北京康吉森自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限公司 李國(guó)權(quán)

1 項(xiàng)目概況

大連大化合成氨裝置是早期引進(jìn)林德的化工項(xiàng)目，是大連市政府為了建設(shè)旅游城市而進(jìn)行的重點(diǎn)搬遷改造擴(kuò)建項(xiàng)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(yùn)行多年，設(shè)備陳舊，壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)落后等問(wèn)題，在本次搬遷重建過(guò)程中，決定將原有裝置氮?dú)鈮嚎s機(jī)、空氣壓縮機(jī)、合成氣壓縮機(jī)三臺(tái)壓縮機(jī)組的機(jī)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(jī)組控制的需要。同時(shí)，擴(kuò)大生產(chǎn)能力，新上一臺(tái)空氣壓縮機(jī)及一臺(tái)氨冰機(jī)，但由于是搬遷項(xiàng)目，工廠停產(chǎn)多年，經(jīng)費(fèi)緊張，原控制方案只好將五臺(tái)壓縮機(jī)組由一套ITCC控制系統(tǒng)完成。

2 控制方案風(fēng)險(xiǎn)分析

大化集團(tuán)合成氨廠為下游裝置提供空氣、氮?dú)饧鞍睔?，?dòng)力裝置有三臺(tái)機(jī)組：空壓機(jī)、氮壓機(jī)及新空壓機(jī)，在整個(gè)工藝流程的始端，合成氨裝置有兩臺(tái)：合成氣壓縮機(jī)及氨冰機(jī)，在整個(gè)工藝的末端。由一套ITCC控制系統(tǒng)控制以上五臺(tái)機(jī)組，風(fēng)險(xiǎn)如下。

2.1 裝置檢修無(wú)法保證ITCC系統(tǒng)正常檢修

空分裝置為全廠設(shè)備供應(yīng)空氣及氮?dú)獾?，有一部分空氣作為儀表風(fēng)供為全廠的調(diào)解閥等設(shè)備作為動(dòng)力，裝置檢修時(shí)，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(shí)，空分裝置要先開正常，為全廠供風(fēng)，況且在裝置檢修期間，有些設(shè)備檢修也需要空氣作動(dòng)力，檢修期間進(jìn)入密閉裝置更是需要通風(fēng)，這樣一來(lái)，空分裝置的空壓機(jī)、氮壓機(jī)等機(jī)組只可以進(jìn)行輪流檢修，而ITCC控制系統(tǒng)卻無(wú)法斷電，進(jìn)行正常檢修，這樣勢(shì)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(shí)，甚至可能會(huì)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(dòng)

開車期間，空分裝置三臺(tái)機(jī)組已運(yùn)行正常，而合成氣壓縮機(jī)及氨冰機(jī)還處于調(diào)試階段，如果處理不當(dāng)，容易誤動(dòng)空分裝置三臺(tái)機(jī)組相關(guān)儀表，勢(shì)必會(huì)影響空分三臺(tái)機(jī)組的正常運(yùn)行，造成全廠的生產(chǎn)波動(dòng)，甚至影響全廠的正常開車，一套控制系統(tǒng)要運(yùn)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(dòng)的隱患和風(fēng)險(xiǎn)是一直存在的。

2.3 系統(tǒng)掃描時(shí)間長(zhǎng)，影響控制效果

控制系統(tǒng)的掃描時(shí)間由硬件I/O點(diǎn)掃描和程序處理等部分組成，五臺(tái)機(jī)組由一套控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，卡件數(shù)量多，I/O點(diǎn)多，硬件掃描時(shí)間將加大，同樣道理，軟件邏輯大小也會(huì)相應(yīng)加大，這會(huì)使系統(tǒng)整個(gè)掃描周期加長(zhǎng)。改成兩套控制系統(tǒng)，每套系統(tǒng)的I/O點(diǎn)相應(yīng)減少，硬件掃描時(shí)間減少，軟件邏輯處理花費(fèi)的時(shí)間都會(huì)減少，這樣會(huì)縮短系統(tǒng)掃描時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，進(jìn)而提高控制質(zhì)量；系統(tǒng)的負(fù)荷低，延長(zhǎng)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(shí)際出發(fā)的原則，為了確保大化合成氨裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，決定將由兩套ITCC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)五臺(tái)機(jī)組的控制，按工藝裝置分類，一套ITCC系統(tǒng)控制空壓機(jī)、氮壓機(jī)及新空壓機(jī)；另一套ITCC系統(tǒng)控制合成氣壓縮機(jī)及氨冰機(jī)；兩套ITCC系統(tǒng)組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，一臺(tái)操作站可同時(shí)操作五臺(tái)壓縮機(jī)組，極大方便了用戶的操作及維護(hù)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

