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[讨论帖] 炼油厂加氢装置循环氢压缩机组报警联锁系统介绍

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炼油厂一加氢装置的循环氢气体压缩机机组(下文简称为机组),是装置最关键的设备之一。机组的安全、平稳运行是装置安全、平稳生产的前提。因此其报警与联锁保护系统是机组相当重要的组成部分。加氢装置循环氢离心式压缩机组的、报警与联锁保护系统在同类机组中具有一定的代表性,本文将其报警与联锁保护系统的设计原理和动作过程作一简介。


一、工艺过程概述


为了提高轻油收率和提高产品质量的需要,炼油厂大多建设了加氢装置,主要作用就是把来自上游生产装置的原料油,在一定的压力和温度下,利用催化剂的作用,使原料油转化成为高附加值的产品。其化学反应比较复杂,高温、高压、临氢的操作条件相当苛刻。在高温下加氢处理催化剂具有很高的活性,使氢气与油发生反应,然而高温下也增加了生焦速率并且降低了催化剂的能力,而高的氢分压可以抑制生焦而延长催化剂的寿命。循环氢压缩机就是维持高的反应总压,实现富氢与原料油一起通过反应器进行反应并把反应后剩余的氢,经油气分离和脱硫处理后再循环,并为控制反应温度提供冷氢(即把低温富氢注入到两个反应器床层之间,以限制加氢处理过程中放热反应引起的温升,保证反应温升不超高)的重要设备。人们常把循环氢压缩机形象地称之为炼油厂加氢装置的心脏。
为了保证加氢循环氢气体压缩机机组的安全、平稳运行,机组设置了报警与联锁保护系统。在机组的相关参数实行PID定值控制的基础上,设置了重要参数越限报警和联锁保护系统是大型机组必不可少的组成部分。报警提醒操作人员及时发现机组运行异常并调整操作使其恢复正常的一项有效措施。联锁保护是紧急情况下机组自动退出运行工况而保证其安全的最终手段。报警与联锁保护系统在保证大机组的安全、平稳运行方面起到举足轻重的作用。


