陳松華

(中國五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

空分裝置的控制系統(tǒng)及應(yīng)用

陳松華

(中國五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

呼倫貝爾金新化工有限公司5080工程項(xiàng)目3.6×104m3/h空分裝置采用目前世界上較為先進(jìn)、可靠的自動控制系統(tǒng)。結(jié)合該項(xiàng)目空分裝置的工藝特點(diǎn),介紹了機(jī)組控制、防喘振控制、汽輪機(jī)控制的方法;提出了自動控制系統(tǒng)的總體配置方案;介紹了選用DCS,ITCC,Bently3500,Woodward203等控制系統(tǒng)的硬件配置特點(diǎn)和優(yōu)越性。該套裝置采用的各控制系統(tǒng)具有先進(jìn)性和可靠性,配置值得推廣。

空分裝置;壓縮機(jī);防喘振控制;控制系統(tǒng);振動監(jiān)視

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司5080工程項(xiàng)目生產(chǎn)能力為合成氨500 kt/a,尿素800 kt/a。其配套國產(chǎn)空分裝置的生產(chǎn)能力達(dá)到氧氣3.6×104m3/h,氮?dú)?.74×104m3/h,液氮1 400 m3/h,工廠空氣4 900 m3/h,儀表空氣3 500 m3/h。

該空分裝置由開封空分集團(tuán)有限公司總體成套提供,其配套的空壓機(jī)采用西安陜鼓廠生產(chǎn)的空壓機(jī)、齒輪箱與增壓機(jī)組合在一起的復(fù)合式空壓機(jī)組,由杭州汽輪機(jī)廠提供的汽輪機(jī)拖動;氮壓機(jī)采用沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的氮壓機(jī)、齒輪箱與增壓機(jī)組合在一起的復(fù)合式氮壓機(jī)組,同樣由杭州汽輪機(jī)廠提供的汽輪機(jī)拖動;兩套空氣增壓透平膨脹機(jī)中,一套為國產(chǎn)機(jī)組,一套為進(jìn)口機(jī)組;儀表空氣壓縮機(jī)采用上海復(fù)盛公司生產(chǎn)的機(jī)組。

整套空分裝置采用DCS控制,機(jī)組操作、監(jiān)控和聯(lián)鎖采用 ITCC控制系統(tǒng),機(jī)組機(jī)械保護(hù)采用Bently 3500系統(tǒng),機(jī)組超速保護(hù)采用Wood Ward 203“三取二”超速保護(hù)系統(tǒng),儀表空氣壓縮機(jī)采用PLC控制。

由于空分系統(tǒng)的工藝復(fù)雜、各子系統(tǒng)間聯(lián)系緊密、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)大,因此要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作方便、自動化程度高。該文針對空分裝置的工藝說明及主要機(jī)組控制要求,對上述各自動控制系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及復(fù)雜控制說明等展開介紹。

1 工藝說明

采用填料上塔、液體泵內(nèi)壓縮和前段預(yù)凈化流程組成制氧裝置[1]。即采用常溫分子篩預(yù)凈化,空氣增壓透平膨脹機(jī)提供裝置所需冷量,空氣增壓膨脹,雙塔精餾,液體泵內(nèi)壓縮流程。該制氧裝置的主要系統(tǒng)和流程如圖1所示。其中工廠用儀表空氣從空氣增壓機(jī)二級壓縮抽出后送至儀表空氣網(wǎng)絡(luò)。

1.1 空氣過濾和壓縮

空氣首先進(jìn)入自潔式過濾器,空氣吸入過濾器后除去灰塵和其他顆粒雜質(zhì),然后進(jìn)入主空壓機(jī),經(jīng)過多級壓縮后進(jìn)入空冷塔,壓縮機(jī)級間的熱量被中間冷卻器中的冷卻水帶走[2]。

