扬子石化650kt乙烯装置SIS系统设计综述

扬子石化650kt/a乙烯装置SIS系统设计综述

扬子石油化工股份公司烯烃厂 杨金城

摘要：本文探析了乙烯装置SIS（ESD）系统的设计要求，介绍了北京康吉森公司TS3000系统的结构和特点，文中重点介绍了扬子2#乙烯扩建装置中SIS系统的配置方案，设计方法和设计特点。

关键词：乙烯；SIS；紧急停车系统；联锁；设计；综述

乙烯装置是石化工业的核心装置，乙烯装置以规模大、流程长、工艺复杂著称，同时又具有高温、高压，易燃、易爆等多种特征，生产工艺极其复杂；乙烯装置又是能耗高的生产装置，生产过程中需要消耗大量的水、电、汽，大量的物料在装置的管道、塔、贮罐和各种设备之间流动，在装置发生意外停车时会由于大量的物料不能贮存下来必须排放火炬，这就会造成很大的损失。每次生产波动，按400kt/a乙烯装置每小时生产合格乙烯产品50000kg/h计算，每小时损失的效益约为300万元左右，由于乙烯装置工艺流程很长，在装置发生停车之后，整个工艺系统调整到正常状态的时间一般要有10多个小时，所以每停车一次的损失都有好几千万。由于乙烯装置是扬子公司的核心装置，极易受其他上游装置的波动而波动，如电网的波动对装置的安全生产影响就很大，一旦乙烯装置波动也会对整个公司的生产经营造成很大的困难，实现乙烯装置安全、稳定、高效运行是提高效益的关键，所以乙烯装置对于安全控制的要求是相当高的。

美国仪表协会（ISA ）将危险生产装置的危害等级分为SIL1~3 （Safety Integrity Level ）级，乙烯装置在故障状态下对设备、人员和社区的危害程度属于最高级第3级，此级表示在发生意外的情况下产生的破坏性极大。因此工艺包供应商要求采用安全仪表系统SIS实现乙烯装置长周期高效率运行，设计中要求装置的安全整体水平必须达到SIL3标准，充分实现SIS系统的安全性、及时性和有效性，避免因控制系统的波动而影响正常生产，从设计上使装置处于本质安全的状态。

扬子石化乙烯装置由于1#老线和2#新线构成，两条生产线的最大生产能力都为400kt/a。1#乙烯装置(下称老区，Existing Plant)原来采用的是Honeywell公司的LM（逻辑管理器）系统对装置进行联锁控制，因本轮改造经费所限此部分没有及时改为安全性更好的ESD系统，本着区域独立设计原则，在老装置上增加的SIS（Safety Instrumented System）控制由LM来完成。为了充分提高SIS系统的可靠性，消除LM系统中的功能缺陷和安全缺陷，此部分也在05年按照新区的方案进行了改造。

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650kt/a乙烯扩建装置(下称新区，New Plant)紧急停车系统主要有2部分构成，裂解炉区、压缩区、急冷区、和公用工程区实现的是联锁保护控制，冷区和热区构成的分离区要求实现SIS控制，以确保装置的安全稳定生产，并在发生电力故障，循环水装置故障或仪表系统故障等意外情况时，采取合理的停车步骤。

根据工况的要求，在乙烯新区采用了2套独立的SIS（ESD）系统完成对整个装置的安全控制。1号系统完成裂解炉区、压缩区、急冷区、和公用工程区联锁保护控制，2号系统实现冷区和热区SIS控制，2套系统统称为ESD系统。

1.乙烯装置紧急停车系统的设计背景

原来乙烯老区最初的300kt/a乙烯装置是由美国鲁姆斯公司（Lummus）提供工艺包，日本东洋工程公司（TEC）进行基础设计，上海医药工业设计院负责最终设计，1995年乙烯装置经过第1轮扩容改造至400kt/a的生产能力，本次第2轮改造将使装置的生产能力进一步扩大到650kt/a（最大生产能力可达800kt/a）。但根据投资费用与改造工艺的要求，第1、2轮改造均不涉及火炬系统改造，改造后由于乙烯装置火炬的最大排放量要求达874t/h，而现有的火炬无法满足这一要求，所以工程上必须采取措施来降低火炬的排放量。

