紧急停车系统在FCCU反应再生过程中的应用

李 鸣 梁 英

(南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031)

0 引言

催化裂化装置(fluid catalytic cracking unit，FCCU)反应再生过程主要用来完成原料油裂化和催化剂的再生工作，它的安全运转是整个装置安全生产的必要前提。

为了最大限度地降低装置恶性事故发生的概率，避免重大经济损失，对FCCU反应再生过程采用高可靠性的紧急停车(emergency shutdown，ESD)系统来进行连锁保护控制是很有必要的[1]。

本文在深入了解FCCU反应再生过程工艺及设备特点的基础上，设计了一套基于S7-3000 PLC的紧急停车系统。

1 工艺及连锁逻辑关系

1.1 FCCU反应再生过程工艺简介

FCCU一般由反应再生、主风机、分馏、压缩机、吸收稳定和余热锅炉等部分组成，其工艺流程如图1所示[2]。

图1 FCCU工艺流程图Fig.1 Process flow of FCCU

1.2 连锁逻辑的设计

根据FCCU反应再生系统的进料流量低限、反应温度低限、两器差压超限、主风流量低限和增压风流量低限，设计了反应器进料自保、两器自保、主风低流量自保、主风机组自保和增压风低流量自保这5项ESD系统自保项目。

1.2.1 进料自保连锁逻辑

当反应进料流量低于某一下限值时，两器压力平衡被破坏，催化剂循环受阻，甚至还会发生催化剂倒流现象，使油气大量带入再生器而引起事故[3]。因此，选用进料流量低限或反应温度低限作为连锁条件。当反应器-再生器差压、主风流量、主风机组、增压风流量均正常，而反应器进料流量或反应温度达到低限时，启用进料自保系统。进料自保连锁逻辑如图2所示。

图2 进料自保连锁逻辑图Fig.2 Interlock logic of feeding protection system

事故排除后，须对反应进料自保进行复位，但须在两器自保、主风低流量自保和主风机组自保均已复位的前提下进行。

1.2.2 两器自保连锁逻辑

在催化裂化装置FCCU反应再生过程中，两器差压超限将破坏其压力平衡，引起油气互串，严重时还会引起爆炸等事故，故将两器差压超限作为两器自保连锁条件。当两器差压持续超限，难以维持正常操作时，启用两器自保，同时带动进料自保启动。同样，事故排除后，须对两器自保进行复位。当两器差压正常后，进料自保进行复位。两器自保连锁逻辑如图3所示。

该马尔可夫过程在第[tk+(l-1)T0]秒时的过程元A′[tk+(l-1)T0]的一步传导转移过程元变化为

图3 两器自保连锁逻辑图Fig.3 Interlock logic of reactor-regenerator self-protection

1.2.3 主风低流量自保连锁逻辑

当主风流量下降至低限时，启用主风低流量自保。同时，带动进料自保、两器自保、增压风自保和主风机组自保启动。催化裂化主风低低流量检测元件宜采用3取2配置或2取2配置，本文选用3取2的配置方式。主风低流量自保连锁逻辑如图4所示。

图4 主风低流量自保连锁逻辑图Fig.4 Interlock logic of main air flow low self-protection

1.2.4 主风机组自保连锁逻辑

烟气轮机、轴流风机和电动/发电机(简称“三机组”)是目前在FCCU中应用较多的主风机配置方案[4－5]。本文的主风机组自保连锁逻辑主要有：机组启动逻辑、机组自动操作逻辑、安全运行逻辑和紧急停车逻辑，具体介绍如下。

①机组启动逻辑，主风机组紧急停车后需延迟15 min，待“预启动检查可进行”指示灯亮后再启动。启动前还应对机组进行盘车[6]，只有当盘车运转停止时，才能进行机组的再次启动。机组的启动条件可通过操作面板上的“预启动检查按钮”来进行操作，主要包括润滑油压力正常(＞0.25 MPa)、动力油压力正常(＞12.0 MPa)、润滑油冷却器出口温度正常(＞25℃)、静叶在22°位置、反喘振放空阀全开、主风机出口止回阀和单向阀均关闭、烟机入口蝶阀和闸阀均关闭以及盘车运转停止等条件。当以上条件均满足时，系统处于“启动待命”状态[2－5]。