圖1 制氧裝置工藝流程

1.2 空氣的冷卻和純化

空氣在進(jìn)入分子篩吸附器前在空冷塔中冷卻,以盡可能降低空氣溫度減少空氣中水含量從而降低分子篩吸附器的工作負(fù)荷,并對空氣進(jìn)行洗滌。進(jìn)入空冷塔上部的冷凍水,首先在水冷塔中利用干燥的出分餾塔污氮?dú)膺M(jìn)行冷卻,然后進(jìn)入氨蒸發(fā)器進(jìn)一步冷卻至8℃,再進(jìn)入空冷塔上部。

分子篩純化系統(tǒng)由兩臺分子篩吸附器和兩臺雙管板蒸汽加熱器組成,分子篩吸附器吸附空氣中的水分、二氧化碳和一些碳?xì)浠衔?兩臺分子篩吸附器一臺工作,另一臺再生。再生氣的加熱由蒸汽在蒸汽加熱器中完成。

1.3 空氣的精餾

出吸附器的空氣分為兩部分:一部分直接進(jìn)入主換熱器冷卻后進(jìn)入下塔;另一部分通過空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮,其中抽出一股經(jīng)過膨脹機(jī)增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻[3],再進(jìn)入主換熱器被冷卻,經(jīng)膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入下塔;從空氣增壓機(jī)末級排出的空氣經(jīng)增壓機(jī)冷卻器冷卻后送入冷箱經(jīng)高壓主換熱器冷卻變?yōu)橐后w后節(jié)流進(jìn)入下塔。

下塔中的上升氣體通過與回流液體接觸含氮量增加,所需的回流液氮來自下塔頂部的冷凝蒸發(fā)器,在這里氧得到蒸發(fā),而氮得到冷凝。下塔產(chǎn)生富氧液空、貧液空、純液氮、純氮?dú)獾犬a(chǎn)品;上塔產(chǎn)生氮?dú)?、粗氬、高壓氧氣等產(chǎn)品。

2 空分裝置機(jī)組控制要求

2.1 空氣流量的控制

空分裝置負(fù)荷的大小(產(chǎn)品產(chǎn)量與純度)可通過控制進(jìn)裝置空氣流量以及空氣增壓機(jī)流量來實(shí)現(xiàn),它是通過控制空壓機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉的開度、空氣增壓機(jī)進(jìn)口蝶閥開度(或進(jìn)口導(dǎo)葉的開度)及汽輪機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。該控制不但能用來進(jìn)行裝置負(fù)荷大小的調(diào)節(jié),還可以在裝置正常運(yùn)行中消除各種因素造成的空氣流量的波動。

2.2 壓縮機(jī)組的控制

由空壓機(jī)出口壓力與空分給定恒定壓力進(jìn)行PID調(diào)節(jié),該輸出信號作為轉(zhuǎn)速給定,經(jīng) ITCC調(diào)速器的運(yùn)算調(diào)節(jié)汽輪機(jī)主氣門,實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組性能調(diào)節(jié),確?？辗盅b置空壓機(jī)工況要求。在達(dá)到一定恒轉(zhuǎn)速曲線條件下,增壓氮壓機(jī)以其出口壓力調(diào)節(jié)入口蝶閥。

2.3 機(jī)組的防喘振控制

空壓機(jī)防喘振控制方案。采用整機(jī)防喘放空方式,利用入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度、出口流量五參數(shù)控制空壓機(jī)出口防喘閥。

壓縮機(jī)的防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以保證機(jī)組在空分開車最低負(fù)荷至裝置最高負(fù)荷的范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行[4]。該保護(hù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)壓縮機(jī)的特性曲線,自動實(shí)現(xiàn)當(dāng)其運(yùn)行工況點(diǎn)因某種原因而超過特定的防喘振控制曲線時,使防喘閥快速打開某一開度,進(jìn)而降低排氣壓力、增加出氣流量,使得壓縮機(jī)快速脫離喘振工況。壓縮機(jī)的防喘振保護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)壓縮機(jī)的排氣壓力超過防喘振保護(hù)曲線時,壓縮機(jī)的防喘振閥在2 s內(nèi)快速全開以實(shí)現(xiàn)緊急卸壓。

