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鄧仲輝

重油催化裂化由于能將作為燃料燒掉的重質油品進一步改善油品的分布，轉化為高質量的輕質油品和液態烴，從而獲得良好的經濟效益受到了人們的高度重視。但是催化裂化反應溫度高、速度快、處理量大，加之石油化工過程具有易燃、易爆、有毒、有害、有腐蝕的特點，生產過程稍有閃失將會釀成災難性事故，造成生產、設備，甚至人員等方面不可挽回的重大損失。針對上述情況，湛江東興石油企業有限公司采用PLC技術對40x104t/a重油催化裂化反應―再生器的自保―聯鎖系統進行了改造，直接監控反應器溫度、反應壓力及主風流量，并能在故障狀態下迅速終止反應，切斷進料、切斷兩器、切斷主風，保護裝置及設備，杜絕了惡性事故的擴大和蔓延，取得了顯著的效果。
1  工藝流程簡介及改造的必要性
1.1  工藝流程簡介
反應―再生器主要由沉降器、提升管、汽提段、再生器、焚燒爐、旋風分離器、再生滑閥、待生滑閥、外循環閥及雙動滑閥等組成。重油催化裂化裝置的主要原料來自于70~90℃常壓渣油，常壓渣油由原油泵抽出加壓后送至輕柴油―原料換熱器、循環油漿―原料換熱器換熱至225℃，分四路經原料油霧化噴嘴進入提升管反應器，與來自再生器的700℃的高溫再生催化劑接觸并迅速升溫、氣化，在現催化劑沿提升管向上流動的同時，不斷發生裂變反應，520℃的反應油氣與催化劑在提升管出口的兩組粗旋風分離器得到分離后，接下來經氣升管進入兩組單級旋風分離器，再一步除去攜帶的催化劑細粉后，反應油氣離開沉降器進入分餾塔。
積炭的待生催化劑自粗旋風分離器料腿及沉降器單級旋風分離器料腿進入汽提段與汽提蒸汽逆流接觸以汽提出催化劑所攜帶的油氣。汽提后的催化劑沿待生斜管，待生滑閥進入再生器的燒焦罐下部，與自二密相經外循環管來的高溫催化劑混合，溫度達到640℃以上，在富氧的條件下開始燒焦。再生催化劑一部分經外循環管進入燒焦罐下部，另一部分經再生溢流斗流入再生斜管及再生滑閥，進入提升反應器底部，在蒸汽的預提升作用下，完成催化劑加速、分散過程，然后與霧化的原料均勻接觸。
再生器燒焦所需的空氣由主風機提供，空氣從大氣吸入主風機，升壓后經主風管道，輔助燃燒室及主風分布板進入再生器，而再生器產生的煙氣經雙動滑閥，降壓孔板后由煙囪排入大氣，主風機出故障時，再生器燒焦所需空氣由備用主風機提供。
1.2  改造的必要性
自保―聯鎖應急系統主要由聯鎖輸入、邏輯運算電路、聲光報警電路、聯鎖輸出、信息打印5部分組成。催化裂化反應―再生器自保―聯鎖應急系統是保證催化裂化整套裝置正常運行的關鍵設備，是生產過程中最穩固的，也是最后一道安全防線，在生產裝置中所起的作用是其它系統不能取代的，它運行得好壞直接影響催化裂化整套裝置甚至整個公司的正常運轉、產量及周邊的人身安全。原自保―聯鎖應急系統的邏輯運算采用JTX-3C型繼電器進行控制，由于使用的繼電器數量多，線路復雜，維護工作量大。特別是經過幾年的連續運行，線路及繼電器觸點老化，極易造成誤動作，嚴重威脅安全生產。因此，為確保生產安全和設備正常運行，采用PLC實現反應―再生器的自保―聯鎖應急系統的改造是非常必要的。
2  方案的確定
自保―聯鎖系統是指裝置在開工、停車和生產過程中發生故障時，將現場的液位、壓力、流量、溫度等工藝參數的故障信號遠傳至中央控制室，由緊急自動停車系統ESD（Emergency Shutdown Device）監測，并以顯著的聲光形式進行報警，在緊急狀態時自動或手動對工藝流程實行聯鎖保護或緊急停車，并打印出故障原因及故障時間。從滿足工藝生產需求出發，考慮到安全性、可靠性、經濟性等因素，本方案采用了德國西門子（SIEMENS）公司生產的SIMATIC S7-200 PLC。
2.1  硬件組成
 

