焦?fàn)t氣制液化天然氣裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

（河南利源燃?xì)庥邢薰?，安?yáng) 455133）

焦?fàn)t煤氣是焦化企業(yè)的主要產(chǎn)品之一、也是最寶貴的化工原料，焦?fàn)t煤氣綜合利用一直是焦化企業(yè)研究的一個(gè)課題。國(guó)家十二五能源戰(zhàn)略的要求和焦?fàn)t煤氣綜合利用技術(shù)的進(jìn)步，使焦?fàn)t煤氣制液化天然氣（LNG）逐漸成為繼煤氣發(fā)電、合成氨、還原鐵、工業(yè)燃料、制甲醇后炙手可熱的項(xiàng)目，既符合節(jié)能減排的政策要求，又有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是焦?fàn)t煤氣綜合利用的最佳途徑之一[1]。

河南利源燃?xì)庥邢薰?013年規(guī)劃建設(shè)的33000 Nm3/h焦?fàn)t氣制液化天然氣裝置由西南化工設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，以焦化廠生產(chǎn)的富余焦?fàn)t煤氣為原料，通過(guò)甲烷化、深冷液化制取液化天然氣，于2015年9月11日一次投料成功產(chǎn)出高品質(zhì)LNG。同其它化工裝置一樣，它具有易燃易爆、高度危險(xiǎn)、連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此必須將安全生產(chǎn)放在第一位，根據(jù)GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，需設(shè)置一套獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)SIS，以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)裝置的開(kāi)車(chē)、停車(chē)、運(yùn)行以及維護(hù)期間，對(duì)人員健康、裝置設(shè)備及環(huán)境提供安全保護(hù)，提升該裝置的安全級(jí)別[2]。

1 工藝簡(jiǎn)述及安全要求

1.1 工藝流程簡(jiǎn)述

焦?fàn)t氣制LNG裝置主要由氣柜與壓縮工序、深度凈化工序、甲烷化工序、TSA干燥工序、深冷液化工序、LNG罐區(qū)、裝車(chē)系統(tǒng)以及必要的公用工程、消防系統(tǒng)、地面火炬系統(tǒng)組成。來(lái)自焦化廠的焦?fàn)t煤氣首先進(jìn)入5×104m3干式煤氣柜儲(chǔ)存、緩沖，出氣柜的焦?fàn)t氣送入煤氣預(yù)處理裝置進(jìn)行粗脫焦油萘等雜質(zhì)，之后進(jìn)入焦?fàn)t氣壓縮機(jī)壓縮至2.4 MPa（G）并送入由精脫萘和焦油、干法脫硫、變溫吸附脫苯脫氨、加氫精脫硫及超精凈化組成的焦?fàn)t氣深度凈化工序，凈化合格的焦?fàn)t氣到甲烷化工序，經(jīng)循環(huán)外移熱工藝三級(jí)甲烷化反應(yīng)得到富甲烷氣，之后經(jīng)分子篩變溫吸附脫水、脫汞后，進(jìn)入液化冷箱和精餾塔實(shí)現(xiàn)低溫分離出LNG，LNG儲(chǔ)存在8000 m3低溫常壓儲(chǔ)罐。

1.2 安全聯(lián)鎖要求

通過(guò)對(duì)本裝置工藝過(guò)程的危險(xiǎn)與可操作性分析（Hazap），對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境保護(hù)的安全要求分析，以及根據(jù)國(guó)家法律法規(guī)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，按故障－安全模式原則，確定本裝置主要安全連鎖邏輯。

（1）為了防止煤氣柜活塞沖頂和落床損壞設(shè)備，造成安全事故，設(shè)置2個(gè)獨(dú)立的氣柜柜位高度信號(hào)，當(dāng)2個(gè)高度信號(hào)（1oo2）高于高高閾值時(shí)，將煤氣柜入口切斷閥關(guān)斷，氣柜不再接收來(lái)自界外的煤氣；當(dāng)?shù)陀诘偷烷撝禃r(shí)，將煤氣柜出口切斷閥關(guān)斷，氣柜不再向后道工序提供煤氣，同時(shí)觸發(fā)全廠所有動(dòng)設(shè)備及2套TSA按預(yù)定順序緊急停車(chē)。