1.1 引起火炬排放的因素

引起火炬排放的因素有以下几个方面

1) 装置电力故障；

2) 装置冷却水故障；

3) 装置急冷水故障；

4) 裂解气压缩机停车；

5) 丙烯压缩机停车；

6) C2加氢反应器出料不合格。

1.2 避免排放火炬的方法：

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为了最大限度的降低火炬系统的排放量，在工艺上采取的策略是要尽量避免以上2种或2种以上故障的同时发生，最有效的方法有以下3种:

1) 使用不同来源的供电电源；

2) 使用不同来源的冷却水供应；

3) 使用紧急停车系统（ESD）。

1.3 紧急停车系统的控制要求

乙烯老区和乙烯新区是相对独立，又相互关联的工艺系统，工艺冷却水由第2循环水装置和第8循环水装置分别供应，设计上要求第2循环水供应老区，第8循环水供应新区，老、新区之间有管线连通，但在第2循环水或第8循环水的水温检测或流量检测发出3取2表决信号后，老、新区装置全线停车，动作情况见表1；

电力供应由313配电所和316配电所供应，每个配电所有2端独立的电源供给仪表UPS（不间断电源）装置，此电源作为整个装置的控制电源，设计上要求在老区配电所发生电力故障时，老区的SIS系统停车，在新区的配电所发生电力故障时，新区的SIS系统停车，具体的停车状况见表1。

表1 乙烯SIS系统动作表

项 目 新 区 电 力 故 障 动 作 结 果 1. 2个装置之间的急冷水调节阀关闭 备 注 B阀闭锁时间300秒，之后控制权交出 2. 9个塔停车 (ES8901A&ES8901B) 3.GB1302/GB1501停车 4. 新区9个塔的B阀全部自动关闭 老 区 电 力 故 障 1. 老区裂解炉全停 (ES901A&ES901B) 2. 老区的原料泵全停 3. GB501停车 1. 2个装置之间的急冷水调节阀关闭 B阀闭锁时间300 3

新 区 循 环 水 故 障 2. 8个塔停车(DA1301不停) 秒，之后控制权交出 3. GB1302/GB1501停车 TS8931A/B/C2/3Voting 4. 新区8个塔的B阀全部自动关闭 5. 新区的裂解炉全停 FS8931A/B/C2/3Voting 6. 老区的GB501停车 7. 老区的裂解炉全停 8. 老区原料泵全停 9. 新区原料泵全停 1. 老区裂解炉全停 老 区 循 环 水 故 障 2. 老区的原料泵全停 TS933A/B/C2/3Voting 3. 新区的原料泵全停 FS933A/B/C2/3Voting 4. GB501停车 5. 新区的裂解炉全停 GB201入口温度超高 2个装置之间的急冷水调节阀关闭 GB1201入口温度超高 紧急停车系统的基本要求就是要满足SIS系统的控制要求和各区的联锁控制要求，确保动作万无一失，设计原则如下：

1) 在塔压超高时联锁停再沸器加热源

对精馏塔冷凝器而言，决定火炬系统负荷的因素通常是加热源的问题，因此在塔压超高时及时停止再沸器的加热，在适当的时候操作人员进行顺序排放，这就使瞬时的排放量得到了控制，加热源的切断阀直接由ESD控制；

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2) 在电力故障和冷却水故障时关闭排放火炬的“B”阀

当发生电力故障和冷却水故障时，为了减少火炬的排放量，要求精馏塔上用于排放的“B”阀必须保持关闭，此时由ESD给DCS发出动作信号，DCS接到ESD的信号后，自动将输出OP信号置为0，使阀门全关；此时如果塔发生超压，与“B”阀并联安装的安全阀会自动起跳，保护塔的安全；在联锁动作300秒之后“B”阀联锁自动解除，控制权交回操作员。

