北京康吉森自動化設備技術(shù)有限公司 李國權(quán)

1 項目概況

大連大化合成氨裝置是早期引進林德的化工項目，是大連市政府為了建設旅游城市而進行的重點搬遷改造擴建項目，由大連的甘井子區(qū)搬到瓦房店松木島化工區(qū)，由于運行多年，設備陳舊，壓縮機調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)落后等問題，在本次搬遷重建過程中，決定將原有裝置氮氣壓縮機、空氣壓縮機、合成氣壓縮機三臺壓縮機組的機調(diào)速系統(tǒng)，改造為液調(diào)速系統(tǒng)，以提高控制及可靠性，滿足機組控制的需要。同時，擴大生產(chǎn)能力，新上一臺空氣壓縮機及一臺氨冰機，但由于是搬遷項目，工廠停產(chǎn)多年，經(jīng)費緊張，原控制方案只好將五臺壓縮機組由一套ITCC控制系統(tǒng)完成。

2 控制方案風險分析

大化集團合成氨廠為下游裝置提供空氣、氮氣及氨氣，動力裝置有三臺機組：空壓機、氮壓機及新空壓機，在整個工藝流程的始端，合成氨裝置有兩臺：合成氣壓縮機及氨冰機，在整個工藝的末端。由一套ITCC控制系統(tǒng)控制以上五臺機組，風險如下。

2.1 裝置檢修無法保證ITCC系統(tǒng)正常檢修

空分裝置為全廠設備供應空氣及氮氣等，有一部分空氣作為儀表風供為全廠的調(diào)解閥等設備作為動力，裝置檢修時，只有全廠裝置都停車檢修后，空分裝置才能停車檢修，同樣道理，裝置開車時，空分裝置要先開正常，為全廠供風，況且在裝置檢修期間，有些設備檢修也需要空氣作動力，檢修期間進入密閉裝置更是需要通風，這樣一來，空分裝置的空壓機、氮壓機等機組只可以進行輪流檢修，而ITCC控制系統(tǒng)卻無法斷電，進行正常檢修，這樣勢必影響ITCC控制系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，給控制系統(tǒng)埋藏隱患，若處理不及時，甚至可能會造成全廠的大面積停車。

2.2 開車期間容易造成全廠裝置生產(chǎn)波動

開車期間，空分裝置三臺機組已運行正常，而合成氣壓縮機及氨冰機還處于調(diào)試階段，如果處理不當，容易誤動空分裝置三臺機組相關(guān)儀表，勢必會影響空分三臺機組的正常運行，造成全廠的生產(chǎn)波動，甚至影響全廠的正常開車，一套控制系統(tǒng)要運行十年以上，而這種開車期間系統(tǒng)聯(lián)調(diào)造成空分裝置波動的隱患和風險是一直存在的。

2.3 系統(tǒng)掃描時間長，影響控制效果

控制系統(tǒng)的掃描時間由硬件I/O點掃描和程序處理等部分組成，五臺機組由一套控制系統(tǒng)實現(xiàn)，卡件數(shù)量多，I/O點多，硬件掃描時間將加大，同樣道理，軟件邏輯大小也會相應加大，這會使系統(tǒng)整個掃描周期加長。改成兩套控制系統(tǒng)，每套系統(tǒng)的I/O點相應減少，硬件掃描時間減少，軟件邏輯處理花費的時間都會減少，這樣會縮短系統(tǒng)掃描時間，提高系統(tǒng)響應速度，進而提高控制質(zhì)量；系統(tǒng)的負荷低，延長使用壽命，確保系統(tǒng)的可靠性。

本著從控制系統(tǒng)可靠性出發(fā)，從用戶的生產(chǎn)實際出發(fā)的原則，為了確保大化合成氨裝置的長周期安全運行，決定將由兩套ITCC控制系統(tǒng)實現(xiàn)五臺機組的控制，按工藝裝置分類，一套ITCC系統(tǒng)控制空壓機、氮壓機及新空壓機；另一套ITCC系統(tǒng)控制合成氣壓縮機及氨冰機；兩套ITCC系統(tǒng)組成一個控制網(wǎng)絡，一臺操作站可同時操作五臺壓縮機組，極大方便了用戶的操作及維護。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

空壓機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)空壓機、氮壓機及新空壓機的控制，合成氣壓縮機控制系統(tǒng)實現(xiàn)氨冰機及合成氣壓縮機的控制。

圖1 空壓機控制系統(tǒng)圖

圖2 ITCC HMI 示意圖

每套系統(tǒng)都配冗余TCM卡，兩套控制系統(tǒng)通過交換機組成一個控制網(wǎng)絡，工程師站可以分別訪問兩個控制系統(tǒng)。而且每個操作站都配有雙網(wǎng)卡，與TCM卡實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡。五臺機組的操作畫面均在一個HMI畫面內(nèi)，這樣就實現(xiàn)了一臺操作站可同時操作五臺機組。

