全密度聚乙烯装置控制系统的设计
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全密度聚乙烯装置控制系统的设计
作者:姬景丰
来源:《科技创新与应用》2013年第26期
摘要:简单介绍了全密度聚乙烯装置(Unipol工艺)的工艺流程,针对聚乙烯装置主要环节
对控制的要求,阐述了装置控制系统的选型及基本配置方案。
关键词:全密度聚乙烯装置;控制系统;设计
引言
大庆石化公司120万吨/年乙烯工程全密度聚乙烯装置(II)2010年10月完成详细工程设
计,于2012年8月一次开车成功。该装置工艺流程较短,聚合反应本身是压力自限性的,没
有超压危险,但是各单元联系紧密,对控制系统的稳定性、可靠性、自动化程度要求较高。本
文将根据装置各环节要求、特点等介绍控制系统的选型设计。
1 工艺介绍
全密度聚乙烯装置采用Unipol低压气相流化床聚合工艺技术[1],主要以乙烯为原料,丁
烯-1或己烯-1为共聚单体,氢气为分子量调节剂,生产线性低密度聚乙烯和部分中、高密
度聚乙烯颗粒树脂,产品密度范围0.915-0.965g/cm3。该聚合工艺采用异戊烷作为诱导冷凝
剂,在冷凝模式下进行操作,即聚合反应过程中保持循环气中凝液含量为10%wt左右,以提
高反应效率。
全密度装置分为原料精制系统、聚合反应系统、回收系统、造粒系统、风送系统、包装系
统。
(1)原料精制系统
原料精制主要是对乙烯、共聚单体(丁烯和己烯)、氮气等介质中的一氧化碳、氧气、二
氧化碳、水和其它极性组分进行处理,原料中杂质浓度较高会影响整个工艺流程及最终产品质
量。共聚单体(丁烯和己烯)共用一套精制系统。来自界区的共聚单体进入脱气塔脱去轻组
分,然后通过冷却器冷却,再由共聚单体进料泵升压后通过一个干燥器除掉水分和其它极性组
分后进入反应系统。来自界区氮气经催化剂床除去氧气并通过干燥器除去水分,再采用氮气压
缩机将氮气增压成高压氮气,最后经过滤器去除微粒杂质送至反应系统。来自界区的乙烯经乙
烯换热器换热,再经预热器加热后进入脱氧床脱氧,然后进入一氧化碳脱除床去除一氧化碳,
从一氧化碳脱除床出来的乙烯经乙烯换热器冷却进入干燥器除掉水分和极性杂质,最后进入催
化剂床脱除CO2,送至反应系统。脱氧/脱气(CO,CO2)采用催化剂进行氧化反应或合成反应
是化学吸收,脱水采用分子筛是物理性吸附,各精制床均需要周期性的再生。
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(2)聚合反应系统
该系统由反应器\循环气冷却器\循环气压缩机组成。反应原料及催化剂经精制系统连续送
至流化床反应器中,进行聚合反应生成聚乙烯树脂,粒状产品经排料系统间断地排出。气相物
料通过离心式循环气压缩机和水冷式循环气冷却器连续地循环。循环气使流化床得到了良好的
返混,并将反应原料带至反应区,同时将放热反应生成的热带走。反应器有两个排料系统,正
常情况下交替操作,但也可单独操作。每个系统由一个产品出料罐和一个产品排出罐组成。当
反应器床层达到一个预定的料位时排料系统(PDS)自动启动。粉料产品连续地从产品出料罐
中落到产品排出罐中,再由此直接送至脱气系统的产品脱气仓。反应系统设置杀死系统,向反
应器内注入一种可逆催化剂毒物可使聚合反应部分或全部地停止。将毒物从床层中清除至火炬
可使催化剂复活,反应可迅速重新启动。
(3)回收系统
粉末状树脂从反应系统传送至一个立式树脂脱气仓。粉末状树脂经脱气仓旋转加料器进入
造粒系统。排放气从脱气仓出来经过一个保护过滤器,再通过低压冷却器。所有冷凝的液体收
集在低压集液罐中,残留的排放气进入排放气压缩机。气体从压缩机出口经过水冷高压冷却器
和乙二醇高压冷凝器。高压冷凝液收集在高压集液罐内。冷凝的烃类由集液罐送回反应器。
(4)造粒系统、风送系统、包装系统
树脂粉料(来自脱气仓)和添加剂(添加剂系统配置)在连续运行的混炼机中被融化并且
