隋欣
【摘 要】产品卸料系统(PDS)的稳定性与可靠性直接影响到聚丙烯产品的产率.简要介绍了采用UNIPOL工艺生产聚丙烯装置中PDS的流程及其特点;阐述了PDS控制系统的组成、PLC硬件的选型、PLC软件的设计、PDS阀门的选型与设计、顺序控制和联锁逻辑的设计,并详细描述了顺序控制逻辑的步骤、顺序控制时间的设定、顺序控制终止与联锁逻辑保护等相关的设计要点,从而为同类型聚丙烯装置中PDS控制系统的设计提供了思路与参考. 【期刊名称】《石油化工自动化》 【年(卷),期】2016(052)001 【总页数】5页(P22-26)
【关键词】产品卸料系统;卸料阀;聚丙烯;可编程控制器 【作 者】隋欣
【作者单位】华陆工程科技有限责任公司,西安710065 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273
UNIPOL是一项以低压气相流化床反应器生产聚丙烯的工艺技术，产品卸料系统PDS (products discharge system)是聚丙烯装置中重要的组成部分。由于聚合反应的生成物聚丙烯粉料容易自聚，如果PDS控制系统中阀门动作顺序不对或者动作时间配合不当，粉料自聚轻则引发管道堵塞，造成长时间减产，重则直接引发全
厂紧急停车，甚至造成人员和财产损失。况且，PDS控制系统每一次故障带来的经济损失很大，已远超PDS控制系统自身的价值。因此，正确合理地设计PDS控制系统是聚丙烯装置设计的关键。
催化剂和气态丙烯被连续加入流化床反应器内，在适当的温度和压力作用下聚合反应生成粉状的聚丙烯，当粉状的聚丙烯在流化床的床层堆积到一定量时，通过逻辑顺序控制，聚丙烯粉料在压差的作用下以批次的方式从反应器排出至产品仓，在产品仓中循环气与聚丙烯粉料进行气固分离，循环气返回到反应器颈部，聚丙烯粉料则被送至产品卸料罐，然后根据最终产品的不同将聚丙烯粉料送往产品脱气仓(当生产均聚物和无规共聚物时)或是送往转送罐过滤器(当生产抗冲共聚物时)，形成聚丙烯产品。从聚丙烯粉料离开反应器开始，经过产品仓至产品卸料罐最后排出的工艺过程，被称为PDS。
聚丙烯反应器有4套PDS，共分为2对。通常这2对PDS交替切换进行卸料，而每1对PDS内部既可以交互运行，也可以独立运行。为了防止反应器压降过快而使整个聚合反应的运行受到影响，原则上规定： 反应器只能同时给1个产品仓进行卸料，即只有当1套PDS完成产品仓进料和产品仓气体交互后，才允许另1套PDS开始进行产品仓进料的顺控逻辑。1对PDS的流程如图1所示。
PDS控制系统主要由负责自动化控制的PLC系统、负责实现逻辑控制的阀门以及相关测量仪表组成。PDS控制系统的设计应着重考虑PLC系统的选型、软件的设计、PDS特殊阀门的选型、顺控与联锁的设计等问题。
PDS具有极高的动作频率和循环次数，相关阀门每年动作约50万次，频繁动作就要求PDS控制系统应具有高可靠性和高稳定性。因此，PDS控制系统应由1套独立的、高安全性的、满足三重化冗余要求的PLC系统来完成。具体要求如下： 1) PLC系统应为三重化冗余结构。包括处理器模块(CPU)、内部通信模块(内部接口模块、内部数据总线模块)、输入输出模块(I/O)必须全部为三重化冗余配置，并
且可以做到在线更换。
2) PLC系统电源实现1∶1方式冗余配置。 3) PLC系统与其他系统的通信应为冗余配置。
4) PLC系统应为故障安全型系统，控制失效——安全型降级模式为3—2—1—0模式，即模块的3个通道有1个通道出现故障时，剩余2个冗余通道进行“2选2”的表决方式实现容错，系统相当于双重化结构继续正常运行。
为了便于组态和操作，并减少人为操作事故的发生，PLC系统的软件操作界面需要包含以下内容：
1) 能指示PDS控制系统顺控的步骤，并能查看每一步允许条件的满足情况和动作的完成情况。
2) 对于趋势图来说，可以按类型分成若干画面，每个画面都有各类趋势画面的菜单及功能键，包括趋势时间间隔设定和起始时间，并能显示系统中发生报警或联锁点的位号、名称、发生的具体时间、报警或联锁点的值。
3) 建立阀门状态列表，能显示每套PDS控制系统中阀门的状态，阀门完成动作的时间，手动/自动状态等。每个阀门都有手动软开关，能在阀门置于手动状态时远程开关阀门。
4) PDS控制系统应有“自动”、“单步”和“手动”三种工作模式。其中“手动模式”中，可以在操作员站的阀门状态列表内对阀门进行任意的开关动作。“单步”用来检验每一步骤的完成情况，便于更好地调整动作时间和允许时间。工作模式的切换，只允许具有特定操作权限人员进行切换。
1对PDS控制系统中包括30个气动切断阀和4个手动切断阀。其中任意1个阀门出现故障，都会造成整套PDS控制系统的停车，所以阀门的选型与设计也是PDS控制系统设计中的关键。
根据工艺包的要求，并结合工程设计的经验，PDS阀门的选型应注意以下几点：
