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挤压造粒机组切粒水系统仪表回路的改进

来源:中国石化齐鲁石化公司运维中心作者:安 戈发表时间:2019-08-29
摘 要 针对挤压造粒机组发生的“灌肠”事故,对其原因进行了分析,重点对仪表因素进行逐条分析,还分析了发生事故的间接原因,给出了进一步的改进措施。
 
中国石化齐鲁石化公司塑料厂聚丙烯装置建于1987年,1990年7月建成投产。工艺包引进的是HIMONT公司的液相丙烯环管聚合法,设计生产能力为年产7万吨。装置主要由催化剂单元、聚合单元、闪蒸回收单元、共聚单元、汽蒸干燥单元、排放单元、原料精制单元、造粒单元和粒料均化单元组成。
 
1工艺流程与事故介绍
挤压造粒机组是日本制钢公司的CMP280X型造粒机[1]。挤压造粒机主要由主电机、筒体、开车阀、齿轮泵及切粒机等组成,外围设备有切粒水箱、切粒水泵及干燥器等,挤压造粒机组如图1所示。控制系统为OMRON公司的PLC,2014年更新为西门子公司的S7-400H系统。
 
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聚丙烯粉料由机组的筒体段进入挤压造粒机,在由主电机驱动的螺杆带动下,通过开车阀进入齿轮泵。粉料在经过250℃筒体的过程中,因受热物料形态由固态粉料变成熔融状。在齿轮泵的作用下物料压力提升到10MPa以上,熔融状物料通过模板孔进入切粒水室,在旋转切刀的作用下被切成颗粒。
造粒机组切粒出来的颗粒目前都是使用循环水把颗粒带出切粒水室,再进行水和颗粒分离。切粒水由循环水泵P801从水箱D807抽出送入切粒水室带走物料颗粒,在D808中完成水和颗粒分离后回到水箱,循环使用。切粒水管路在进入切粒水室之前设置了三通阀HV829,切粒水可以通过HV829的旁路侧直接返回水箱。设置三通阀的目的是在挤压造粒机开车前把循环水系统运行起来,通过三通阀旁路侧使循环水建立小循环,开车时切换三通阀把切粒水通入切粒水室。停车时切换三通阀使切粒水保持小循环,不需要停循环水泵。
切粒水的作用一是作为输送载体带走颗粒物料,二是作为冷却介质给颗粒降温。正常生产时,切粒水的流量必须能够带走生产出来的颗粒,并能吸收颗粒释放出的热量,否则会造成切粒室内颗粒的重新聚集、凝固,严重时发生物料堵塞管道的事故,工艺俗称“灌肠”。切粒水的温度由TIC825温度调节回路控制,一般控制在70℃。为了避免发生事故,设置了FIA822做切粒水流量监控,并在挤压造粒机的停车联锁里设置了水流量低的联锁条件,当水流量低报警时触发挤压造粒机组联锁停车,保证生产安全。
2018年聚丙烯造粒机组先后发生两次“灌肠”事故。第1次发生事故时,物料在切粒水室至D808之间的管线中结块,D808无法进行物料分离,致使D808的挡板被冲开,水由D808冲出无法返回D807,使水箱抽干水流量低联锁停车。第2次事故时操作工发现切粒机参数异常手动停车。停车后检查发现,物料堵塞了从切粒水室至D808的整条管线。
 