增壓機(jī)防喘振分低壓缸和高壓缸兩部分,低壓缸以進(jìn)氣流量、壓力、溫度和排氣壓力作為防喘振控制要素,控制單元的輸出作用于低壓缸防喘振閥,防喘振閥的輸出打回流于低壓缸進(jìn)口。高壓缸以進(jìn)氣壓力、溫度和排氣壓力、流量作為防喘振控制要素,控制單元的輸出作用于高壓缸防喘振閥,防喘振閥的輸出打回流于高壓缸進(jìn)口。

2.4 汽輪機(jī)的控制

實(shí)時監(jiān)控機(jī)組的轉(zhuǎn)速和汽機(jī)的熱井液位等,以保證機(jī)組轉(zhuǎn)速和汽輪機(jī)的熱井液位的正常。轉(zhuǎn)速控制通過ITCC內(nèi)的調(diào)速模塊實(shí)現(xiàn),超速保護(hù)采用“三取二”的超速保護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。熱井液位通過控制汽機(jī)熱井的2臺給排水閥和2臺冷凝液泵的開停來實(shí)現(xiàn),汽輪機(jī)密封為自立式調(diào)節(jié)。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié),該回路主要由轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) ITCC、電液轉(zhuǎn)換器I/H、油動機(jī)和調(diào)節(jié)汽閥組成。數(shù)字式調(diào)速器接受來自兩個轉(zhuǎn)速傳感器變送的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號,將接收到的轉(zhuǎn)速信號與轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行比較后輸出4～20 mA的電信號給電液轉(zhuǎn)換器,再經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二次油壓[5],通常在0.15 MPa時對應(yīng) 4 mA的電流,此時主汽閥開度為 0,在0.45 MPa時對應(yīng)20 mA的電流,此時主汽閥開度為100%,二次油通過油動機(jī)操縱調(diào)節(jié)汽閥。

3 空分裝置自動控制系統(tǒng)

3.1 自動控制系統(tǒng)的總體配置描述

自動控制系統(tǒng)能有效地監(jiān)控空分設(shè)備生產(chǎn)過程,確保運(yùn)行可靠、操作維護(hù)方便,采用DCS集中監(jiān)控和機(jī)旁盤監(jiān)測相結(jié)合的原則。

空分裝置的各單元設(shè)備(包括預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、增壓透平膨脹機(jī)、分餾塔系統(tǒng)、液體儲存及汽化系統(tǒng)、氮壓機(jī)系統(tǒng)、低溫液體泵的自動調(diào)節(jié)和故障切換控制等)以及公用工程測量點(diǎn)均采用一套DCS監(jiān)控,并完成上述各系統(tǒng)內(nèi)部或與機(jī)組之間的安全聯(lián)鎖保護(hù)和邏輯控制任務(wù)。根據(jù)功能設(shè)置必要的能夠解除聯(lián)鎖和恢復(fù)聯(lián)鎖的措施,以方便系統(tǒng)在線或停車檢修。

該DCS預(yù)留與全廠管理計(jì)算機(jī)的通信接口,通過RS-485接口與全廠主控室的DCS進(jìn)行通信,以滿足網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和工廠信息化管理需要。DCS與全廠的聯(lián)鎖采用硬接線的方式實(shí)現(xiàn)。

空分裝置的各機(jī)組采用獨(dú)立的控制系統(tǒng),其中主空壓機(jī)、氮壓機(jī)共用一套ITCC控制系統(tǒng),ITCC控制系統(tǒng)采用 Modbus通信方式與空分控制室DCS進(jìn)行通信,以便在DCS中監(jiān)視各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。ITCC系統(tǒng)與DCS之間的重要信號聯(lián)系通過硬接線方式連接。各機(jī)組設(shè)置必要的機(jī)旁盤(機(jī)旁盤隨機(jī)提供),采用機(jī)旁盤和控制室相結(jié)合的原則,但機(jī)旁盤的功能盡量簡化,保證在機(jī)組開車階段,通過機(jī)旁盤實(shí)現(xiàn)必要的操作和監(jiān)控。機(jī)旁盤上的重要信號與DCS/ITCC之間通過硬接線聯(lián)系。

