。

在一些化工裝置中，放空管線上的調(diào)節(jié)閥選型為FC（氣開型）。一方面，考慮在發(fā)生故障后，罐體壓力可維持故障前的壓力狀態(tài)。另一方面，若故障時(shí)打開放空閥，壓力釋放后罐內(nèi)壓力降低，若短時(shí)間內(nèi)重新開工，則需重新補(bǔ)充氮?dú)?，這樣會(huì)造成氮?dú)獾念~外消耗。

考慮上述兩點(diǎn)，在符合工藝安全的前提下，后續(xù)類似工況是否可采用進(jìn)氣閥以及放空閥均采用FC（氣開型）形式。因在本裝置中此種工況較多，本文在此提出思考，在后續(xù)類似裝置設(shè)計(jì)中考慮能否做出適當(dāng)改進(jìn)。

②分程區(qū)間的確立

選擇分程控制區(qū)間的一般規(guī)律[3]為：若隨著調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的增加，A 閥開度逐漸增大（或減小）至一定開度后需要調(diào)節(jié)B 閥時(shí)，則B 閥工作在高信號(hào)區(qū)間；若隨著調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的減小，A 閥開度逐漸增大（減小）至一定開度后需要調(diào)節(jié)B 閥時(shí)，則B 閥工作在低信號(hào)區(qū)間。在本裝置的分程控制方案中，隨著壓力信號(hào)的增加即調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的增大，進(jìn)氣閥A 開度逐漸減小至全關(guān)后，若壓力隨著液位的增加仍持續(xù)升高，則需要打開放空閥A。所以本裝置中分程控制的分程區(qū)間如圖2所示。

③中間區(qū)間的選擇

在該裝中，當(dāng)壓力調(diào)節(jié)信號(hào)達(dá)到設(shè)定值的下限時(shí)，進(jìn)氣閥A 全部關(guān)閉，隨著調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)繼續(xù)增加（壓力增加）至設(shè)定值上限時(shí)，再逐步打開放空閥A。設(shè)定值下限至設(shè)定值上限區(qū)間內(nèi)，兩個(gè)閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。

此種控制方案在實(shí)際生產(chǎn)中已較為常見。倘若不設(shè)置該區(qū)間，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的設(shè)定值僅為區(qū)間上的一點(diǎn)。有時(shí)由于調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)的滯后以及不同閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間的差異，輸出控制信號(hào)由設(shè)定值附件變化時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)放一臺(tái)閥門已經(jīng)開啟而另一臺(tái)閥門尚未關(guān)閉的情況。這樣會(huì)造成氮?dú)獾睦速M(fèi)，所以設(shè)置該區(qū)間，可保留充分時(shí)間使調(diào)節(jié)閥完成動(dòng)作，消除調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的滯后現(xiàn)象。該 裝置中所有壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)初始中間區(qū)間設(shè)置為45%～55%，在開車及調(diào)試階段該區(qū)間可根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)不同工藝狀況適當(dāng)調(diào)整。

3 安全聯(lián)鎖方案

在本裝置中，主要聯(lián)鎖保護(hù)方案為：反應(yīng)器壓力或溫度高高時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉反應(yīng)器進(jìn)出料閥門、進(jìn)出料泵、壓縮機(jī)及加熱器等關(guān)鍵設(shè)備。本文著重對(duì)裝置催化劑單元中烷基鋁系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)方案加以探討。

（1）工藝安全保護(hù)要求

裝置中采用烷基鋁作為助催化劑參與聚合反應(yīng)。而烷基鋁作為一種危險(xiǎn)化學(xué)品，在空氣中（特別是潮濕空氣）可自燃，與非金屬氧化物（如二氧化碳等）接觸發(fā)生著火或爆炸，且與水接觸，可發(fā)生劇烈反應(yīng)，引起著火或爆炸[4]。鑒于上述烷基鋁的高火災(zāi)危險(xiǎn)性，必須針對(duì)其設(shè)置安全聯(lián)鎖保護(hù)方案。

（2）安全聯(lián)鎖方案

目前，國內(nèi)各類化工裝置中對(duì)于烷基鋁系統(tǒng)緊急狀態(tài)聯(lián)鎖保護(hù)方案中，主要采取兩種措施：一是控制室或者現(xiàn)場手動(dòng)緊急停車；二是當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)纏繞在管線上的易熔斷聚乙烯儀表氣源管線被燒斷，使該工藝管線上的緊急切斷閥失氣保持在安全位置[5]。

基于上述措施，本裝置烷基鋁系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)方案的觸發(fā)聯(lián)鎖條件為 ：現(xiàn)場急停開關(guān)（設(shè)置在距離催化劑單元約15 m 處）或CCR 輔操盤急停開關(guān)或儀表風(fēng)管線壓力低低（聚乙烯氣源管線被燒斷）或烷基鋁收集罐液位高高（裝置處于事故狀態(tài)）。聯(lián)鎖動(dòng)作為：關(guān)閉烷基鋁儲(chǔ)罐入口及出口閥，打開烷基鋁收集罐入口閥，關(guān)閉烷基鋁配制罐入口閥（聯(lián)鎖動(dòng)作工藝管線上的緊急切斷閥）。同時(shí)為烷基鋁儲(chǔ)罐出口閥單獨(dú)設(shè)置現(xiàn)場手動(dòng)開關(guān)。

（3）安全聯(lián)鎖方案探討

裝置正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行催化劑配比的過程中需要對(duì)烷基鋁配制罐入口閥進(jìn)行手動(dòng)操作。即該臺(tái)閥門在裝置正常運(yùn)行時(shí)由DCS 系統(tǒng)控制，而在緊急事故狀態(tài)下由SIS 系統(tǒng)控制。為了進(jìn)一步提高工藝操作的安全性，對(duì)該切斷閥的控制方案進(jìn)行了改進(jìn)。給出兩個(gè)改進(jìn)方案，一是增加一臺(tái)閥門，將DCS 控制與SIS 聯(lián)鎖操作完全獨(dú)立；二是對(duì)現(xiàn)有開關(guān)閥增加一臺(tái)電磁閥，使DCS 控制與SIS 聯(lián)鎖相對(duì)獨(dú)立。在節(jié)約成本以及兼顧安全性的前提下，最終選擇方案二。在方案二現(xiàn)場安裝程中，應(yīng)注意將SIS 電磁閥靠近閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝，保證SIS 聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，閥門能夠快速響應(yīng)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)某油品生產(chǎn)裝置中的主要控制以及聯(lián)鎖方案進(jìn)行了改進(jìn)及探討。順序控制方案的合理性是保證工藝流程的重要環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)過程中通過與工藝以及操作人員不斷溝通討論，結(jié)合裝置自身的工藝特點(diǎn)，才能制定出合理的順序控制方案。分程控制在化工裝置中十分常見且普遍應(yīng)用，但在分程控制方案確定過程中，需分析清楚控制系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表設(shè)備之間的工作配合原理，注意現(xiàn)場儀表設(shè)備（閥門）的選型，確保實(shí)現(xiàn)工藝要求。為提高烷基鋁系統(tǒng)的安全性，結(jié)合實(shí)際工況，對(duì)其安全聯(lián)鎖方案做出了細(xì)節(jié)性調(diào)整。設(shè)計(jì)合理安全的控制以及聯(lián)鎖方案是保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，本文結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐，為今后擴(kuò)大裝置規(guī)模積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。