空壓機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)、氮壓機(jī)及新空壓機(jī)的控制，合成氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氨冰機(jī)及合成氣壓縮機(jī)的控制。

圖1 空壓機(jī)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(guò)交換機(jī)組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，工程師站可以分別訪問(wèn)兩個(gè)控制系統(tǒng)。而且每個(gè)操作站都配有雙網(wǎng)卡，與TCM卡實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)。五臺(tái)機(jī)組的操作畫面均在一個(gè)HMI畫面內(nèi)，這樣就實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)操作站可同時(shí)操作五臺(tái)機(jī)組。

4 液壓系統(tǒng)改造

4.1 先進(jìn)的測(cè)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速是汽輪機(jī)極為重要的狀態(tài)參數(shù)，速度測(cè)量的精度直接影響調(diào)速系統(tǒng)的控制情況，它是汽輪機(jī)控制的重要因素，只有轉(zhuǎn)速的高精度檢測(cè)，才能確保汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度，確保汽輪機(jī)組安全運(yùn)行，測(cè)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(cè)速系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

磁阻發(fā)訊器是用來(lái)將被測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率信號(hào)的測(cè)量元件，由測(cè)速齒盤和測(cè)速傳感器構(gòu)成，測(cè)速齒盤裝在汽輪機(jī)軸上。

4.2 速度信號(hào)產(chǎn)生原理

測(cè)速傳感器（探頭）采用磁阻無(wú)源探頭，以AI-tek為例，工作原理如下：

無(wú)源磁阻測(cè)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(guò)磁極、線圈到傳感器的末端；然后返回到磁鐵的另一端。當(dāng)含鐵物體靠近磁極時(shí)，磁場(chǎng)將加強(qiáng)；遠(yuǎn)離磁極時(shí)，磁場(chǎng)將減弱。磁場(chǎng)強(qiáng)弱的突然變化，勢(shì)必在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)。如果采用與傳感器相匹配的物體作為測(cè)量目標(biāo)，將會(huì)產(chǎn)生正弦波信號(hào)。測(cè)速傳感器將固定在轉(zhuǎn)速軸的齒輪作為測(cè)速目標(biāo)，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(dāng)測(cè)速盤隨主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，各齒輪經(jīng)過(guò)傳感器，磁場(chǎng)的變化使傳感器內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)正弦電壓信號(hào)。輸出電壓的大小取決于齒輪以多快的速度經(jīng)過(guò)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(gè)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(cè)速方式，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)操作柱配有轉(zhuǎn)速表，方便實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)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(jī)保安系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的集合。它將原來(lái)該系統(tǒng)中單個(gè)部套組合在一起。以克服管路繁多、安裝復(fù)雜的缺陷，在運(yùn)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(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

速關(guān)控制裝置能實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)正常啟動(dòng)與停機(jī)、電動(dòng)與手動(dòng)緊急停機(jī)、速關(guān)閥在線試驗(yàn)和危急遮斷器自動(dòng)掛鉤等。為了增加安全性，速關(guān)控制裝置還設(shè)置了電動(dòng)緊急停機(jī)的冗余系統(tǒng)。

以上功能分別由基本模塊、冗余模塊、啟動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

高壓油從“P”進(jìn)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(dòng)停機(jī)閥（2274）進(jìn)入停機(jī)卸荷閥（2030、2031），克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。正常運(yùn)行時(shí)，通向停機(jī)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(dòng)閥（1830）轉(zhuǎn)變?yōu)樗訇P(guān)油，進(jìn)入速關(guān)閥。