當(dāng)信號需同時進(jìn)入DCS和ITCC,又不宜采用獨(dú)立傳感器時,采用安全柵或信號隔離器將信號一分為二,分別進(jìn)入DCS和ITCC系統(tǒng)。

在控制室機(jī)組控制柜中還放置Bently 3500機(jī)組機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)及WoodWard 203“三取二”超速保護(hù)系統(tǒng)。

在控制室設(shè)置各機(jī)組的急停按鈕操作臺及相應(yīng)的外報(bào)警燈,控制室的操作人員可以在生產(chǎn)裝置處于緊急狀態(tài)時,進(jìn)行手動緊急停車。

兩臺儀表空壓壓縮機(jī)各設(shè)置一臺PLC控制系統(tǒng),采用觸摸屏。PLC通過Modbus通信方式與空分控制室DCS進(jìn)行通信。

3.2 DCS配置

空分裝置DCS采用Honeywell過程知識系統(tǒng)PKS(Process Knowledge System)[6],該系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)DSA,使全廠各生產(chǎn)裝置保持相對獨(dú)立的開停車及監(jiān)控,便于危險(xiǎn)分散。多個裝置的PKS又可以通過DSA集成為一個單一的系統(tǒng),不需要重復(fù)組態(tài),實(shí)現(xiàn)無縫交換各裝置DCS數(shù)據(jù)(實(shí)時數(shù)據(jù)、報(bào)警、操作信息歷史數(shù)據(jù)操作權(quán)限等)。

控制器采用C300控制器,該控制器配置了控制專用防火墻,并獲得安全工業(yè)控制認(rèn)證。該控制器采用先進(jìn)的預(yù)估控制算法,實(shí)現(xiàn)了高精度自動調(diào)節(jié),從而提高了工藝生產(chǎn)過程的品質(zhì)和穩(wěn)定性。該控制器在硬件上采用垂直設(shè)計(jì),便于系統(tǒng)接線和維護(hù)。

對于聯(lián)鎖空壓機(jī)放空、聯(lián)鎖停增壓機(jī)、聯(lián)鎖增壓機(jī)放空、空分系統(tǒng)故障四個信號通過硬接線送至ITCC系統(tǒng)。

3.3 ITCC系統(tǒng)的配置

空分裝置 ITCC系統(tǒng)采用 TS3000綜合控制系統(tǒng)[7],用于空壓機(jī)、氨壓縮機(jī)的機(jī)組操作、監(jiān)控和聯(lián)鎖。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)上需要多個分立儀表如防喘調(diào)節(jié)器、聯(lián)鎖自保系統(tǒng)、電子調(diào)速器、負(fù)荷調(diào)節(jié)器等實(shí)現(xiàn)的功能集成在一套可靠性極高的三重模件(TMR)冗余容錯控制系統(tǒng)中完成,減少了各系統(tǒng)間的連接和故障率,降低了長周期運(yùn)行成本,并提供了先進(jìn)的控制技術(shù)和良好的監(jiān)控界面。TS3000系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是三重冗余,信號通過輸出表決排除錯誤消息。

對于增壓機(jī)故障、空壓機(jī)故障、增壓機(jī)中抽放空、空分裝置停機(jī)四個信號通過硬接線送至DCS。

3.4 Bently 3500系統(tǒng)的配置

空分裝置空壓機(jī)、氮壓機(jī)機(jī)組機(jī)械保護(hù)采用Bently 3500監(jiān)測系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)能夠通過多種傳感器采集數(shù)據(jù),提供連續(xù)、在線監(jiān)測功能,適用于機(jī)械保護(hù)應(yīng)用。該系統(tǒng)由傳感器(現(xiàn)場檢測探頭和前置放大器、專用延伸電纜)、就地電纜、監(jiān)視器框架、計(jì)算機(jī)和軟件組成。