1) PDS阀应采用全通径固定球阀，对介质无任何阻力和节流。
2) PDS阀门阀体和法兰应全部为整体锻造，并做内抛光处理，内表面需要非常光滑以确保固体粉料不会挂壁。锻造材料需要保证无砂眼等质量缺陷，能耐应力冲击，并且在频繁快速开关的情况下能够保证长期的使用寿命。
3) 金属阀座的材质应为锻造双相钢或锻造不锈钢，并采用与阀球同样的硬化处理方式。个别气相管道上的阀门可以为软密封，软密封阀座材质采用PEEK或Lyton材质。
4) 阀门的开关时长应很短。要求DN200以下口径的阀门,单次开关时长小于1.5 s，DN200以及DN200以上口径的阀门,单次开关时长小于2.5s。
5) 应同时考虑地区环境温度和产品卸料均在冷态下工作这一特点。阀门应进行性能测试，以确保在高温、低温时及升温、降温过程中均能可靠地开关和严密地关断。 6) 阀门应采用防火结构设计，符合API 607的要求。
7) 阀门需要满足SIL的等级要求，其中E阀和M阀需要满足SIL2，其他PDS阀门需要满足SIL1的要求。
8) 阀门泄漏等级为ANSI Class VI(TSO)。
9) 阀杆应在高频率动作下严格对中，使阀门扭矩保持长期均匀性。阀杆密封设计需要确保零泄漏。
10) 执行机构应保证400万次的可靠动作，执行机构安全系数至少按1.5倍核算。 11) 电磁阀应为低功耗两位三通电磁阀，须满足Ex d ⅡC T4的防爆要求、IP65的防护等级要求和SIL的要求。
12) 阀门的阀位开关应为NAMUR型，须满足Ex ia ⅡC T4的防爆要求、IP65的防护等级要求和SIL的要求。
13) AA和GG阀为反应器卸料手动阀，只有在PDS控制系统需要停车检修时才关断它们。当这2个手动阀关闭时，阀球面与反应器的内壁面完全配合，不存在任
何空隙，这样可以避免聚合物自聚堵塞或抱死阀门。它们的密封应为零泄漏，避免在线检修时产生安全隐患。
14) 需要在E阀下设置1个两位式防爆开关Q，当现场开关Q置于“AUTO”位时，E阀受顺控逻辑控制，当现场开关Q置于“OFF”位时，E阀脱出顺控逻辑控制，处于手动状态，可用E阀自带的手动气控三通阀进行现场手动开关阀。 15) GP阀为G阀的吹扫阀，G阀与GP阀共用1个电磁阀，2个阀门的开关状态相反，即当G阀关闭时GP阀打开，从而使GP阀向反应器吹入循环气。GP阀需要带有手动三通阀，除了通过G阀的电磁阀远程控制外，还能通过手动三通阀现场进行手动吹扫。
以图1中PDS1举例说明，正常情况下，独立的1套PDS控制系统的顺控步骤共为6步，如图2～图7所示。PDS进行每步动作前需要对允许条件做出检查，PDS顺控步骤允许开始的条件见表1所列。
PDS控制系统顺控中，计时器A，B，C和D可先根据工艺包给定值进行粗设，然后再根据现场调试时的具体情况，结合产品仓与产品卸料罐上的核料位计、压力变送器以及相关阀门的动作时间进行优化设定，但计时器的设定值不应超过如下的范围：
1) 计时器A可调节时间T1是0～100s。 2) 计时器B可调节时间T2是0～60s。 3) 计时器C可调节时间T3是0～120s。 4) 计时器D可调节时间T4是0～30s。
想要保持PDS控制系统顺控的平稳进行，除了以上计时器的设定时间外，还需要现场专业工程师根据实际阀门的动作完成时间，结合下料的时间要求，对顺控和联锁逻辑做出微调。
每一套PDS控制系统顺控自卸料开始到完成后，都需要记录单套顺控的完成时间，
并把完成时间与工艺要求的设定值进行比较，超过设定时长则需要报警通知操作员进行检查。
PDS控制系统在“自动”和“单步”工作模式下，每次要进行下一步动作时，都要对该步的满足条件进行判断，通常的判断允许时间设定为3～5s(T5，T6，T7可调)，如果超过判断允许时间后还不满足该步的进行条件，则需要马上终止该套PDS顺控的进行，并发出报警信号通知操作人员解决。
如果是1对PDS中的某套PDS控制系统发生故障时，则应先关闭此套PDS控制系统的B阀和G阀，并打开A阀、C阀和GP阀；然后关闭W阀，并置W阀于手动关位置，使其脱出联锁顺控的控制；再用L阀代替原W阀进行顺控，即通过L阀来平衡产品仓与反应器之间的压差。
当出现工艺联锁事故引起全厂紧急停车时，需要通过“杀死系统”(或叫“反应终止系统”)使聚合反应停止。出现该情况时，需要立即停止所有PDS控制系统的顺控，同时联锁关断所有PDS控制系统的A阀、B阀、C阀和G阀，从而切断反应器与产品仓的联系。
总之，PDS控制系统通过顺控逻辑与联锁逻辑控制相关卸料阀的打开与关闭，实现反应器与产品仓以及产品卸料罐间的压力循环与平衡，从而完成聚丙烯粉料排放的工艺过程。文中介绍的PDS控制系统已成功地应用于UNIPOL聚丙烯装置，目前现场开车成功，并且能稳定、高效地生产运行,取得了良好的经济效益和社会效益。
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