二、循环氢压缩机组报警与联锁保护系统介绍


胜利炼油厂使用的一台加氢循环氢压缩机,是台以凝汽式透平为动力的高压离心式气体(氢气)压缩机。为保证机组的安全、平稳运行,该机组的控制系统中除设计有压缩机密封油的温度、封油高位罐、油气分离器液位,润滑油、控制油压力,蒸汽凝液器液位等定值的PID模拟控制回路和机组的防喘振控制外,还设计了机组的轴瓦温度高、润滑油、封油温度高/低等报警。设计有润滑油、控制油压力低低、封油液位低低,机组运行状态等参数越限检测,通过PLC逻辑运算实现报警和机组的安全开、停车联锁保护系统。还有机组开/停车按扭ESD,泵的启/停旋扭, 联锁复位按扭 PB,旁路开关OHS,信号指示灯等。
为便于操作人员及时的判断和正确处理机组故障,于每个报警(开关)信号点还设有相应的模拟检测指示仪表。
(一)、机组开机条件联锁
1、控制油、润滑油油位、压力正常
机组的控制油、润滑油如同人体内的血液,在保持控制油、润滑油的温度的基础上,保持压力在一定的范围内稳定是机组安全运行必不可少的前提条件。
(1)、为保证控制油、润滑油温度的正常,首先建立润滑油箱油位,保证其温度在设定的范围之内稳定。在冬天如油温低于设计值(40℃)时,还可人工启动电加热器对油箱内的油进行加热并由温度高/低检测开关(TSHL1303)控制加热器自动运行。如油温低于另一温度开关(TSL1301)设定值(35℃),开关接点断开,报警器发出油温低报警,同时,限制润滑油泵的启动(油温低油泵不启)。机组运行后,通过控制油、润滑油冷却系统油温PID单参数就地定值控制,调节三通阀的开度来调整通过油冷器及旁路的油量(总油量不变),来保持油温正常。
(2)、为保证控制油、润滑油压力的稳定,在控制油和润滑油系统分别设计了自力式油压调节阀,正常情况下完全可以保持油压的稳定,在此基础上,控制油、润滑油系统分别设置了压力低报警回路,并只要控制油压力低于报警设计值(0.55MPa)或者润滑油压力低于报警设计值(0.14MPa)时,压力开关接点断开,报警器报警,并自动启动备用油泵(润滑油系统有两台泵,平时运行一台泵),以保证其压力迅速恢复到正常范围内,如若因故其压力不能恢复仍继续下降到达停车设定值(控制油压力≤0.4MPa,润滑油压力≤0.1Mpa)时,机组将发生联锁保护停机,并发出相应的油压低低信号报警和机组停车报警。在开车运转前,控制油、润滑油压力低报警信号还做为开车联锁条件限制机组的启动。
(3)、设置了润滑油过滤器压差高报警回路。当润滑油过滤器压差升高到报警设定值(0.15MPa)时,通过压差检测开关接点断开并由闪光报警器发出声光报警,提醒操作员与现场压力表确认处理。
(4)、润滑油箱油位低报警回路。当润滑油箱油位降低到报警设定值时,通过内浮球液位检测开关接点断开,报警器发出油位低声光报警并限制润滑油电加热器的启动,提醒操作员与现场液面计确认处理。
(5)、润滑油高位油箱应保持一定的油位,以防油泵机械故障或停电停车时仍能给机组提供一定时间的润滑。设计了润滑油高位油箱及油位低报警回路,并把低报警信号做为开车联锁条件限制机组启动。
2、密封油高位罐液位正常
在气体压缩机上,为了防止气体的外泄,一般设有密封油系统,即利用高位油罐内油位高度的静压去阻止气体外泄,其中高位油罐的油位是一个重要的参数。
(1)、为保证密封油高位罐油位正常,封油系统设计了封油液位单参数PID就地定值控制回路通过调节封油泵出口阀调整高位油罐的上油流量来稳定油位,并设有油位高、低报警回路,当油位低于报警设定值时,启动备用封油泵(备用泵控制逻辑参考润滑油备用泵)以使封油油位迅速恢复到正常范围,如若因故其油位不能恢复仍继续到达停车设定值(液位开关断开),机组将发生联锁保护停机,发出相应的油位低低信号报警和机组停车报警。在开车前密封油油位低报警信号还做为开车联锁条件限制机组的启动。
(2)、设置了封油过滤器压差高报警回路,当封油过滤器压差升高到报警设定值时,通过压差检测开关与闪光报警器发出声光报警,提醒操作员及时处理。
(3)、封油油气分离器油位高、低报警回路,采用气动内浮筒液位计检测分离器油位并将液位计输出分别送给高、低压力开关,当封油油气分离器油位高或低到报警设定值时对应的压力开关送出开点,给报警器,闪光报警器发出油位(高或低)声光报警。
(4)、封油箱油位低报警回路。当封油箱油位降低到报警设定值时,内浮球液位检测开关接点断开,报警器发出封油油位低的声光报警并限制封油电加热器的启动,提醒操作员与现场液面计确认处理。
(5)、为保证封油温度在正常范围之内,设置了封油温度电加热回路。如冬天油温低于设计值(40℃)时,可人工启动电加热器,由温度开关(TSHL2303)控制加热器自动运行。如油温低于另一温度开关(TSL2301)设定值(35℃),开关的接点断开,报警器发出油温低报警,同时限制封油泵的启动(油温低油泵不启)。
(6)、为保证封油脱气油罐的脱气效果,设置了脱气油罐油温电加热回路。当油温低于设计值(80℃)时,可人工启动脱气油罐电加热器并由温度开关(TSHL2311)控制加热器自动运行。
3、建立汽轮机蒸汽凝结水液位正常
对凝汽式汽轮机来说,汽轮机出口蒸汽凝液器的水位和真空度是关系到气轮机安全运行的两个重要参数。
为了保证汽轮机出口凝液器的水位不超高,在凝液器系统设计有凝液器水位单参数PID就地定值控制回路,通过调节凝液泵的出口阀开度调整凝液泵的抽出流量来稳定凝液器的水位,并把液位计的输出信号送给高、低报警压力开关,设置了水位高、低预报警回路。并当水位高报警时启动备用泵(原理参见润滑油泵控制逻辑图),加大凝结水的抽出量以使水位迅速下降恢复到正常范围,如若因故其水位不能恢复仍继续上升到达停车设定值,高高液位开关接点断开(水位过高将威协汽轮机的安全),即发出相应的水位高高信号报警,如15秒钟延时后信号仍存在(防止开关误动作),机组将发生联锁保护停机,并发出机组停车报警。在开车前水位高报警信号做为开车条件限制机组启动。
