聚合釜ESD紧急停车系统改造

　　我厂PVC装置年产量23万吨，以氯乙烯单体为原料，采用悬浮聚合间歇生产工艺。聚合单元有127 m3大型聚合釜8台，聚合釜设计温度为10 ℃～100 ℃，设计压力为1.2 MPa，带有搅拌器和冷却水夹套。1998年对PVC装置控制系统进行了DCS（Distributed Control System）改造，2013年对原DCS进行了升级，并对原来的ESD（Emergency Shutdown Device）进行改造。原ESD系统于1988年随装置投入运行，使用年限已25年，继电器、开关、传感器、执行部件严重老化，可靠性大大降低，并且没有事件记录功能，给后面的事故分析增加难度。为了确保生产过程的安全运行，保证生产设备和人员的安全，ESD系统被广泛应用于现代化生产，在石化行业体现尤为突出。ESD系统独立于DCS，其安全级别高于DCS[1]。当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS，而由ESD直接发出联锁保护信号，避免危险扩散。  　　1 系统特点  　　1.1 控制系统简介  　　横河公司的ProSafe-RS安全系统符合IEC 60508和IEC 61511这些最新的国际标准的要求，取得了TV SIL3的安全认证。并且是符合IEC61511国际标准并且达到SIL3安全等级的安全仪表系统。其简单的结构就可实现安全系统的高安全性和高可靠性。横河公司安全仪表系统的应用领域包括：紧急停车系统（ESD）、过程停车系统（PSD）、消防系统（F&G）、燃烧器管理系统（BMS）。  　　1.2 系统控制站构成  　　整个ESD系统由1套ProSafe-RS组成。共2套冗余的控制器，55块SDV144―DI卡和29块SDV541（DO卡），所有的I/O卡件安装在共2个CPU单元中和11个I/O节点单元中。信号经过中间端子板接入ProSafe-RS系统的I/O卡件上。所有I/O点都按15%的余量备用。整个ProSafe-RS控制系统由1002D全冗余结构组成。控制站的CPU及控制总线为Pair--Spare冗余容错结构。I/O卡为1：1冗余配置，所有I/O卡件均能在线插拔和更换。  　　1.3 供电  　　系统采用了双冗余的UPS电源供电，确保了ESD供电的稳定性。UPS分别为SCS控制站、继电器，I/O卡件、现场电磁阀、辅操台供电。当停电时供电时长大于2 h，保证出现停电事故时，ESD系统的可靠工作。  　　1.4 安全独立原则  　　独立的控制回路，独立于PLC、DCS系统。所以当PLC、DCS系统因掉电、系统故障无法发出加入指令时，新加的操作台系统可以继续发出加入指令，保证终止剂能够顺利地加入聚合釜。  　　1.5 顺序事件记录（SOER）  　　SOER事件记录时间分辨率为1 ms级别。系统的SOER记录功能可对ESD系统本身的故障或导致联锁停车的各种事件进行记录，提供给用户对装置停车原因进行分析的工具。SOER信息分两种：一种是事件日志文件；一种是TRIP信号文件。  　　1.6 自诊断技术  　　ProSafe-RS的自诊断技术可在一个扫描期内对系统的全部硬件进行诊断，在线诊断覆盖率达到99%。CPU和I/O卡件的故障检测信息均可显示在操作站和工程师站上，故障模件的位置可被显示出来。对卡件所接的现场回路的开路和短路进行检测，并可将诊断信息发到安全工程师站上。  　　1.7 网络结构  　　PVC装置过程控制系统采用的是横河Centum VP，ESD系统以ProSafe-RS为核心。它们共用同一控制网络，共用一个统一集成的操作窗口HMI。并且在同一网络上的各控制器之间交换数据和通讯都是经过TV安全认证的“安全通讯”方式。  　　2 控制原理  　　2.1 终止剂系统  　　该装置有聚合釜8台，每釜配4罐紧急终止剂，分别从釜的顶部、中部、底部加入。