混合在一起,熔融的树脂经熔融泵进入水下造粒机,生成聚乙烯颗粒。空气压缩机通过压缩空
气至输送管线把聚乙烯颗粒从造粒区输送到包装料仓区。包装系统将来自包装料仓的聚乙烯颗
粒打包成袋,最终外销。
2 自动控制系统总体描述
全密度聚乙烯装置整个工艺紧凑,反应单元聚合反应剧烈,精制单元、回收单元与反应单
元紧密关联为一体,然造粒、添加剂、风送及包装又相对独立。因此控制系统设计采用分散控
制系统(DCS)、安全仪表系统(SIS)和可编程控制器(PLC)相结合的原则。
装置分散控制系统(DCS),用以监视、控制装置和部分公用工程的生产过程。实现对介
质温度、压力、流量、液(料)位和物料组分等工艺变量的常规闭环控制、分程控制、串级控
制。DCS预留与全厂信息管理系统的RS485通讯接口,以满足工厂信息化管理的需要。
装置的安全跳车逻辑、HAZOP分析报告有SIL要求的回路由安全仪表系统SIS执行,报
警信息、监视变量通讯至DCS。SIS与DCS冗余通讯采用MODBUS RTU协议,接口为
RS485。当信号需同时进入DCS和SIS,而又不宜采用独立传感器时,采用安全栅或信号分配
器一分为二,分别进入DCS和SIS系统。
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反应器产品排料系统(PDS)是典型的顺序控制工艺因此采用独立的PLC系统完成。反应
器的物料和床重、产品吹出罐的压力以及产品下料罐的压力等信息通过MODBUS RS485冗余
通讯至DCS,显示于操作站DCS画面。
造粒系统、添加剂系统、风送系统、包装系统均为相对独立的环节,而各系统本身或者是
I/O点较少,或者是以顺序控制为主,因此从系统性能、投资、施工及维护角度等考虑通常要
求自带PLC控制系统。同时为方便工艺生产操作,各系统物料关键参数将通讯至DCS系统,
显示于操作站DCS画面。冗余通讯采用MODBUS RTU协议,接口为RS485。
控制室设置了Bently3500机组保护系统和Compressor Controls Company(Guardian System)
超速保护系统用于保护循环气压缩机。
同时,设有辅助操作台,紧急状况时,可以通过急停按钮手动停车。
另外设有一套先进控制系统(APC+),内置专利商的完整的计算软件,该系统依据实时
的反应数据分析建模,控制和指导反应器的进料比例控制。
所有这些控制系统均通过通讯的方式和DCS系统相连接,构成一套完整的控制系统。
2.1 DCS系统配置设计
DCS为横河CENTUM-CS3000系统,为大规模集散型控制系统 ,具有开放的网络结构,
分布式系统构架,便于系统维护和危险分散。现场控制站采用4CPU冗余容错技术,实现了在
任何故障及随机错误产生的情况下进行纠错与连续不间断控制。
系统配置主要从冗余、负荷、备用三方面考虑,即所有与控制相关的部件(即控制用I/O
卡件、控制器、电源、通讯接口及总线)都按1:1冗余配置;控制站的CPU负荷不超过
50%,操作站、工程师站在正常操作工况下的CPU负荷不高于支持能力的20%,工业以太网
的负荷不高于支持能力的10%,专用通讯系统的负荷不高于支持能力的50%,电源系统中单
电源带载能力不低于计算负荷的120%,控制器下挂的I/O卡件不超过其硬件支持能力的
70%;I/O点的备用量不小于15%,机柜的备用空间不小于15%。
控制系统I/O点和控制器分配按照装置单元和信号类型相结合的原则执行。本安信号通过
底板式安全栅与控制系统I/O卡件隔离,模拟量非本安信号通过端子板与系统控制I/O卡件相
连,数字量非本安信号通过继电器端子板与控制系统I/O卡件隔离,安全栅底板、端子板与控
制I/O采用专用同轴电缆连接。最终装置配置3组控制器及配套I/O卡及卡笼,即原料精制单
元、反应单元和回收单元及公用工程部分,各采用一套控制器分别安装在3个控制柜中。根据
各单元I/O特性分别为每套控制器(控制柜)配置辅助机柜(安全栅柜、端子板柜、继电器板
柜),控制柜和辅助机柜是一对多的关系。