（2）煤氣深度凈化精脫硫采用鈷鉬加氫串氧化鋅工藝，煤氣中氧含量過(guò)高會(huì)引起加氫反應(yīng)器中催化劑床層劇烈溫升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起反應(yīng)器損壞。因此，必須控制煤氣中氧含量，在氣柜入口設(shè)置一套激光氧含量在線分析儀，當(dāng)測(cè)得煤氣中含氧達(dá)到高高閾值時(shí)，將煤氣柜入口切斷閥關(guān)斷；當(dāng)預(yù)加氫罐6個(gè)獨(dú)立熱電阻溫度達(dá)到高高閾值時(shí)（3oo6），將焦?fàn)t氣壓縮機(jī)出口緊急放空閥打開(kāi)；當(dāng)加氫罐I 3個(gè)獨(dú)立熱電阻溫度達(dá)到高高閾值時(shí)（2oo3）將全廠所有動(dòng)設(shè)備按預(yù)定順序緊急停車(chē)。

（3）甲烷化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱過(guò)程，保持甲烷化爐的各床層溫度在允許范圍內(nèi)，且及時(shí)有效地移除反應(yīng)熱是甲烷化反應(yīng)能夠持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵。因此，采用廢熱鍋爐汽包產(chǎn)生飽和蒸汽來(lái)轉(zhuǎn)移熱量，汽包設(shè)置3個(gè)獨(dú)立的液位計(jì)，當(dāng)汽包液位達(dá)到低低閾值（2oo3）時(shí)，觸發(fā)全廠緊急順序停車(chē)；當(dāng)甲烷化一段反應(yīng)器10個(gè)獨(dú)立溫度測(cè)點(diǎn)達(dá)到高高閾值（4oo10）時(shí)，將一段反應(yīng)器進(jìn)口蒸汽閥全開(kāi)，將二段反應(yīng)器進(jìn)口新鮮氣放空閥全開(kāi)，將二段反應(yīng)器進(jìn)口新鮮氣閥關(guān)斷，防止反應(yīng)器飛溫；當(dāng)甲烷化二段反應(yīng)器10個(gè)獨(dú)立溫度測(cè)點(diǎn)達(dá)到高高閾值（4oo10）時(shí)，將二段反應(yīng)器進(jìn)口新鮮氣放空閥全開(kāi)，將二段反應(yīng)器進(jìn)口新鮮氣閥關(guān)斷，防止反應(yīng)器飛溫。

（4）進(jìn)入液化冷箱的富甲烷氣溫度太低會(huì)使氣相冷劑帶液進(jìn)入MRC離心壓縮機(jī)引起震動(dòng)損壞壓縮機(jī)及管道，而溫度太高則會(huì)使冷箱損失冷量、加大其負(fù)荷。因此在富甲烷氣進(jìn)液化冷箱入口設(shè)置3個(gè)獨(dú)立溫度測(cè)點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到低低閾值（2oo3）或達(dá)到高高閾值（2oo3）時(shí)，將液化冷箱入口天然氣閥緊急關(guān)斷，并打開(kāi)放空閥送地面火炬燃燒。

（5）精餾塔低部LNG液位太低可能會(huì)引起高壓富甲烷氣竄入常壓LNG儲(chǔ)罐。因此，在精餾塔低部設(shè)置1臺(tái)液位計(jì)，當(dāng)其液位達(dá)到低低閾值時(shí)，將LNG儲(chǔ)罐入口切斷閥緊急關(guān)斷，防止高壓竄進(jìn)LNG儲(chǔ)罐損壞設(shè)備；在LNG儲(chǔ)罐設(shè)置3臺(tái)壓力變送器來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)罐壓力，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力達(dá)到高高閾值（2oo3）時(shí)，將LNG儲(chǔ)罐放空閥緊急打開(kāi)，防止儲(chǔ)罐超壓憋壞。