4 液壓系統(tǒng)改造

4.1 先進的測速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速是汽輪機極為重要的狀態(tài)參數(shù)，速度測量的精度直接影響調(diào)速系統(tǒng)的控制情況，它是汽輪機控制的重要因素，只有轉(zhuǎn)速的高精度檢測，才能確保汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的精度，確保汽輪機組安全運行，測速系統(tǒng)由磁阻發(fā)訊器與TRICON ITCC控制系統(tǒng)（包括脈沖卡）構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 測速系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

磁阻發(fā)訊器是用來將被測轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為相應頻率信號的測量元件，由測速齒盤和測速傳感器構(gòu)成，測速齒盤裝在汽輪機軸上。

4.2 速度信號產(chǎn)生原理

測速傳感器（探頭）采用磁阻無源探頭，以AI-tek為例，工作原理如下：

無源磁阻測速傳感器由磁鐵、磁極及線圈三部分組成，磁力線順著磁極方向，從磁極穿過磁極、線圈到傳感器的末端；然后返回到磁鐵的另一端。當含鐵物體靠近磁極時，磁場將加強；遠離磁極時，磁場將減弱。磁場強弱的突然變化，勢必在線圈中產(chǎn)生感應電壓信號。如果采用與傳感器相匹配的物體作為測量目標，將會產(chǎn)生正弦波信號。測速傳感器將固定在轉(zhuǎn)速軸的齒輪作為測速目標，傳感器被安裝在離旋轉(zhuǎn)軸齒輪很近的地方，大約1mm間隙。當測速盤隨主軸旋轉(zhuǎn)時，各齒輪經(jīng)過傳感器，磁場的變化使傳感器內(nèi)部產(chǎn)生感應正弦電壓信號。輸出電壓的大小取決于齒輪以多快的速度經(jīng)過傳感器、傳感器和齒之間的間隙以及傳感器的結(jié)構(gòu)。典型的齒輪有30～120個齒，均勻地分布在其周邊。輸出頻率和軸的轉(zhuǎn)速及齒的數(shù)目成正比。

采用此種測速方式，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確測量，現(xiàn)場操作柱配有轉(zhuǎn)速表，方便實現(xiàn)現(xiàn)場對機組轉(zhuǎn)速的控制。

4.3 速關(guān)組件

速關(guān)控制裝置是汽輪機保安系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的集合。它將原來該系統(tǒng)中單個部套組合在一起。以克服管路繁多、安裝復雜的缺陷，在運行中也避免了監(jiān)控困難和產(chǎn)生漏油著火的事故，增加了汽輪機運行的可靠性和安全性。

速關(guān)控制裝置能實現(xiàn)汽輪機正常啟動與停機、電動與手動緊急停機、速關(guān)閥在線試驗和危急遮斷器自動掛鉤等。為了增加安全性，速關(guān)控制裝置還設置了電動緊急停機的冗余系統(tǒng)。

以上功能分別由基本模塊、冗余模塊、啟動模塊來實現(xiàn)。

高壓油從“P”進入基本模塊，在基本模塊殼體內(nèi)分為五路。

圖4 油路原理圖

第一路經(jīng)手動停機閥（2274）進入停機卸荷閥（2030、2031），克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。正常運行時，通向停機卸荷閥的速關(guān)油不泄油。

第二路油經(jīng)調(diào)節(jié)油切換閥（2050）變?yōu)檎{(diào)節(jié)控制油成為電液轉(zhuǎn)換器供油。

第三路通向手動閥（1830）轉(zhuǎn)變?yōu)樗訇P(guān)油，進入速關(guān)閥。

第四路進入冗余模塊，成為該模塊的電磁閥2227的高壓油源。

第五路也進入冗余模塊，成為該模塊的電磁閥2225和切換閥2061的高壓油源。

4.3.1 危急遮斷跳閘

扳動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中危急保安裝置（2210）的手柄或者危急遮斷器跳閘，以及軸向位移達到不允許值時，此時危急保安裝置（2210）進油口被封閉，這時速關(guān)油和回油口“T”接通，速關(guān)油排放到油箱，速關(guān)閥快速關(guān)閉。同時，速關(guān)控制裝置中調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動作切斷了調(diào)節(jié)油源，調(diào)節(jié)油排放到油箱，使調(diào)節(jié)汽閥迅速關(guān)閉。

4.3.2 手動緊急停機

操縱手動停機閥（2274），使控制油與回油接通，卸荷閥（2030）由于控制油壓力下降迅速開啟，這時速關(guān)油與回油接通，速關(guān)油壓力下降使速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時，調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動作切斷調(diào)節(jié)油源，調(diào)節(jié)油排放到油箱，使調(diào)節(jié)汽閥訊速關(guān)閉。

