VCM 生產工藝安全儀表控制系統的應用

辛 丹，雷 霆，王鈺棟，郭亞東

（金川化工新材料有限責任公司，甘肅 金昌）

聚氯乙烯項目氯乙烯（VCM）生產過程涉及多種有毒有害、易燃易爆氣體，金川化工新材料有限責任公司（簡稱“金川化工”）2018年委托安全評價單位完成了危險化學品重大危險源現狀評價，依據《危險化學品重大危險源分級方法》，計算出對重大危險源級別進行確定的R 值為29.09， 構成三級重大危險源，屬于政府安監部門重點監管的危險化工工藝、重點監管的危險化學品和重大危險源，簡稱“兩重點一重大”。

聚氯乙烯整個生產過程中，原料、中間產品及各種輔料助劑大都為有毒易燃易爆物質， 其中乙炔、氯乙烯、二氯乙烷泄漏后屬于甲級防火防爆物質。 聚氯乙烯生產裝置氯乙烯球罐區屬三級重大危險源，氯乙烯合成和聚合裝置分別為重點監管的氯化工藝和聚合工藝，氯乙烯、乙炔、燒堿、鹽酸為重點監管的危險化學品。 按國家安全要求，為保證“兩重點一重大”生產裝置的安全穩定運行，重大危險源和重點工藝必須增設安全儀表控制系統。 目前，金川化工VCM 工序聯鎖回路采用集散控制系統（DCS）實現，若DCS 系統在生產過程中發生通訊中斷、設備故障等異常情況，導致DCS 失控，則極易造成爆炸，有毒氣體泄漏等重大生產安全事故。 按國家安監總局第40 號令要求， 重大危險源必須增設獨立的安全儀表系統，并與DCS 獨立，因此VCM 生產工藝需增設獨立的安全儀表控制系統。

1 安全儀表控制系統

安全儀表控制系統（Safety Instrumented System）簡稱SIS，又稱為安全聯鎖系統（Safety Interlocking System）。SIS 系統是一種由專門機構認證，用于降低生產過程風險的儀表安全保護系統，其安全等級高于DCS 系統。生產系統正常狀態時系統處于休眠備用狀態，但會連續不斷地對系統進行檢測，一旦檢測到工藝參數達到安全聯鎖極限，則立即執行設置好的安全聯鎖停車操作， 其控制獨立于DCS 系統，響應速度高于DCS 系統。

2 VCM 工藝流程

由乙炔裝置送來的乙炔氣體經阻解器進入乙炔冷卻器冷卻至10～14 ℃，經除霧后與氯化氫在混合器中按比例（乙炔∶氯化氫=1∶1.05～1∶1.10）混合，經混合氣冷卻器冷卻至（-14±2） ℃，脫除混合氣中的水分，經一級鹽酸酸霧過濾器、二級鹽酸酸霧過濾器分離混合氣中的鹽酸酸霧，再經混合氣預熱器將混合氣升溫后，進入合成轉化系統。 預熱后的混合氣依次經Ⅰ段、Ⅱ段轉化器，在催化劑的作用下，反應生成粗氯乙烯。 反應熱通過轉化器殼程的庚烷撤出，氣化的庚烷由轉化器冷凝器冷凝。 粗氯乙烯氣由除汞器除去夾帶的氯化汞升華物，經反應氣冷卻器、降膜吸收器、水洗塔除去過量的氯化氫后進入堿洗塔，除去殘余的氯化氫和二氧化碳，再經機前冷卻器、機前分離罐除去大部分夾帶水，凈化后的部分粗氯乙烯氣體進入氣柜進行緩沖。 凈化后的粗氯乙烯被壓縮后， 經機后冷卻器送至單體脫水裝置。 粗氯乙烯依次經一、二段全凝器冷凝后，進入粗氯乙烯緩沖罐， 未冷凝氣體經尾氣冷凝器再次冷凝，不凝氣送至尾氣變壓吸附。 粗氯乙烯依次經低沸塔、高沸塔除去乙炔、高沸物后，送往單體球罐。主要控制技術指標見表1。

3 工藝控制點確認

VCM生產系統目前采用DCS系統進行過程控制和檢測，實現集中控制操作。生產現場為連續運行的化工裝置， 有乙炔氣、 氯乙烯氣和氯化氫氣體的存在，且具有劇毒、易燃、易爆、易腐蝕的特性，為保證裝置在事故狀態下保持安全狀態，根據VCM生產工藝控制要求，委托具有分析、評價、設計資質的機構對VCM工序進行HAZOP和LOPA分析，并進行安全等級SIL認證（SIL等級設置見表2），設置一套完整的安全儀表系統（SIS），用于裝置的安全聯鎖和保護停車。