终止剂采用ATSC溶液。聚合反应在带有搅拌器和冷却水夹套的聚合釜中进行，反应过程伴随着放热压力上升现象，若控制不当则会发生重大事故。事故状态下加入的紧急终止剂，由ESD控制加入。紧急终止剂加入聚合釜后，与物料充分混合才能使聚合迅速终止，这要靠聚合搅拌来完成。但当聚合装置发生停电故障时，就会停止搅拌。因此底部管线通高压氮气，必要时用高压氮搅动浆料，但时间不可太长以30 s为宜。  　　2.2 联锁信号及动作  　　按危险程度及影响范围分成一级紧急情况（EMG1）和二级紧急情况（EMG2）。  　　2.2.1 EMG1产生条件  　　（1）电力故障，控制系统自动产生EMG1信号。  　　（2）预料装置将遭到火灾或爆炸延续，操作员按EMG1开关。  　　（3）由于地震等原因，预料装置将遭到破坏，操作员按EMG1开关。  　　（4）发现聚合釜大量泄漏氯乙烯，操作员按EMG1开关。  　　EMG1产生动作：  　　（1）所有聚合釜的所有过程全部变为半自动（SA）方式。  　　（2）处于聚合反应的以EMG2终止。  　　2.2.2 EMG2产生条件  　　（1）EMG1信号对聚合中的聚合釜产生EMG2信号。  　　（2）聚合釜搅拌器跳闸或运行信号丢失产生EMG2信号。 　　（3）1号线电力故障，前4个聚合过程中的聚合釜产生EMG2信号。  　　（4）2号线电力故障，后4个聚合过程中的聚合釜产生EMG2信号。  　　（5）聚合釜出现异常时，操作人员按EMG2按钮。  　　EMG2产生的动作：  　　（1）所有过程切换到SA方式。  　　（2）终止剂强制加入。  　　（3）起动DCS相关程序（聚合釜强制冷却和回流冷凝器强制投用）。  　　（4）放空系统投用。  　　2.3 控制基本要求  　　2.3.1 终止剂加入过程  　　当生产中出现事故需要停止聚合反应时，由自动控制装置或操作人员手动加入终止剂。终止剂加入共分两步：第一步EMG2信号产生时，靠近聚合釜的柱塞阀打开，并行的两个切断阀只打开上面一个，当液位下降到一半时再关闭它。第二步按下ADD按钮打开另一切断阀，剩余的终止剂全部加入釜内。这里设置两个切断阀的目的是为了保证其中一个失效时另一个能安全工作。终止剂加入后，因搅拌器原因终止剂不能很好分散时，可手动打开氮气阀，将高压氮气从底部加入点鼓入聚合釜，使终止剂与浆料分散及混合，提高终止效率。  　　2.3.2 系统初始条件  　　当初始条件满足时，向DCS发送初始化信号，此信号作为批量控制程序自动进行条件之一。初始化条件：（1）所有终止剂罐液位保证满罐。（2）罐压力达到1.5 MPa。（3）与聚合釜连接处的管线压力低于0.1 MPa。（4）终止剂罐出口管线上手阀为开信号，倒淋阀为关信号。（5）程控阀回迅为关信号。以上任何条件不满足，聚合反应批量控制程序不能起动。  　　2.3.3 报警信号设置  　　终止剂罐顶部安装了压力开关，当压力低于设定值时，发出报警信号，操作人员一定要检查N2压力，防止事故发生时终止剂压不进聚合釜。在加入点安装压力开关，其作用检查根阀没关死造成釜内压力泄漏。每个终止剂罐装有3个液位开关，顶部液位开关保证正常状态下终止剂满罐，低报时工作人员应及时补充。底部液位开关低报时说明终止剂加完，关闭所有阀门，防止高压N2通过管线进入聚合釜造成压力持续升高。  　　3 结语  　　全文对ESD系统结构组成，联锁设置以及工艺原理等内容加以阐述，与DCS之间的通信也作了介绍。2013年5月完成改造后的聚氯乙烯装置ESD系统完全顺应了当今安全生产的发展要求，为生产装置的稳定运行提供了保障。  　　参考文献  [1] 耿国强，黄鹏.ESD在PVC聚合装置中的设计及应用[J].聚氯乙烯，2009，37（4）：22-26.  [2] 龚义文.安全仪表系统在化工装置中的应用[J].自动化仪表，2010，31（12）：50-54.