（6）為了防止LNG儲(chǔ)罐液位沖頂和裝車(chē)時(shí)失去液位被拉空，在LNG儲(chǔ)罐設(shè)置3個(gè)獨(dú)立差壓式液位計(jì)。當(dāng)LNG儲(chǔ)罐液位（2oo3）達(dá)到高高閾值時(shí)，將LNG儲(chǔ)罐入口切斷閥緊急關(guān)斷，當(dāng)LNG儲(chǔ)罐液位（2oo3）達(dá)到低低閾值時(shí)，將LNG儲(chǔ)罐出口切斷閥緊急關(guān)斷。

（7）全廠主要的動(dòng)設(shè)備緊急停車(chē)都會(huì)引起嚴(yán)重的安全后果，因此在焦?fàn)t氣壓縮機(jī)、循環(huán)氣壓縮機(jī)、TSA脫苯裝置、TSA脫水裝置、冷劑壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、BOG壓縮機(jī)、丙烷卸車(chē)泵、異戊烷卸車(chē)泵、LNG裝車(chē)泵手動(dòng)緊急停機(jī)時(shí)，全廠所有動(dòng)設(shè)備按預(yù)定順序緊急停車(chē)。

2 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SIS系統(tǒng)是靜態(tài)的系統(tǒng)，不需要人為干預(yù)，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程正常時(shí)，始終監(jiān)視其運(yùn)行，且系統(tǒng)輸出不變，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生影響；但當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程非正常時(shí)，SIS系統(tǒng)由靜變動(dòng)，立即作出正確反應(yīng)并給出相應(yīng)的邏輯信號(hào)，使生產(chǎn)裝置安全聯(lián)鎖或朝安全方向停車(chē)，阻止或減少事故發(fā)生與擴(kuò)散，使危害減少到最小[3]。SIS系統(tǒng)是化工裝置中最為重要的保護(hù)層，即要具備高的可靠性，又要有高的可用性和可維護(hù)性。一套完整的SIS系統(tǒng)由測(cè)量?jī)x表、控制系統(tǒng)及最終元件三部分組成，控制系統(tǒng)是核心。測(cè)量?jī)x表將化工裝置現(xiàn)場(chǎng)工藝數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)執(zhí)行安全聯(lián)鎖程序，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷，最后輸出到最終元件去執(zhí)行。

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前化工行業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)采用功能安全認(rèn)證的選型原則和設(shè)計(jì)慣例，本裝置采用ROCKWELL公司AADvance系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)了德國(guó)TUV SIL1-3認(rèn)證，符合IEC61508功能安全管理標(biāo)準(zhǔn)，具有靈活組織SIL1-3安全等級(jí)、故障自診斷功能、事件順序記錄功能，適用于500點(diǎn)以下的中小型SIS系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由1個(gè)系統(tǒng)柜、1個(gè)輔助柜、1個(gè)工程師站、1個(gè)操作站、1面輔操臺(tái)、1臺(tái)打印機(jī)組成，如圖1所示。焦?fàn)t煤氣制LNG裝置SIS控制系統(tǒng)的電源、通訊網(wǎng)絡(luò)、I/O卡件、按冗余配置，CPU卡件采用三重化配置，預(yù)留15%I/O測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)及卡件數(shù)量如表1所示。

圖1 系統(tǒng)配置示意Fig.1 Schematic diagram of system configuration

表1 SIS系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)及卡件清單Tab.1 SIS system test points and card list