3) 在电力故障/冷却水故障的联锁要求

每根供电总线上使用3个电压互感器检测每相的相电压，并由3个继电器发出3个信号给ESD系统进行2 oo3（3选2）表决。当相电压低于180VAC时发出联锁停车信号。

冷却水故障也由3个独立的温度传感器和3个独立的流量变送器检测，并以模拟量信号送入ESD系统进行2 oo3表决，联锁系统在3个温度信号或3个流量信号之间求出偏差，当偏差大于设定值时发出报警和停车信号；

4) 提高整个安全联锁系统的安全可靠性，包括传感器、执行器、供电单元和保险丝的安全可靠性，确保控制系统不发生误动作；

5) 在工艺设计上采用电泵和汽泵并联设计，在电力故障时电泵停用的情况下，汽泵仍能正常运行。

2 .乙烯ESD系统的设计原则

400kt/a乙烯装置是在原乙烯装置内部扩容后建成的，采用的控制系统是Honeywell公司的TDC3000系统，APM（先进过程管理器）用于过程控制，LM（逻辑管理器）用于安全联锁控制。新区是在400kt/a乙烯装置的基础上另上一条新的生产线，实现二条线并列运行的结构，而操作人员仍实行统一操作，统一管理，不增加操作人员，新区的控制系统仍采用Honeywell公司的TDC3000系统，HPM（高性能过程管理器）用于过程控制，ESD系统采用北京康吉森自动化公司的TS3000系统作为紧急停车系统，用作安全控制。

2.1 系统部分的设计原则

1) 为了确保装置安全、稳定、可靠的运行，提高系统的运算速度，在扩建的新区设计中用2套ESD系统分别控制2个重要的区域，一套用于控制裂解炉区、急冷区、压缩区、加氢区和公用工程区，另一套用于冷区和热区；

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2) 中央控制室（CCR）在原有的控制室内进行扩容，DCS（集散系统）在原有系统基础上扩容，US操作站与原系统统一。紧急停车系统主机安装在新机柜间（NRR），装在辅操台上的按钮、开关、报警灯的控制采用远程控制站（RXM）控制，远程控制站设在CCR，CCR和NRR之间的通讯由三冗余的光缆构成；

3) 为了提高程序的扫描速率，ESD系统内部不设计第一事故报警程序，区分第一事故的设备选用美国Ronan公司分体式报警器，此种报警器安装在辅助操作台上，作为操作人员的一种人机界面；

4) 本着安全高于控制的原则，所有关键的联锁检测点先进ESD系统，再通过SMM模件与DCS中的UCN（万能控制网络）通讯，实现在US上的数据显示；

5) 新区和老区分别设计SOE（事故顺序记录仪）站，2套ESD系统共设有4个SOE站，各站之间用以太网(Enternet)相连接；

6) 重要的I/O全部选用热备冗余的方式，输入卡全部选用隔离型，避免现场干扰信号的影响；

7) 交流电源采用双路方式供给电源模件，一路电源经UPS（不间断电源）供给ESD电源主模件，另一路市电电源供给ESD备用电源模件；

24VDC电源由于容量很大，分2部分供给。用于给现场仪表和继电器、报警灯屏以及按钮开关的工作电源采用美国Acopian公司的冗余电源供给，用于给现场电磁阀工作的电源由配电所的直流电源装置供给。

控制电磁阀的电源总线要选用铠装电缆，额定功率不能超出50%，以避免电缆故障造成大面积的停车， 在乙烯老区曾发生过因联锁电源电缆漏电而导致裂解炉全线停车的事故。

2.2 关于现场仪表的原则

1）SIL3级紧急停车部分的检测仪表一律采用2 oo3的方式检测。如塔压检测和循环水流量的检测都采用3台变送器同时测量，电网的电压采用3个电压检测器同时测量，压缩机轴位移采用3个探头和趋近器同时监测等等，3个检测点分别被送入3个不同的三重化输入模块（TMR），由主处理器执行3选2表决运算；