圖1  自保聯鎖系統硬件結構框圖

本系統是根據中國石化洛陽石油化工工程公司和湛江東興石油企業有限公司提供的工藝流程，自保―聯鎖系統圖和技術條件而設計的。在中央操作室內，操作人員通過ESD系統能對工藝流程設備進行手動啟/停，其硬件結構如圖1所示。系統主要包括一臺中央處理器單元（CPU214）、兩塊16輸入/16輸出數字量混合I/O模塊（EM223）、操作面板及一臺打印機。操作面板上設有所有聯鎖閥門的狀態指示燈、切換按鍵及其對應的指示燈，打印機設置成串口模式，PC機用于組態修改程序。PLC控制器的輸入/輸出直接連接電磁閥，將原有的時間繼電器及輸入/輸出邏輯控制繼電器全部由PLC內部軟件取代。壓力開關信號、行程開關信號等全部由PLC系統進行監測和處理，以實現閥門開關和位移調節，且具有調節精度高、響應迅速、操作平穩、無滯后、無振動、無噪聲和工作可靠性高等優點。
2.2  主要聯鎖參數
催化裂化兩器保護的項目較多，通常有如下幾種：
①  反應溫度保護 反應溫度正常時一般在470～530℃之間，當反應溫度低于470℃時，進入反應器的原料油和催化劑反應不徹底，不能裂變分解。
②  兩器差壓保護 兩器差壓（再生器―沉降器）正常時一般為0.005～0.045MPa，若差壓低于0.005MPa時，會使催化劑倒流。由于沉降器的催化劑是帶有油汽的，若倒流進入再生器焚燒爐則會引起爆炸。
③  主風流量保護 主風流量是再生器燒焦所需的風量。若主風流量低于370 Nm3/分，催化劑在兩器里將出現互串、倒流及循環中斷。由于主風流量低，催化劑在流化床將失去平衡而出現塌方現象，嚴重時催化劑會倒入主風機，導致主風機損壞或造成死床，甚至停工。
2.3  PLC輸入、輸出控制定義
PLC輸入、輸出控制定義見表1。

表1  PLC控制器輸入/輸出定義一覽表
 

2.4  系統實現的功能
圖2是自保―聯鎖系統的邏輯關系圖。當反應溫度、兩器差壓、主風流量越限報警時，輸入報警紅燈亮，這時自動輸出聯鎖信號，迅速切斷進料、切斷兩器、切斷主風和保護風機。按進料切斷、兩器切斷、主風切斷輸出切除鍵時，如果各自聯鎖輸出紅燈亮時，切除綠燈就不會亮，只有在無聯鎖輸出時，切除綠燈才會亮，這種狀態就把該參數輸出切除而不再參與聯鎖，主要供設備定期檢查或臨時維修使用。
當所監測的變量超過其安全限定值而報警時，打印機即時打印所有輸入報警信號的名稱、時間及操作面板上的按鍵名稱，以此來監測自保系統運行及操作情況。此外，系統還設計了硬手動，強迫執行，實現手動切斷進料、兩器和主風。手動和自動聯鎖并存，提高了保護系統的可靠性。自動時PLC控制繼電器，手動時通過繼電器回路來切換。
 

圖2  自保聯鎖主邏輯關系圖

為避免誤操作，操作面板上設有一個公用雙重命令鍵。在任何按鍵操作時必須同時按下公用雙重命令鍵和相應的操作鍵，該項操作才有效，這樣便增加了系統的安全可靠性。
手動鍵相當于應急手操器，某自保參數在輸入切除后，該項就由全自動方式變為半自動方式，由操作人員應急使用。手動鍵只有在輸出復位之后操作才有效，各手動鍵之間仍然具有各輸出之間的聯鎖關系。
當面板上有輸入報警時，顯示發光二極管變紅色，此報警不受輸入切除影響。
3  軟件設計
PLC系統的軟件組成依據是邏輯關系圖，各部分控制程序都是根據其工作原理所完成的功能以梯形圖方式編寫，算法和實現方法直觀、簡明。PLC與打印機之間通信由LAD或STL指令來控制，通訊口這種操作模式稱為自由端口模式，在該模式下用程序定義波特率、每個字節位數、奇偶校驗和通訊協議。本應用程序用MOVB 16#9，SMB30初始化自由端口0、9600波特率、每個字節8位數、無校驗、自由端口協議，利用XMT指令發送數據，且用SM4.5監視發送狀態。
4  結語
催化裂化自保―聯鎖系統經過改造后，完全符合生產控制要求，運行良好。它滿足了工藝要求，具有運行穩定，可靠性高，程序修改靈活，操作方便等特點，同時為裝置長周期運行起到了非常重要的作用。如果將S7-200 PLC增加若干塊擴展卡，將全套裝置儀表的模擬量、開關量全都輸入其中，并由PLC來完成整套裝置自動控制，從而實現無表盤的CRT操作，整個控制過程將更加可靠、經濟，并大大減輕操作人員的勞動強度，也便于和其它裝置一起組成大型DCS。實踐證明，這套自保―聯鎖系統，在重油催化裂化反應―再生器上的應用是成功的。