系統(tǒng)柜與工程師站、操作員站之間通過(guò)高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)連接，系統(tǒng)柜內(nèi)主要放置系統(tǒng)卡件、I/O模塊、系統(tǒng)電源、交換機(jī)等，輔助柜內(nèi)主要放置安全柵、安全繼電器、接線端子等。輔操臺(tái)主要放置有報(bào)警指示燈、蜂鳴器、緊急停車(chē)和緊急停機(jī)按鈕、安全聯(lián)鎖投切轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、故障復(fù)位按鈕等。事件順序記錄功能、下位機(jī)軟件組態(tài)、人機(jī)交互界面組態(tài)集成于工程師站，操作站僅用于人機(jī)交互界面監(jiān)視，工程師站可兼當(dāng)操作員站使用。打印機(jī)可用來(lái)打印報(bào)表、報(bào)警信息等。該系統(tǒng)采用2套獨(dú)立UPS冗余供電。時(shí)鐘同步信號(hào)由DCS（distributed control system）系統(tǒng)GPS硬校時(shí)，可保證SIS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)及電力監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間同步。SIS系統(tǒng)采用全廠統(tǒng)一等電位接地方式，保證一點(diǎn)接地，且接地電阻小于1 Ω。SIS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)采用冗余Modbus RTU或TCP/IP通訊協(xié)議，當(dāng)采用Mobus RTU時(shí)DCS設(shè)為主站，SIS控制系統(tǒng)設(shè)為從站。

2.2 測(cè)量?jī)x表的選型與設(shè)計(jì)

根據(jù)SIS系統(tǒng)安全完整性等級(jí)要求，SIS系統(tǒng)測(cè)量?jī)x表與DCS系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)置，模擬量輸入信號(hào)經(jīng)一分二安全柵或隔離器，一路進(jìn)SIS系統(tǒng)另一路進(jìn)DCS系統(tǒng)；數(shù)字量信號(hào)通過(guò)硬接線輸入到SIS控制系統(tǒng)。測(cè)量?jī)x表選型采用“經(jīng)驗(yàn)使用”方式，測(cè)量?jī)x表優(yōu)先采用模擬量?jī)x表，不宜使用現(xiàn)場(chǎng)總線，如壓力測(cè)量元件采用二線制4～20 mA帶HART智能壓力變送器；溫度測(cè)量元件采用三線制PT100鎧裝熱電阻或二線制補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶；煤氣柜柜位高度性號(hào)采用防爆雷達(dá)柜位計(jì)；精餾塔再沸器液位和LNG儲(chǔ)罐液位采用二線制4～20 mA帶HART智能差壓變送器。對(duì)于重要檢測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)儀表采用冗余配置，如煤氣柜柜位和LNG儲(chǔ)罐液位高度信號(hào)；對(duì)于大型、重要的塔器采用多位置安裝檢測(cè)儀表，如加氫反應(yīng)器周身布置6支熱電阻、在甲烷化反應(yīng)器周身布置10支熱電偶。當(dāng)SIS系統(tǒng)要求高安全性時(shí)采用“或”邏輯，如煤氣柜高度聯(lián)鎖、LNG儲(chǔ)罐高度聯(lián)鎖；當(dāng)要求高可用性時(shí)采用“與”邏輯，當(dāng)需兼顧安全性和可用性時(shí)應(yīng)采用2oo3、3oo6和4oo10邏輯，如反應(yīng)器和加氫罐床層溫度分別采用4oo10和3oo6邏輯，廢鍋氣包液位采用2oo3邏輯。

緊急停機(jī)、緊急停車(chē)指令以及閥門(mén)和電機(jī)狀態(tài)反饋信號(hào)采用開(kāi)關(guān)量測(cè)量?jī)x表，正常時(shí)觸點(diǎn)應(yīng)處于閉合狀態(tài)，非正常時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，如LNG儲(chǔ)罐出口切斷閥緊急關(guān)閉按鈕采用斷開(kāi)時(shí)信號(hào)輸入。

2.3 最終元件選型與設(shè)計(jì)

