罗欣颖

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

现今航空航天、机械装备制造和汽车行业对高质量润滑油的需求与日俱增，目前国内生产能力面临较大缺口。此类油品生产装置具有良好的发展前景及可观的经济效益。控制方案是装置的核心，合理的控制方案能够提高装置的自动化水平及生产效率，整体提升装置的经济效益；对于联锁控制方案而言，可以有效地降低装置生产运行中的风险，保护装置及操作人员人身安全。因此控制及联锁方案的有效实施是装置运行中的重要环节。本文以国内某油品生产装置为基础，对装置中的主要控制及联锁方案进行讨论，并结合开车调试阶段发现的问题进行探讨并提出改进方案。

1 油品生产装置工艺流程简述

该装置以烯烃为原料，通过催化剂作用，经过反应及吸附分离回收等工序后得到一种高质量润滑油产品。

2 油品生产装置主要控制方案

2.1 反应单元油品吸附系统顺序控制方案

（1）工艺控制要求

图1 为油品吸附工艺流程示意图。从反应器出来的反应产物中含有反应后残留的催化剂等需要移除，故将上游油品引入油品吸附罐，利用吸附剂去除反应产物中的不必要组分。此时，油品与吸附剂在吸附罐中需充分结合（使用搅拌器搅拌）并在罐体中停留一段时间，吸附完成后反应产物将进入后续工段的过滤器中。油品吸附过程需要物料在吸附罐中停留一段时间进行吸附，为了使工艺流程持续，所以在工艺上采用了A/B 线切换方案，即A 线（或B 线）停留在罐中吸附时，B 线（或A 线）已经完成吸附的物料进入后续工段。

（2）顺序控制方案

如图1所示，顺序控制的初始状态为A 线及B线油品吸附罐进出料阀门、吸附剂加料罐及吸附剂计量罐出料阀、氮气吹扫阀均处于关闭状态。下文以A线为例进行描述。

图1 油品吸附工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the oil adsorption process

启动顺序控制，打开吸附剂加料罐出口阀A，使其维持全开状态一段时间后关闭（将吸附剂转入计量罐中）。打开油品吸附罐进料阀A，液位到达低液位设定值后，同时打开吸附剂计量罐出口阀A 以及氮气吹扫阀A（利用氮气压力将吸附剂送入吸附罐内），到达设定时间后关闭上述两台阀门。启动油品吸附罐搅拌器。液位到达高液位设定值后，关闭搅拌器以及进料阀A，并打开吸附罐出料阀A。液位降至低液位设定值后关闭出料阀A。A 线催化剂吸附顺序控制结束。B 线顺控操作同上。

（3）调试与开车阶段发现的问题

①启动顺序控制后需人工切换A/B 线，无法实现A/B 罐之间的自动切换，且由于两个罐体的频繁切换而导致操作员工作负荷增加。

②吸附剂加料罐的出料阀A 关闭后，直接打开吸附罐进料阀。此时，尚未对待进料的罐体进行液位判断，在装置运行过程中可能存在一定的溢罐风险。

③开车调试阶段利用氮气将吸附剂计量罐内的吸附剂送入油品吸附罐时，根据下游油品质量改进吸附剂计量，所以吸附剂计量罐出口阀以及氮气吹扫阀开关时长设定时间需要手动调整，以确保进入下游过滤器油品质量。装置运行稳定后，尽量确保每一次吹扫吸附剂的氮气压力不变，且吸附剂计量罐出口阀和氮气吹扫阀开关时长一致。一旦压力或者阀门开关时长发生变化，会导致进入油品吸附罐的吸附计量发生变化而影响吸附效果。

（4）顺序控制方案的改进

针对上述在调试及开车阶段发现的问题对顺序控制方案做出了改进（仍以A 线为例）。

启动顺序控制，当油品吸附罐A 液位低于低液位设定值且罐B 液位高于高液位设定值时（开车工况时，罐B 为空罐零液位，手动开罐A 进料阀）开罐A 进料阀同时开吸附剂加料罐出口阀A，到达设定时间后关闭吸附剂加料罐出口阀A。下一步，开启吸附剂计量罐出口阀A 以及氮气吹扫阀A，到达设定时间后关闭上述两台阀门。罐A 液位上升至高液位设定值时关闭进料阀A 并开启出料阀A，至液位降至低液位设定值时关闭出料阀A。

（5）改进前后控制方案对比

①启动顺控后，同时将两个罐体的料位（一个罐高料位，另一个罐低料位）作为顺控条件，以此实现A/B 罐之间的自动进出料切换（除开车工况外）。改进后提高了装置的自动化效率，减轻了操作人员的工作负荷。