②机组自动操作逻辑，为便于做各方面检查，在机组启动成功后应保持5 min，5 min后“自动操作可进行”指示灯亮[1－2，5]，按下操作面板上的“允许自动操作”按钮，机组进入“自动”运行状态，反喘振放空阀的调节解锁;开启主风机出口单向阀和止回阀;静叶调节器解锁;烟机入口蝶阀投自动。

③机组安全运行逻辑，安全运行是指机组在正常运行中因装置操作需要或机组本身原因，暂时停止向再生器供风而主风机不停时的一种“自保运行”状态[2，5]。当按下“手动安全运行”按钮，或装置主风机低流量自保动作，或主风机入口低流量，反喘振保护失灵，或进入逆流状态时，机组将进入安全运行。此时，静叶关至22°，主风机出口止回阀关闭，防喘振阀全开，烟机入口蝶阀和闸阀全关[7]。

④机组紧急停机逻辑，当手动紧急停车开关处于“ON”状态、机组转速超限、润滑油压力过低、动力油压力过低、主风机轴位移过大、主风机持续逆流、烟气轮机轴位移超限中任何一项或几项连锁条件发生时，装置将急停主风机组。

事故排除后，机组自保复位。机组恢复正常后，进料自保、两器自保、主风机低流量自保和增压风自保按规程复位。

1.2.5 增压风自保连锁逻辑

当增压风流量下降至低限或增压机故障时，启用增压机自保，关闭增压风阻尼单向阀，迅速打开事故蒸汽阀，以保证在增压风中断后能维持待生催化剂线路中的压力平衡，防止反应再生系统催化剂停止循环[3]。

2 ESD系统硬件配置选型

2.1 PLC容量的确定

PLC选型前首先要确定PLC的容量，包括I/O点数和用户存储器容量。

FCCU反应再生过程中，ESD系统的控制点规模如下：DI 50点、DO 50点、AI 54点、AO 26点。为便于系统的升级，I/O点数可取10% ～15%的裕量[6]，本系统取10%。因此，实际配置 DI 55点、DO 55点、AI 60点、AO 29点。根据经验，每个I/O点及有关功能器件所占的内存大致如下[6]：

式中：MC为所需存储器容量，kB;DI为数字量输入点总数;DO为数字量输入点总数;AI/AO为模拟量输入/输出通道总数;CP为通信接口总数。

由式(1)及系统I/O点规模可得存储器容量为2.4 kB，按30%的裕量[6]，本系统所选 PLC 机型的存储器容量至少为3.12 kB。

2.2 系统硬件配置

本系统选用西门子S7-300 PLC来进行ESD的设计。它不但能满足以上容量需求，且其用户可根据系统需求来自行选择I/O点数及模块种类和数量，具有配置灵活、扩展方便和硬件可靠性高等优点。

FCCU反应再生过程ESD系统结构如图5所示。系统采用3级控制体系，即现场级、控制级和监视级，各级之间通过冗余的通信网络来连接。

图5 ESD系统结构图Fig.5 Structure of ESD system

现场级采用2组冗余配置的ET200M分布式I/O站;控制级中CPU采用双冗余配置，它是整个系统的核心部分;监视级采用1个操作员站和1个工程师站。ET200M从现场采集实时信号，通过Profibus总线上传到控制级PLC中。控制级中，主备CPU具有相同的用户程序，它们同时参与控制运算和数据处理，并通过工业以太网向监视级操作员站上传数据，接收操作员站的操作指令或接收工程师站的系统组态信息和工程下载文件，完成系统组态。正常情况下，主CPU通过Profibus总线把连锁控制信号传送到执行机构，指挥系统执行相应的动作;当主CPU发生故障时，备用CPU自动接替主CPU的工作。系统硬件配置选型如下所示[7]：监视级采用2块以太网卡CP1613，选用的标准工具软件有 SIMATIC NET V6.2、STEP7 V5.4 和WinCC V6.0;控制级主机配置2块PS 307 5A电源、2块CPU315-2DP和2块通信模块CP 343-1;远程I/O站选用带有源背板总线的ET200M，并配置4个接口模块 IM153-2、4 块 SM321 DI16、4 块 SM322 DO16、8 块SM331 AI8和4块SM332 AO8。