4.3.3 電動緊急停機

電磁閥（2225）接受信號電源（手動或遠程自動），根據(jù)用戶需要，可以設計為常開（NO）狀態(tài)或常閉（NC）狀態(tài)。

在常開（NO）狀態(tài)時，電磁閥不帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2030）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當接通電源信號后，電磁閥動作并切斷通向停機卸荷閥（2030）的控制油源，這時控制油與回油接通，卸荷閥開啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時，調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動作切斷調(diào)節(jié)油源，調(diào)節(jié)油排放到油箱，使調(diào)節(jié)汽閥迅速關(guān)閉。

在常閉（NC）狀態(tài)時，電磁閥帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2030）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當切斷電源信號后，電磁閥動作并切斷通向停機卸荷閥（2030）的控制油源。這時控制油與回油接通。卸荷閥開啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時，調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動作切斷調(diào)節(jié)油源，調(diào)節(jié)油排放到油箱，使調(diào)節(jié)汽閥迅速關(guān)閉。

4.3.4 速關(guān)閥在線試驗

速關(guān)閥在線試驗閥（1845）是三位閥，平常不工作時閥滑處于中間位置。當旋轉(zhuǎn)速關(guān)閥在線試驗閥（1845）手輪時，試驗油經(jīng)“H1或H2”接口流向速關(guān)閥“H”接口，油壓使試驗活塞產(chǎn)生一個壓力，試驗活塞將推動閥桿活塞——彈簧模塊沿關(guān)閉方向移動一個試驗行程，然后反方向旋轉(zhuǎn)試驗閥（1845）手輪，閥滑恢復到中間位置，試驗活塞的油與回油接通，這時速關(guān)閥恢復到正常工作位置。

速關(guān)閥在線試驗時，逆時針旋轉(zhuǎn)試驗閥手輪使“H1”接口通油檢查一個速關(guān)閥，順時針旋轉(zhuǎn)試驗閥手輪使“H2”通油檢查另一個速關(guān)閥。用戶只有一個速關(guān)閥時，可選用其中一個接口。

4.3.5 冗余模塊

（1）組成：

電磁閥（2226）；

停機卸荷閥（2040）。

（2）功能：

電動緊急停機。

（3）作用原理：

進入冗余模塊的高壓油是從基本模塊內(nèi)部供給的。高壓油經(jīng)電磁閥（2226）進入停機卸荷閥（2040），克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。在正常運行時，通向停機卸荷閥的速關(guān)油不泄油。速關(guān)油是由啟動模塊引入的。

電動緊急停機時，電磁閥（2226）接受信號電源（手動或遠程自動）。根據(jù)用戶需要可以設計為常開（NO）狀態(tài)或常閉（NC）狀態(tài)。

在常開（NO）狀態(tài)時，電磁閥不帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2040）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當接通電源信號后，電磁閥動作切斷通向停機卸荷閥（2040）的控制油源，這時控制油與回油接通，卸荷閥開啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時基本模塊中調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動作切斷調(diào)節(jié)油源，調(diào)節(jié)油排放到油箱，使調(diào)節(jié)汽閥迅速關(guān)閉。

在常閉（NC）狀態(tài)時，電磁閥帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2040）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當切斷電源信號后，電磁閥動作切斷通向停機卸荷閥（2040）的控制油源，這時控制油與回油接通，卸荷閥開啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時，基本模塊中調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動作切斷調(diào)節(jié)油源，調(diào)節(jié)油排放到油箱，使調(diào)節(jié)汽閥迅速關(guān)閉。

電液轉(zhuǎn)換器接收控制系統(tǒng)4～20mA信號，將調(diào)節(jié)切換閥（2050）的調(diào)節(jié)油轉(zhuǎn)換成 0.15～0.45MPa的二次油壓，輸出到錯油門，控制伺服機構(gòu)，進而控制主汽門開度。

液壓改造后，機組操作靈活，基本實現(xiàn)了零轉(zhuǎn)速自動啟機，使壓縮機轉(zhuǎn)速得到了精確控制，達到了萬分之五的控制精度。

5 結(jié)語

對于任何項目，需首先對整個項目控制方案進行分析，評估項目執(zhí)行風險，制定相應的方案或補救措施，尤其對于液壓改造的項目更應做好評估工作，前期應配合液壓供應商做好前期測繪工作。在整個項目執(zhí)行階段，做好供應商的供貨質(zhì)量管理、施工方案審核以及施工過程質(zhì)量管理等工作，確保項目按計劃實施，認真熟悉原控制系統(tǒng)的控制方案，將原系統(tǒng)的精華及用戶的操作習慣融合到TRICON控制系統(tǒng)中，同時做好用戶儀表工程師及操作人員的技術(shù)培訓工作。在項目執(zhí)行過程中，充分調(diào)動用戶技術(shù)人員的積極性，積極參與到控制方案制定及組態(tài)過程中，使他們在項目實施過程中，逐漸了解TRICON控制系統(tǒng)，為今后的系統(tǒng)維護奠定基礎，使項目順利實施有了可靠保障。