②改进后通过预进料罐的低液位以及切换罐的高液位相互制约来开启进料阀，有效避免了溢罐风 险。

③在DCS 顺序控制操作界面中将阀门开关时长的设定时间设置为可手动修改，使工艺操作人员可以根据下游油品吸附效果及时调整吸附剂计量，从而改善吸附效果。在今后扩大规模的装置中，可考虑提高吸附剂计量的控制精度，可以有效提高下游油品质 量。

④改进后顺控方案中，搅拌器的启动与停止不再在顺序控制中实现，仅根据液位高低值来联锁控制其开停，罐体液位高时停搅拌器液位低时开搅拌器。改进方案简化了搅拌器的控制逻辑，且在开始进料并加入吸附剂的过程中已经启动搅拌器，这样提高了搅拌器的搅拌效率，同时能够让吸附剂和物料接触更加充分。

⑤无论是改进前还是改进后控制方案，要实现A/B 罐间的切换以及保持上下游物料连续，当罐体内物料达到高液位设定值后即将打开罐体出料阀。所以最后进入吸附罐的上游物料在罐体中停留的时间相对较短，这是该种工艺流程中无法避免的问题。

通过上述改进，装置开车后运行平稳正常。

2.2 装置中典型压力调节系统

目前许多石油化工生产装置中，物料储罐的氮气密封及压力控制系统采用分程控制方式，即用一个调节器按输出信号的不同区域同时控制两个或多个执行机构的控制方式。此种控制方式一是可以扩大调节阀的可调范围，改善控制的品质；二是可以满足工艺操作中更加精确的要求[1]。现今石油化工装置中的分程控制系统一般都采用DCS（Distributed Control System 分散控制系统）控制系统的分程模块实现，分程模块的优点是：易于实现，便于调校、维修以及更换[2]。

（1）工艺控制要求

根据装置的生产工艺特点，催化剂配置/计量罐、吸附罐、缓冲罐、油罐和反应器等罐体的压力均需要维持在某设定值（正压）范围内，主要目的是使罐顶压力始终维持在一个相对固定的范围内。装置中罐体均利用精制氮气对罐顶压力进行调节，本文以图1 中催化剂吸附罐压力调节系统为例进行说明。通过罐体压力实时测量值同时调节氮气以及放空管线上的调节阀开度，从而实现稳定罐体压力的作用。

如图1所示，当吸附罐罐体进料时，液位上升，灌顶压力上升至压力下限设定值时，停止补充氮气，若压力持续升高至压力上限设定值时，放空阀逐步打开适量放空。当吸附罐罐体出料时，液位下降，灌顶压力降低至压力下限设定值时，继续补充氮气。

（2）分程控制方案

该装置中分程控制均在DCS 系统中完成，分程控制描述为：控制器输出0%～45%时，进气阀开度从100%～0%，放空阀开度为0%；控制器输出45%～55%时，两个阀开度都是0%；控制器输出55%～100%时，放空阀开度从0～100%，进气阀开度为0%。45%～55%区间可根据现场实际情况进行调整，分程控制区间如图2所示。

图2 分程控制区间Fig.2 The interval of split control

（3）对分程控制方案的探讨

①调节阀的气开/气关形式

该装置中，从工艺安全的角度，进气阀在发生故障时停止补气应处于关闭状态，故其形式为FC（气开型）；放空阀在发生故障时将灌顶气体排空，故其形式为FO（气关型）。压力调节信号从0 增至压力下限设定值时对应进气阀开度从100%～0%，调节信号由压力上限设定值至100%时对应放空阀开度从0%～100%。对于被控过程而言，当压力信号增加（减小）时，阀门开大（关小），此被控过程为正作用；当压力信号增大（减小）时，阀门关小（开大），此被控过程为反作用。综合考虑以上因素，可以通过DCS 系统的分程控制模块实现分程控制，完成工艺控制要求。

在一些化工装置中，放空管线上的调节阀选型为FC（气开型）。一方面，考虑在发生故障后，罐体压力可维持故障前的压力状态。另一方面，若故障时打开放空阀，压力释放后罐内压力降低，若短时间内重新开工，则需重新补充氮气，这样会造成氮气的额外消耗。

考虑上述两点，在符合工艺安全的前提下，后续类似工况是否可采用进气阀以及放空阀均采用FC（气开型）形式。因在本装置中此种工况较多，本文在此提出思考，在后续类似装置设计中考虑能否做出适当改进。