3 系统组态及通信网络

根据系统结构及硬件选型，在SIMATIC MANAGER中对系统进行组态。

控制级与ET200M站的组态过程具体如下：首先，创建名为“300-Redundancy”的项目，并插入2个S7-300站，即主站“Master”和备用站“Reserve”;分别对主站和备用站进行硬件组态，双击打开HW Config对话框，添加相应的机架、电源、CPU和通信模块，并设定CPU上Profibus-DP主站的地址为3;添加CP1613并设定IP网络地址和MAC地址;在“Master”站的Profibus DP下添加4 个ET200M 站(地址分别为4、5、6、7，其中4 和6，5和7互为冗余)，为各站配置相应的I/O模块，并在“Reserve”站中通过“Insert Redundant”将“Master”站的ET200M复制到“Reserve”站中。组态完后，编译并下载相关文件到PLC中。

监视级组态具体如下过程：在项目中插入名为“ES”的 PC 站，然后分别插入 Application、CP1613、OPC Server，设定以太网卡的网络配置参数;在Configuration Console中对CP1613进行组态，并设置相应的槽号;进入Station Configuration Editor对CP1613进行编辑，并在相应槽位上添加Application，至此组态完毕。

硬件组态完毕后，可通过点击HW Config窗口中的“组态网络”图标进入网络组态界面。在“NetPro”窗口中选中CPU 315-2DP所在的小方框，点击鼠标右键，在快捷菜单中选择“插入新连接”，为CPU 315-2DP插入一个连接类型为“ISO-on-TCP”的连接伙伴“CPU 315-2DP”，从而建立PLC之间的以太网连接。用同样的方法建立PLC与监控级PC机的以太网连接。至此网络组态完毕，保存并编译后将其下载到PLC中。然后，打开 WinCC，建立连接，设置相应的 Application name和Connection name，这样就实现了PLC与上位机的通信。

4 结束语

本文通过对FCCU反应再生过程设备特点及安全要求的研究，设计了一套可靠性高、安全性好、扩展方便灵活的 ESD 系统[8－10]。

该系统可在紧急情况下对装置实现连锁保护，避免恶性事故发生和重大经济损失，对安全生产具有重要的意义。

[1]吴颐轩，赵岩.紧急停车系统在催化裂化装置主风机组中的应用[J].风机技术，2005(5)：54 －57.

[2]刘英聚，张韩.催化裂化装置操作指南[M].北京：中国石化出版社，2005.

[3]马伯文.催化裂化装置技术问答[M].北京：中国石化出版社，1993.

[4]中国石油化工集团公司自动控制设计技术中心站.SHB-Z06-1999石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则[S].北京：中国石化集团公司，1999.

[5]武英平，赵凤军.PLC在催化裂化装置主风机自保中的应用[J].化工自动化及仪表，2002，29(3)：59 －62.

[6]朱锦智.炼油催化裂化主风机组控制系统原理及技术[J].自动化仪表，2005，26(5)：39 －42.

[7]吴颐轩，赵岩.紧急停车系统在催化裂化装置主风机组中的应用[J].风机技术，2005(5)：54 －57.

[8]高钦和.PLC应用开发案例精选[M].北京：人民邮电出版社，2008：65 －68.

[9]郑璇.催化裂化反应故障诊断系统的研究与开发[D].北京：北京化工大学，2009.

[10]秦仲雄.石油化工装置应用ESD浅见[J].石油化工自动化，2002(6)：14－19.