2）控制裂解炉的联锁，透平泵的联锁和其他一些常规联锁则采用单台检测仪表，信号被送入TMR型输入模块；

3）SIL3级紧急停车部分用于控制切断阀门的电磁阀一律采用2个串联的方式设置，以防止有一个电磁阀失效造成联锁动作失效；切断阀上设置阀位变送器，将阀位的准确状态及时反馈给控制室；

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4）输入ESD的测量仪表均独立设置，不与控制回路合用，不用分配器分配；

5) 所有重要的切断阀要求独立设置，切断阀均采用密封等级高的球阀，阀位开关信号由限位开关发出送入DCS指示；

图1 阀门设置方式比较

6) 对于塔系统控制加热源的切断阀，根据TEC的计算采用调节阀与切断阀合一的方法，见图1中方案1，此方案要求阀的密封等级在5级（Class5）以上，采用上述设计经过TEC计算，符合SIL3级的要求。而如果采用图1中方案2，将调节阀和切断阀分开设置，不加阀位变送器，则只达到SIL1级标准，故2方案不予采用，图1中TMR表示ESD系统内三重化的输出模块，其输出的信号与电磁阀相接，控制电磁阀的动作，与电磁阀相连的带有双斜线的管线是控制阀门动作的气源管线。

3.ESD系统的基本结构和技术特点

3.1 基本结构

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根据乙烯工艺SIL3级的要求，选用的ESD系统必须具有TüV 6级的认证（TüV 认证是指德国莱茵技术认证机构，该机构专门对电子产品的安全性进行认证，对安全型控制系统的认证具有最高权威性，TüV 6级标准对应于IEC和ISA标准的3级）。经过技术交流和商务投标，最后北京康吉森公司的TMR型（三重化的模块冗余）TS3000系统中标。该公司是GU国内较早从事ESD的专业公司，主要为表决型的故障安全系统，该系统中的所有软件和硬件都通过了TüV 6级认证。

TS3000系统是一个可提供高水平的故障容错的可编程逻辑和过程控制器。容错控制指的是系统可以检测瞬态和稳态错误，并可执行一些在线的修复工作，有了容错控制器就增加了系统的安全性和可用性，TS3000系统的结构见图2，从图中可以看出这是一种表决型的控制系统。

3.2 系统的主要特点

1) 主处理器和I/O卡件完全三重化故障容错设计，3个完整独立的系统通道异步执行控制程序,计算结果进行2oo3表决；

2) 不会因单点故障造成系统失效；

图2 TS3000三重化控制器结构

3) 独特的I/O逻辑槽设计保证故障卡件全部在线更换；

4) 按照IEC1131-3标准设计的Windows NT编程软件使用方便；

5) 高度的系统自诊断能力，输入模块具有Stuck On（触点断开检测功能）；

6) 具有SOE（顺序事件记录）功能；

7) 应用软件的在线修改通过TüV6级认证；

8) 系统的可用性高，系统的MTBF（平均无故障时间）为190年，RRF（风险降低因子）为4000；

9) 主处理器的更换与I/O卡件的更换一样方便；

10) 可能过SMM（安全管理器模件）与Honeywell DCS以5MB的高速通讯。

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4.扬子乙烯ESD系统的设计特点

4．1 现场仪表部分

1) 根据TEC的要求，SIL3级的联锁切断阀采用调节阀与切断阀合二为一的方法，ESD的控制信号控制电磁阀的动作，DCS控制阀门的开度，阀门定位器采用具有位置检测功能的