②分程区间的确立

选择分程控制区间的一般规律[3]为：若随着调节器输出信号的增加，A 阀开度逐渐增大（或减小）至一定开度后需要调节B 阀时，则B 阀工作在高信号区间；若随着调节器输出信号的减小，A 阀开度逐渐增大（减小）至一定开度后需要调节B 阀时，则B 阀工作在低信号区间。在本装置的分程控制方案中，随着压力信号的增加即调节器输出信号的增大，进气阀A 开度逐渐减小至全关后，若压力随着液位的增加仍持续升高，则需要打开放空阀A。所以本装置中分程控制的分程区间如图2所示。

③中间区间的选择

在该装中，当压力调节信号达到设定值的下限时，进气阀A 全部关闭，随着调节器输出信号继续增加（压力增加）至设定值上限时，再逐步打开放空阀A。设定值下限至设定值上限区间内，两个阀门均处于关闭状态。

此种控制方案在实际生产中已较为常见。倘若不设置该区间，调节器输出信号的设定值仅为区间上的一点。有时由于调节阀控制信号的滞后以及不同阀门执行机构动作时间的差异，输出控制信号由设定值附件变化时，可能会出现放一台阀门已经开启而另一台阀门尚未关闭的情况。这样会造成氮气的浪费，所以设置该区间，可保留充分时间使调节阀完成动作，消除调节阀动作的滞后现象。该 装置中所有压力调节系统初始中间区间设置为45%～55%，在开车及调试阶段该区间可根据每个系统不同工艺状况适当调整。

3 安全联锁方案

在本装置中，主要联锁保护方案为：反应器压力或温度高高时，联锁关闭反应器进出料阀门、进出料泵、压缩机及加热器等关键设备。本文着重对装置催化剂单元中烷基铝系统的联锁保护方案加以探讨。

（1）工艺安全保护要求

装置中采用烷基铝作为助催化剂参与聚合反应。而烷基铝作为一种危险化学品，在空气中（特别是潮湿空气）可自燃，与非金属氧化物（如二氧化碳等）接触发生着火或爆炸，且与水接触，可发生剧烈反应，引起着火或爆炸[4]。鉴于上述烷基铝的高火灾危险性，必须针对其设置安全联锁保护方案。

（2）安全联锁方案

目前，国内各类化工装置中对于烷基铝系统紧急状态联锁保护方案中，主要采取两种措施：一是控制室或者现场手动紧急停车；二是当发生火灾时缠绕在管线上的易熔断聚乙烯仪表气源管线被烧断，使该工艺管线上的紧急切断阀失气保持在安全位置[5]。

基于上述措施，本装置烷基铝系统联锁保护方案的触发联锁条件为 ：现场急停开关（设置在距离催化剂单元约15 m 处）或CCR 辅操盘急停开关或仪表风管线压力低低（聚乙烯气源管线被烧断）或烷基铝收集罐液位高高（装置处于事故状态）。联锁动作为：关闭烷基铝储罐入口及出口阀，打开烷基铝收集罐入口阀，关闭烷基铝配制罐入口阀（联锁动作工艺管线上的紧急切断阀）。同时为烷基铝储罐出口阀单独设置现场手动开关。

（3）安全联锁方案探讨

装置正常运行时，进行催化剂配比的过程中需要对烷基铝配制罐入口阀进行手动操作。即该台阀门在装置正常运行时由DCS 系统控制，而在紧急事故状态下由SIS 系统控制。为了进一步提高工艺操作的安全性，对该切断阀的控制方案进行了改进。给出两个改进方案，一是增加一台阀门，将DCS 控制与SIS 联锁操作完全独立；二是对现有开关阀增加一台电磁阀，使DCS 控制与SIS 联锁相对独立。在节约成本以及兼顾安全性的前提下，最终选择方案二。在方案二现场安装程中，应注意将SIS 电磁阀靠近阀门执行机构安装，保证SIS 联锁动作时，阀门能够快速响应。

4 结束语

本文对某油品生产装置中的主要控制以及联锁方案进行了改进及探讨。顺序控制方案的合理性是保证工艺流程的重要环节，在设计过程中通过与工艺以及操作人员不断沟通讨论，结合装置自身的工艺特点，才能制定出合理的顺序控制方案。分程控制在化工装置中十分常见且普遍应用，但在分程控制方案确定过程中，需分析清楚控制系统及现场仪表设备之间的工作配合原理，注意现场仪表设备（阀门）的选型，确保实现工艺要求。为提高烷基铝系统的安全性，结合实际工况，对其安全联锁方案做出了细节性调整。设计合理安全的控制以及联锁方案是保证装置安全平稳运行的基础，本文结合相关工程实践，为今后扩大装置规模积累宝贵经验。