表2 SIL等級設置表

通過對VCM 生產工藝的HAZOP 和LOPA 分析，VCM 工序SIS 系統主要儀控設備設計方案如下。

設置一套獨立的SIS 控制系統，3 臺氯乙烯儲罐進出口各增加1 臺自動切斷球閥引入SIS 系統，原有進出口自動切斷閥不做變動，仍由DCS 系統控制。 3臺氯乙烯儲罐，每臺設置3個液位計，將原有液位計更換為具有SIL2認證的雷達液位計， 液位信號直接引入SIS系統， 液位與SIS系統新增進出口自動閥聯鎖，由SIS系統通過一入二出安全柵，各引出一路液位信號進入DCS系統，與DCS系統自動閥聯鎖。

氯乙烯氣柜增加1臺自動切斷閥引入SIS系統，原有進出口自動切斷閥不做變動，仍由DCS控制。氣柜原有雷達液位計更換為具有SIL2認證的液位計，液位信號引入SIS系統， 液位與SIS新增自動切斷閥聯鎖。 由SIS系統通過一入二出安全柵，各引出一路液位信號進入DCS系統， 與DCS系統氣柜自動閥聯鎖。氣柜進口增加3臺壓力變送器引入SIS系統，與氣柜SIS系統新增進出口自動切斷閥聯鎖； 由SIS系統通過一入二出安全柵， 各引出一路壓力信號進入DCS系統，與DCS系統氣柜自動閥聯鎖。

HCl 總管增加1 臺自動切斷閥引入SIS 系統，乙炔總管增加1 臺自動切斷閥引入SIS 系統。 混合器原有3 臺熱電阻更換為具有SIL2 認證的熱電阻，熱電阻信號引入SIS 系統， 混合器溫度信號與氯化氫總管及乙炔總管切斷閥聯鎖。 由SIS 系統通過一入二出安全柵，各引出一路熱電阻信號進入DCS 系統，與DCS 系統HCl 及乙炔總管自動閥聯鎖。

HCl 來自燒堿合成系統， 通過合成爐將H2與Cl2燃燒產生HCl，輸送至VCM 混脫工序。 當VCM SIS 觸發，造成HCl 閥門關閉時，會造成HCl 氣體回流，影響HCl 壓力，對上游HCl 合成系統造成很大影響。 因此，需要增加HCl 閥門聯鎖觸發報警信號，引入HCl 合成DCS 系統。 HCl 合成系統增加了HCl自動吸收裝置， 當VCM 系統聯鎖觸發時，HCl 閥門關閉，聯鎖報警信號觸發后，HCl 合成控制系統中系統HCl 吸收裝置自動投用。

4 SIS 設計及系統配置

SIS系統由控制站、操作員站、工程師站等輔助設備組成獨立完整的系統。根據控制點數設置1臺控制柜，1臺工程師站及1臺操作員站， 并設置1臺輔操臺。 SIS控制柜及工程師站設置在PVC事業部VCM控制室機柜間， 操作員站及輔助操作臺設置在PVC事業部中央控制室操作室內。 輔操臺設置單臺球罐進出口閥急停按鈕及全部球罐進出口閥總急停按鈕。

4.1 聯鎖設置

根據生產工藝要求及HAZOP 和LOPA 分析，VCM 生產系統聯鎖設置見圖1。

圖1 VCM生產工藝聯鎖圖

混合器溫度采用三取二模式，當溫度大于45 ℃或溫升2 s 內達到3 ℃， 氯化氫及乙炔總管切斷閥聯鎖關閉。 氣柜液位及氣柜頂部壓力采用三取二模式，當液位大于等于80%或小于等于15%，壓力大于等于6 kPa 或小于等于1 kPa 時， 氣柜進出口閥聯鎖關閉。 球罐液位采用三取二模式，當液位大于等于85%時，球罐進口閥聯鎖關閉。

4.2 SIS 控制系統主要技術參數

VCM 生產工藝的SIS 系統采用浙江中控TCS-900 系統，具備SIL3 等級認證。 其控制站的每個控制器和I/O 模塊都有3 個獨立的通道回路， 輸入模塊內的3 個通道同時采集同一個現場信號并分別進行數據處理，經表決后發送到3 條I/O 總線，控制器從3 條I/O 總線接收數據并進行表決， 將表決后的數據送3 個獨立的處理器，各處理器完成數據運算后， 控制器對3 通道中的運算結果進行表決，將表決結果送I/O 總線， 輸出模塊從I/O 總線接收數據并進行表決，表決結果送3 個通道進行數據輸出處理，處理結果表決后輸出驅動信號?？刂普綢/O 模塊和控制器模塊支持冗余設置，冗余模式下，如果檢測到某個模塊出現故障，則可在線更換。