4、汽轮机出口真空度正常
设置了汽轮机出口凝液器压力高(>-0.04Mpa)预报警回路,以提醒操作人员及时调整操作使其恢复正常,如若汽轮机出口压力继续升高达到高高停车设定值(>-0.01Mpa)时,机组将发生联锁保护停机,发出相应的汽轮机出口压力高高信号报警和机组停车报警。
5、机组运转状态检测正常
为了及时掌握大型机组的运转状态和保证机组的安全,机组设计了汽轮机的转速、轴振动、轴位移,压缩机轴振动、轴位移高7个预报警回路和7个高高报警停车回路,当机组运转异常时发出报警,提醒操作人员及时调整操作,使其恢复正常,如若因故机组的转速或者轴振动、轴位移继续升高达到高高停车设定值时,机组将发生联锁保护停机,发出相应的汽轮机转速、轴振动、轴位移,压缩机轴振动、轴位移高高信号报警和机组停车报警。开机前指示在初始位置。
6、防喘振控制系统无故障,防喘振控制阀全开。
为保证机组的安全运行,通常,大型气体压缩机都设计有压缩机防喘振控制系统,加氢循环氢气体压缩机采用检测压缩机出、入口压力和入口流量由可编程序调节器来计算压缩机的运行工况,通过调节出口返回入口阀的开度改变压缩机的入口流量,使压缩机在安全工况下运转的典型控制方案。为确保防喘振控制系统确实有效,以保证机组的安全运行,把防喘振控制系统故障作为开车联锁条件实施了开车联锁(防喘振控制系统故障和防喘振控制阀没有全打开时机组无法启动)。
7、压缩机入口分液罐液位不高。
为避免液体带入气体压缩机,机组设置了压缩机入口分液罐并设计有液位高高停车联锁保护和报警回路,当循环气中带液使升高到停车点时,浮球液位开关接点断开,PLC输出停车信号,机组立即联锁保护停车并发出相应的报警。
8、入口电动阀全打开,隔离氢隔断阀。
入口电动阀(ZSH-872)全打开。否则无事故停车电磁阀(XV-3301)将不带电,无法建立控制油系统压力。入口电动阀(ZSH-872)没有全打开报警,并做为开车联锁条件限制机组启动。压缩机正常运行时,压缩机入口电动阀(ZHV-872),隔离氢隔断阀(UV-884)始终处于全开状态,无法关闭。
在控制室设有两个傍路开关,当机组(K-1310)处于停机状态时,可将旁路开关闭合,从而可对压缩机入口电动阀(ZHV-872),隔离氢隔断阀(UV-884)进行校验,机组运行时,一定要将旁路开关断开。
9、无任何联锁停车因素,所有停车按钮复位。
此时,人工按下机组开车确认钮,允许开车指示灯亮,机组具备开车条件,可以正常开车。反之,无法开车。
机组中9个只起开车保护作用的按钮,在机组运行以前起作用,11个停车联锁因素,不论任何时候,一旦有联锁条件存在,机组无法正常运转。因此11个联锁因素,分别为11个停车信号设置了带锁的旁路开关,以方便机组开车前的联锁试验和运行中的仪表故障处理。所有泵,电动阀设有运行状态指示灯。各参数有现场指示仪表,重要参数远传到控制室DCS上便于及时掌握机组的运行状态。在控制室设有机组公共报警(XA883)和公共停车报警(XA882)能及时发现机组异常。
机组的联锁保护系统设计选用了过程检测开关与可编程序控制器(PLC)相组合,实现机组的安全保护的自动联锁。
(三)、机组联锁保护停机因素
1、机组自动联锁停机的条件:为了保护机组的安全运行,设计了下列联锁保护停机。
(1)、汽轮机振动(XSHH-1301/2)高高。
(2)、汽轮机轴位移(ZSHH-1301)高高。
(3)、汽轮机转速(SSHH-3302)高高。
(4)、汽轮机排汽压力(PSHH-1505)高高。
(5)、压缩机振动(XSHH-1303/4)高高。
(6)、压缩机轴位移(ZSHH-1302)高高。
(7)、压缩机封油高位罐液位(LSLL-2305)低低。
(8)、润滑油主管压力(PSLL-1321)低低。
(9)、控制油主管压力(PSLL-3301)低低。
(10)、压缩机入口分液罐液位(LSHH-847)高高。
(11)、汽轮机凝液器液位(LSHH-1401)高高。
(12)、现场控制盘上的紧急停车按扭,即ESD。
(13)、现场控制盘上的开/停车旋扭(ZHS-878B)。
(14)、控制室远程停车按扭(ZSH-878)。
2、当出现联锁保护失效或其它危急情况时,现场人为打闸机械停车。人工泄放控制油压力从而关闭主汽门迫使机组紧急停车并输出报警。
3、当上述任一个停车条件具备时,机组联锁停机,下列动作过程随之发生:
(1)、机组停车电磁阀(XY-3301)失电(非励磁),泄掉控制油压力,使危急保安阀快速关闭,切断进入蒸汽机内的蒸汽,引起机组紧急停车因素指示灯亮,此时停车指示灯(HL-878G)绿灯亮。
(2)、机组允许起动指示灯(XL-13)不亮,防喘振电磁阀处于非励磁状态,即不能投入正常工作,防喘振控制阀处于全开状态。
(3)、压缩机入口电动阀(ZHV-872)自动关闭,输出到中心控制室入口电动阀没有全开报警。压缩机正常运行时,入口电动阀无法关闭。
(4)、隔离氢隔断阀(UV-884)自动关闭。当正常以后,而对其电磁阀XY-884B人工复位,才能使UV-884重新开启。压缩机正常运行时,隔离氢隔断阀(UV-884)始终处于全开状态,
(5)、防喘振控制阀(UV-863)将自动开启。
(6)、输出报警信号去中心控制室发出停机报警,提醒操作员调整工艺操作,如循环气紧急放空等。