該SIS系統(tǒng)最終元件主要有控制閥 （包括調(diào)節(jié)閥、切斷閥）、電磁閥、電機(jī)等。根據(jù)安全完整性等級(jí)要求，SIS系統(tǒng)最終元件與DCS系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)置，控制閥按裝置區(qū)域防爆等級(jí)要求設(shè)計(jì)防爆等級(jí)、防護(hù)等級(jí)；按故障安全設(shè)計(jì)原則和工藝要求閥門(mén)在氣源故障時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，選擇電磁閥的氣路；該SIS系統(tǒng)選用氣動(dòng)控制閥，配套電磁閥防爆等級(jí)不低于DIICT4或相當(dāng)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)等級(jí)不低于IP65。如煤氣柜入口切斷閥是F.C（氣源故障關(guān)），在工藝正常時(shí)電磁閥勵(lì)磁，閥門(mén)打開(kāi)，當(dāng)工藝非正常時(shí)，電磁閥非勵(lì)磁，閥門(mén)關(guān)閉。在SIL3級(jí)的SIS系統(tǒng)中，控制閥的電磁閥冗余設(shè)置，要求高安全性時(shí)電磁閥采用“與”邏輯；要求高可用性時(shí)采用“或”邏輯，如LNG儲(chǔ)罐超壓放空閥的電磁閥配置采用“與”邏輯結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 切斷閥帶冗余電磁閥配置示意Fig.2 Schematic diagram of valve with redundant solenoid valve

3 測(cè)試、安裝與調(diào)試

3.1 出廠測(cè)試

控制系統(tǒng)在系統(tǒng)集成商工廠完成后，出廠前需要進(jìn)行出廠測(cè)試驗(yàn)收，包括外觀檢查、硬件和軟件功能測(cè)試，測(cè)試時(shí)按100%全部測(cè)試，對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的偏差做好記錄，及時(shí)向集成商提出并督促解決，最終形成出廠測(cè)試驗(yàn)收記錄文件。

3.2 安裝與調(diào)試

安裝時(shí)要注意按圖施工，嚴(yán)格按照儀表施工技術(shù)規(guī)范，安裝完成后要及時(shí)做畫(huà)面組態(tài)及下位機(jī)軟件的調(diào)試和功能驗(yàn)證。制定調(diào)試計(jì)劃并對(duì)每一步調(diào)試活動(dòng)做好記錄，與工藝配合對(duì)有安全聯(lián)鎖邏輯的回路按100%測(cè)試，確保SIS系統(tǒng)具備既定功能和滿足完整性要求，調(diào)試合格后由參與調(diào)試人員簽字確認(rèn)。

3.3 維護(hù)與管理

編制SIS系統(tǒng)操作維護(hù)計(jì)劃和規(guī)程，定期全面檢驗(yàn)測(cè)試SIS系統(tǒng)功能并詳細(xì)記錄測(cè)試過(guò)程和結(jié)果，加強(qiáng)SIS系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備故障管理 （包括設(shè)備失效、聯(lián)鎖動(dòng)作、誤動(dòng)作情況等）和分析處理，逐步建立相關(guān)設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)，嚴(yán)格SIS系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的選用。將SIS系統(tǒng)功能安全管理納入企業(yè)安全管理體系，不斷提升企業(yè)安全管理水平[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

河南利源燃?xì)庥邢薰?013年規(guī)劃建設(shè)的33000 Nm3/h焦?fàn)t氣制液化天然氣裝置安全儀表系統(tǒng)已于2015年8月28日正式投運(yùn)，到目前為止運(yùn)行良好、穩(wěn)定，對(duì)裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行起到保駕護(hù)航的作用。

[1]王繼鋒.焦?fàn)t煤氣的綜合利用[J].化工管理，2014（9）：96.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T50770-2013[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[3]宋蓉楓.250 kt/a輕芳烴加氫裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2016，31（4）：16-20.

[4]國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)[J].國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局公告，2014（12）：20-21.