TCS-900 系統具有以下特點。

（1）模塊采用三重化結構設計，3 個完全相同的通道獨立工作， 模塊的輸入和輸出采用表決機制；冗余配置時，可在保持控制器在線期間實現模塊的安裝與更換，可在不更改現場接線的情況下更換I/O 模塊；

（2）系統響應時間在20 ms 以內，響應速度高于DCS；

（3）SIL3 安全系統，符合3-2-0 降級模式，降級模式最高可達3-3-2-2-0；

（4）支持模塊環境實時監測；

（5）高速處理器SCU9020，系統控制周期最快可達10 ms；

（6）高速輸出AO 模塊SAO9010-H 為三重化通道冗余架構，通道間相互獨立；

（7）自動隔離故障而不會造成性能降級，支持模塊熱更換無擾的故障處理；

（8）支持通過SIL3 認證的遠程擴展機架的光纖連接，大大提高了系統的靈活性。

根據VCM 生產工藝控制點數設計要求， 系統配置測點清單見表3 和系統配置清單見表4。

表3 測點清單

表4 系統配置清單

4.3 網絡系統

VCM 生產系統SIS 系統通訊網絡采用冗余形式將控制站、 操作員站和工程師站等連接起來。TCS-900 系統的工程師站和控制站間通過網絡通信模塊和以太網SCNet IV 實現連接。

4.4 電源配置

SIS 系統設置一套獨立的冗余10 kVA UPS 電源，可保證系統斷電后實現無擾動切換，供電時間滿足60 min。

5 SIS 控制系統操作

SIS 系統操作設置在DCS 操作室內，在DCS 操作室內設置1 臺SIS 系統的操作員站，SIS 系統日常操作由操作員站完成， 操作由中控操作人員實施。SIS 系統工程師站設置在控制系統機柜間內， 工程師站不可進行SIS 的聯鎖投入等常規操作， 工程師站由儀控系統工程師操作。

工藝系統開車前儀控工程師配合中控操作人員對所有SIS 聯鎖點進行聯鎖調試， 調試完成后對每一臺閥門進行復位操作， 保證閥門處于開狀態?；旌厦撍到y開車穩定后，乙炔流量大于6000 m3/h，乙炔總管流量、乙炔總管壓力、氯化氫總管壓力和氯化氫總管流量均達到正常值， 投入DCS 聯鎖后，投入SIS 混合器溫度聯鎖。 凈化壓縮系統開車穩定后，氯乙烯氣柜壓力控制在3.0～4.0 kPa，氯乙烯氣柜液位控制在綠區指標25%～70%（雷電或大風天氣情況下﹤65%）， 投入氯乙烯氣柜液位及壓力聯鎖。精餾系統開車穩定后， 球罐液位控制在15%～75%，投入成品貯槽液位聯鎖。

當系統降量停車， 當乙炔流量降至6000 m3/h時，中控應解除混合器聯鎖；系統整體停車后應解除其他聯鎖。

VCM 工序SIS 系統所有閥門在聯鎖未投入或生產正常運行情況下均為打開狀態， 聯鎖投入后，只有當達到聯鎖條件時，閥門聯鎖關閉。 聯鎖投入觸發后，SIS 操作界面會有相應的報警信息，輔操臺相應的報警燈亮起，并觸發聲光報警，報警信號同時引入DCS 系統畫面。

在遇緊急異常情況時，如控制系統失控無法操作，則可通過SIS系統輔操臺的急停按鈕進行閥門關閉操作。 輔操臺設置不合格單體貯槽進料出料閥關閉按鈕，氯乙烯成品貯槽A進料出料閥關閉按鈕及3臺球罐進料出料閥全部關閉按鈕。

當出現公用工程故障如斷電、斷氣時，現場閥門自動關閉。 在系統停產期間，根據生產要求需關閉閥門時，系統工程師強制給出關閥命令。

6 結語

安全儀表系統投入使用后，滿足了國家對化工生產系統安全規范的要求， 大大提升了VCM 生產系統的安全性能，降低了人員直接接觸?；返膸茁?。 在突發事故應急情況下，SIS 系統優先于DCS發出聯鎖信號并緊急停車，可避免?；沸孤┰斐傻木薮笪：?， 保證了VCM 生產系統的安全穩定運行。