第四路進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(dá)到不允許值時(shí)，此時(shí)危急保安裝置（2210）進(jìn)油口被封閉，這時(shí)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(shí)，速關(guān)控制裝置中調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動(dòng)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(dòng)緊急停機(jī)

操縱手動(dòng)停機(jī)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(shí)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(shí)，調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動(dòng)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(dòng)緊急停機(jī)

電磁閥（2225）接受信號(hào)電源（手動(dòng)或遠(yuǎn)程自動(dòng)），根據(jù)用戶需要，可以設(shè)計(jì)為常開（NO）狀態(tài)或常閉（NC）狀態(tài)。

在常開（NO）狀態(tài)時(shí)，電磁閥不帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機(jī)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(dāng)接通電源信號(hào)后，電磁閥動(dòng)作并切斷通向停機(jī)卸荷閥（2030）的控制油源，這時(shí)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(shí)，調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動(dòng)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(shí)，電磁閥帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機(jī)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(dāng)切斷電源信號(hào)后，電磁閥動(dòng)作并切斷通向停機(jī)卸荷閥（2030）的控制油源。這時(shí)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(shí)，調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動(dòng)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(yàn)

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

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

4.3.5 冗余模塊

（1）組成：

電磁閥（2226）；

停機(jī)卸荷閥（2040）。

（2）功能：

電動(dòng)緊急停機(jī)。

（3）作用原理：

進(jìn)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(jìn)入停機(jī)卸荷閥（2040），克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。在正常運(yùn)行時(shí)，通向停機(jī)卸荷閥的速關(guān)油不泄油。速關(guān)油是由啟動(dòng)模塊引入的。

電動(dòng)緊急停機(jī)時(shí)，電磁閥（2226）接受信號(hào)電源（手動(dòng)或遠(yuǎn)程自動(dòng)）。根據(jù)用戶需要可以設(shè)計(jì)為常開（NO）狀態(tài)或常閉（NC）狀態(tài)。

在常開（NO）狀態(tài)時(shí)，電磁閥不帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機(jī)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(dāng)接通電源信號(hào)后，電磁閥動(dòng)作切斷通向停機(jī)卸荷閥（2040）的控制油源，這時(shí)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(shí)基本模塊中調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動(dòng)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(shí)，電磁閥帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機(jī)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(dāng)切斷電源信號(hào)后，電磁閥動(dòng)作切斷通向停機(jī)卸荷閥（2040）的控制油源，這時(shí)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(shí)，基本模塊中調(diào)節(jié)油切換閥（2050）動(dòng)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(hào)，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(cuò)油門，控制伺服機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制主汽門開度。

液壓改造后，機(jī)組操作靈活，基本實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)速自動(dòng)啟機(jī)，使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速得到了精確控制，達(dá)到了萬(wàn)分之五的控制精度。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于任何項(xiàng)目，需首先對(duì)整個(gè)項(xiàng)目控制方案進(jìn)行分析，評(píng)估項(xiàng)目執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)，制定相應(yīng)的方案或補(bǔ)救措施，尤其對(duì)于液壓改造的項(xiàng)目更應(yīng)做好評(píng)估工作，前期應(yīng)配合液壓供應(yīng)商做好前期測(cè)繪工作。在整個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行階段，做好供應(yīng)商的供貨質(zhì)量管理、施工方案審核以及施工過(guò)程質(zhì)量管理等工作，確保項(xiàng)目按計(jì)劃實(shí)施，認(rèn)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(xí)慣融合到TRICON控制系統(tǒng)中，同時(shí)做好用戶儀表工程師及操作人員的技術(shù)培訓(xùn)工作。在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，充分調(diào)動(dòng)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(guò)程中，使他們?cè)陧?xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，逐漸了解TRICON控制系統(tǒng)，為今后的系統(tǒng)維護(hù)奠定基礎(chǔ)，使項(xiàng)目順利實(shí)施有了可靠保障。