图3 塔加热控制与监控回路

Fisher DVC6000系列，阀位信号通过Moore公司的SPART检测出来。SPART是一种Hart信号检测器，它从智能阀门定位器中读出Hart信号，然后转换为4～20mA标准信号输出到DCS显示，见图3所示，DCS系统再将此信号与该点的OP（输出信号）比较，当偏差大于1%时系统发出报警，图3中的波浪线表示Hart信号；

2) 电磁阀工作电压选用24VDC，为了避免电缆的压降造成电磁阀工作电压过低的情况，现场电磁场阀采用ASCO公司低功耗型，此种电磁阀功耗仅为1.4W，适合远距离使用；电磁阀均采用单控型，正常情况下电磁阀得电励磁，故障时失电动作；

3) 在ASCO电磁阀和Fisher智能定位器相配合使用时应注意电磁阀的CV值（流通能力）必须大于0.49，否则阀门定位器会引起振荡，从而使调节阀振荡；

4）用压力变送器代替压力开关，有利于信号在DCS上显示，同时防止了压力开关动作不灵的弊病。

4.2 ESD部分

1) SIL3级联锁输出控制电磁阀的信号线上不加隔离继电器,有利于回路进行Stuck On检测；

2) 非SIL3级联锁回路及其他与电气配电室相关的用于机泵开/停控制的信号用中间继电器隔离，其励磁方式设计成故障安全型；

3) 输出模块设置成故障安全型，当系统出现故障时输出保持原值不动；

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4) 为了尽量降低系统的故障率，采用MTL5073温度变送器型安全栅，将温度信号变换为标准的4～20mA信号，既满足本质安全控制的要求，又实现的信号的标准转换。

5）本系统与MMS系统之间的数据连接采用点对点硬接线的方式完成，而没有采用MODBUS通信的方式。对于牵涉到联锁的数据传输最好采用这种方式。

6）对于透平调速控制，我公司选用的是GE WOODWARD505（E）电子调速系统，而没有采用CCS（ITCC）系统，两个系统之间的数据通过硬接线的方式完成。实践证明这种方案选择有一定的不足之处，特别是对丙烯机的防喘振控制扫描周期偏长，对此机的防喘振不利。

5. ESD系统需考虑的问题

乙烯装置在扩建后，分离塔系统实现了SIS控制，装置的安全可靠性大大的提高，但如果由于一些点的误动就会影响到整个装置的运行，这就使停车的面积扩大了，这也就降低了系统的可用性，这是一对矛盾。在专利商的要求下，SIS系统已经具备投用的条件，由于此种技术在国内尚属首次使用，如何处理好可靠性与可用性之间的关系，还要深入的探讨、研究。

1）在老区CW（循环水）故障时，有没有必要停新区？在新区CW故障时，有没有必要停老区？从布局上和结构上考虑老区和新区是相对独立的，所以是否可以实现互不影响？

2）在CW故障时，原料泵是否有必要全停？若原料泵实现人工停，是否有时间？是否会造成危害？这值得探讨；

3）“B”阀自动关闭之后，闭锁的时间多长为合适？

以上几点必须在生产过程中摸索、总结以使装置的安全可靠性和可用性都达到最合理的水平，实现装置运行的最优化。

结语

乙烯装置紧急停车系统的设计是十分复杂的系统工程，从专业上来看牵涉到工艺、电气、仪表、设备、消防、安全等多个专业，从设计上来看牵涉到外商、国内的多家设计院，从设备上来看牵涉到国内、国外的多家供应商，各家单位必须遵循的最主要原则就是要建立统一的设计标准，在项目实施过程中必须寻找有实力和经验的供应商，在产品的选择过程中必须使用有成熟的质量好的产品，确保系统安全可靠；在系

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统设计工作中要充分吸取以往工作中的经验和教训，结合工艺上的特点，并将此深刻的融化到设计中去，对于SIS系统的使用状况在投用以后要及时的完善。在调试过程中要建立详细的调试计划，按功能、规格要求逐项进行功能的考核。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ucoh.html