三、系统的可靠性分析




1、该报警、联锁保护系统所有报警、联锁信号故障检出元件与过程控制系统的检测单元是分开的,除机组运行状态检测报警取自BENTLY系列二次表外,其它重要的报警、停车参数均选用直接与工艺介质接触的直接作用式压力、液位、温度开关检测,并单独安装,从而保证报警、联锁系统的高度可靠性。
2、“故障-安全型”联锁系统。所有报警、联锁信号均为断开触点报警,即故障检出元件的接点在工艺过程正常时为闭合(ON),回路激励,输出逻辑“1”,超限时断开(OFF),输出逻辑“0”。在故障检出元件、仪表本身故障时也实施报警和联锁停车。
(1)、故障-安全联锁系统中,从故障安全的角度来说,在系统停电和故障检出元件、仪表本身故障隐患能被及时的发现和排除,使其发挥应有的作用。但这种系统仪表电气元件需长期带电工作,没有日常维修的机会,要求仪表电气元件必须质量可靠,否则误报警或误停车必然造成一些不必要的经济损失和其它安全问题。
(2)、如果选用工艺过程条件正常时为断开(OFF),回路不激励形式,在系统停电和故障检出元件、仪表本身故障时系统不会误报警或误停车,但不能及时发现和排除报警、联锁系统的隐患,就会发生该报警、联锁时不动作,引起更大的事故,造成更大的损失,危险性更大。是不安全的。
(3)、报警、联锁系统选用“常开”还是“常闭”,要从装置安全性和经济效益及仪表电气元件的可靠性去全面分析选择。从加氢装置的安全需要和机组的重要性来看,选用质量可靠的仪表电气元件,采用报警接点正常“闭合”,回路正常带电是完全必要的。
(4)由于该系统设置单个故障检测元件,自装置开工以来确实发生过因为仪表掉电或故障引起误报警、停车,在有条件时应系统更新为三冗余的“ESD” 系统,故障检测元件实行“双重”、“三重”设置,实现“二取二”、“三取二”即同一参数设置多个检测元件,其中有一个发出事故信号只报警,有两个发出事故信号时联锁保护动作。克服“常闭”接点的不足。
3、紧急停车联锁系统选用单电控电磁阀,和前面的“常闭”接点分析一样,单电控电磁阀一但失电可以立即发现并排除隐患。电磁阀本身故障时也会误动作。如是双电控电磁阀,有一个线圈长期不带电,并且故障时不能及时发现,易电磁阀更大的损失。
4、机组控制系统的电源采用UPS供电,保证在装置供电事故中断的情况下不会立即断电,给操作人员一定的事故处理的时间。
5、将PLC的程序固化在EPROM中不会丢失,并有备用电池保证控制系统掉电后再上电PLC可以直接运行;PLC与电气间的输入、输出信号和以及PLC输出到电磁阀的信号采取了继电器隔离。
6、所有联锁回路都设计了带锁的旁路开关,方便系统开车前的检查、试验以及正常生产过程中设备故障的处理。但必须切记,在机组运转过程中必须办理相关的作业票,制定有效的安全保护措施后方可切除联锁到旁路,并在限定时间内把故障处理完,要对联锁回路进行规定的确认检查后再将旁路开关断开。
7、机组报警、联锁系统分别设置了报警复位按扭和联锁复位按扭。当某一回路发生报警时,须先按确认扭消音,待故障消除后经人工按确认扭,该回路才可以接受下一次报警;当机组发生联锁保护停机时,待故障排除后经人工按下联锁复位扭,机组才可以进行下一次开机。以确保系统的故障得到操作员的认可,避免失误。
8、在总控制室设置了机组公共报警和停车公共报警,具体是那个回路须到现场进一步确认,能够使机组的报警及时被发现,故障及时得到处理。

四、主要参考文献


1、压缩机机组说明书
2、石油化工自动控制设计手册(第二版)
         3、联锁设计行业标准SHJ-18-90

 

发表于 2007-8-17 22:28:59

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