2事故原因分析与处理
引起“灌肠”事故可能的原因有:严重垫刀;断刀;退刀;切粒机故障,电机转速过低或停转;切粒水流量不足;切粒水温过热。
事故发生后调取事故发生前的报警记录和工艺历史数据,没有发现能引起事故的不正常工艺参数或报警信息。对事故现场检查没有发现垫刀、断刀、退刀的特征。第2次发生的“灌肠”事故极其严重,从切粒水室至D808近50m管线全部堵塞。
仪表专业人员认真分析了发生“灌肠”的原因。排除机械设备故障的原因外,引起“灌肠”的原因是切粒水流量不足或水温畸高。现场确认切粒水水温正常,排除水温高造成颗粒物料再次聚集结块的可能。从历史记录看切粒水流量在两次事故中显示都正常。分析在“正常数据”的情况下实际流量不足的原因,一是流量变送器误指示,测量值偏高,实际流量低;另一种可能是三通阀HV829内漏。三通控制阀有3个出入口与管道相连,按作用方式可分为合流和分流两种。分流是把一种流体通过阀后分成两路,当阀在关闭一个出口的同时就打开另一个出口,这种阀有一个入口和两个出口[2]。这台三通阀是由一个执行机构和两个阀体组合而成的开关阀。执行机构是气动薄膜执行机构,阀体是两台各自独立的蝶阀,旁路方向的阀体通过连杆和执行机构相连。气动薄膜执行机构结构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉,是一种应用最广的执行机构[3]。蝶阀阻力损失小、结构紧凑、寿命长,特别适用于低压差、大口径、大流量气体和带有悬浮物流体的场合[4]。正常生产时,阀门正路(切粒水室)侧阀全开,旁路(返回水箱)侧阀全关;停车时正路侧阀全关,旁路侧阀全开。
针对流量显示回路的第1种可能性,首先检查流量变送器。该流量计是孔板-差压变送器组成的测量系统。差压流量计发展较早,经过长期的实践,积累了可靠的实验数据和运行经验,成为工业上应用最广泛的管道流量计[5]。根据差压变送器的工作原理分析,施加到差压变送器上的压差增大会引起变送器输出值增加。变送器测量值偏高的原因有变送器故障和引压管路不畅两种情况。孔板低压侧取压法兰孔、引压管的不畅都会使施加到变送器的压差增大,变送器输出增大。在使用中,要保持节流装置的清洁。如在节流装置处有沉淀、结焦及堵塞等现象,也会引起较大的误差[6]。通过引压管排污阀排水检查,确认孔板的取压法兰孔、引压管不存在堵塞不畅的情况。在变送器表头的放空丝堵处检查,排除了三阀组不畅引起差压增大的可能。变送器采用打压试验验证,变送器工作性能正常。通过检查排除了测量回路和流量计故障引起测量值偏大的情况。
针对第2种可能性,打开HV829阀门的管道安装法兰做阀芯位置检查。打开连接法兰后看到在处于生产状态时,旁路侧阀板有约15°的开度。做阀门动作试验,都表现为正常生产时,旁路阀门有15°的开度;阀门切旁路时,旁路阀全开。这样就造成了正常生产时部分水通过旁路流回了切粒水箱,使进入切粒水室的实际流量偏低。当工艺提高造粒机负荷时,使切粒水室处的切粒水压力增高,HV829旁路侧阀门开度增大流量增加,切粒水室水压降低。当切粒水压力不足以把切粒水扬升到D808所处的高度时,引发了“灌肠”事故的发生。继续打开阀门气动执行机构的上膜盖,取出膜片检查,发现膜片发生了脱膜穿孔。由此确定在阀门切到生产侧时,由于膜片漏气,执行机构输出力不足,使生产侧阀门不能全开,旁路侧阀门不能全关,部分水由旁路侧直接返回了切粒水箱,进入切粒水室的水流量不足是引起“灌肠”事故的直接原因。更换了新膜片,确认阀门动作可靠后安装复位。
 
3 事故发生的间接原因
分析发生事故的其他原因: 
a. 进入切粒水室的真实水流量没有得到监控。切粒水流量变送器 FIA822 安装在 HV829 前的主管路上。如果旁路阀内漏会有部分水从旁路
阀回到切粒水箱,进入切粒水室的实际流量不足,但是 FIA822 体现不出来,进入切粒水室的真实流量得不到监控;
b. 切粒水压力没有得到监控; c. D807 水箱液位由浮筒式液位开关控制补水阀保持水箱有足够的储水量。由于机械开关存在拒动和开关自身的状态不受控等情况,报警开关控制水箱水位存在不能及时补水的风险。 4 改进方案针对以上分析,做了相应的改进,改进后的挤压造粒机组如图 2 所示。
 
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具体改造方案为:
a.在HV829阀门后面进入切粒水室的管道上安装一台外贴式超声波流量计,用来监控进入切粒水室的真实水流量。在HV829阀门后面进入切粒水室的管道上增加一台流量计的原因,是还需要在水系统小循环的时候观察和调整切粒水流量,保证切粒水流量满足要求。外贴式超声波流量计是生产最早,用户最熟悉,且应用最广泛的超声波流量计。安装换能器无需管段断流,即贴即用。它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点[7]。超声波流量计适用于纯净的或含少量杂质的液体,能对高粘度、强腐蚀、非导电的液体进行测量,但不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体[8]。传播时间法超声波流量计,如果流体中的颗粒或气泡较多,会使接收器接收不到信号,造成无法测量。因此这台流量计只能安装在切粒水进入切粒水室前的管段上。新安装的流量计直观地检测了进入切粒水室的水流量。通过两台流量计测量值的比较还可以判断出HV829是否存在内漏现象,为预知性维修提供依据。
b.切粒水系统在切粒水室前的管道上设置了压力开关PSH827,当压力高报警时触发联锁自动停车。开关的缺点是不能体现被测量的实时变化。根据安全仪表系统宜采用模拟量测量仪表的原则[9],把压力开关更换为压力变送器PT827,利用压力变送器的测量值做出压力的高报警点来实现联锁功能。在流程图画面上做显示点,可以实时看到压力情况,并形成历史记录以查看压力变化情况。
c.把控制补水的液位开关更换为液位变送器。利用顶装式浮筒开关的安装法兰,安装一台投入式液位计。投入式液位计是将压力传感器投到容器底部,测容器底部压力,然后通过电缆将信号传到容器上部,经放大转换而得到容器液位的一种仪表[10]。使用液位变送器的测量值做出液位的高、低报警点,来实现液位低报警打开阀门补水,液位高报警补水阀门关闭,保持水箱液位在正常范围内。在流程图画面上做显示点,可以实时看到液位情况。如果液位显示值明显偏离正常情况,操作人员可以现场检查确认,确保水箱水位正常。
 
5 结束语
通过改进,完善了对进入切粒水室的切粒水流量和压力的监控,保证有充足的切粒水进入水室。通过两台流量计显示值的比较可以判断HV829是否存在内漏,为预知性检修提供依据。另外,水箱在水位低的时候能够及时补水,储水量得到有效保障。从仪表控制的角度降低了发生“灌肠”事故的概率。
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