該系統(tǒng)監(jiān)測器框架如圖1所示,空壓機(jī)、氮壓機(jī)各設(shè)置一套檢測器框架。全尺寸框架最左端是專為兩個電源模塊和一個框架接口模塊預(yù)留的位置,框架中的其余14個插槽可以被監(jiān)測器、顯示模塊、繼電器模塊、鍵相器模塊和通信網(wǎng)關(guān)模塊的任意組合所占用。所有模塊插入到框架的底板中,由前面板部分和框架后部相應(yīng)的 I/O模塊組成,永久連線也在框架后部完成。

空壓機(jī)、氮壓機(jī)軸向位移、徑向振動、鍵相位信號均由現(xiàn)場探測器進(jìn)行監(jiān)測,該裝置采用的傳感器系統(tǒng)是Bently 3300 XL 8 mm電渦流傳感器系統(tǒng)[9]。經(jīng)前置器將信號放大后,通過屏蔽電纜將信號引至Bently 3500系統(tǒng)柜接線端子,再由端子將信號引至Bently框架模塊。其中Bently框架的繼電器模塊用于將壓縮機(jī)綜合振動大、綜合振動過大、綜合位移過大等信號送至 ITCC系統(tǒng)參與聯(lián)鎖。

圖1 Bently 3500監(jiān)測器框架

3.5 WoodWard 203系統(tǒng)的配置

空分裝置空壓機(jī)、氮壓機(jī)用汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)采用WoodWard 203[10]“三取二”系統(tǒng)。一般來說,高轉(zhuǎn)速(大于1×104r/min)時機(jī)械超速保護(hù)裝置已變得不可靠的情況下,需用使用WoodWard 203替代。該超速保護(hù)系統(tǒng)通過監(jiān)測三路獨(dú)立的磁阻發(fā)訊器(MPU)來的信號,為汽輪機(jī)提供超速保護(hù)。該裝置汽輪機(jī)用于檢測轉(zhuǎn)速的傳感器采用磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。

空壓機(jī)、氮壓機(jī)用汽輪機(jī)各設(shè)置6個轉(zhuǎn)速傳感器,現(xiàn)場設(shè)置1臺轉(zhuǎn)速儀(帶液晶顯示),安裝在現(xiàn)場儀表盤上。6個轉(zhuǎn)速信號(PI脈沖量)分成兩路, 3個信號進(jìn)WoodWard 203系統(tǒng)進(jìn)行“三取二”,2個信號進(jìn)ITCC系統(tǒng)進(jìn)行“二取二”,1個信號進(jìn)現(xiàn)場轉(zhuǎn)速儀,轉(zhuǎn)速儀再輸出頻率信號至ITCC系統(tǒng)。

3.6 PLC的配置

空分裝置的兩套壓縮機(jī)各配置一套PLC系統(tǒng), PLC系統(tǒng)柜就近安裝在壓縮機(jī)附近,帶觸摸屏,就地監(jiān)控操作。對于儀表空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及啟動信號通過硬接線送至DCS。由于儀表空氣壓縮機(jī)的自動控制相對較簡單,在此不另外描述。

4 結(jié)束語

該項(xiàng)目國產(chǎn)3.6×104m3/h空分裝置所采用的自動控制系統(tǒng)先進(jìn)、工作穩(wěn)定可靠,操作方便,自動化程度高,故障率低。實(shí)現(xiàn)了各控制系統(tǒng)的一體化,提高了儀表、機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性,對采用國內(nèi)大型空分技術(shù)的裝置有一定的借鑒作用。

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[2] 毛紹融,朱朔元,周智勇.現(xiàn)代空分設(shè)備技術(shù)與操作原理[M].杭州:杭州出版社,2005.

[3] 李化治.制氧技術(shù)[M].2版.北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

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The Control System and Application in the Air Separation Unit

Chen Songhua
(China Wuhuan Engi.Co.Ltd.,Wuhan,430223,China)

The automatic control system used in the 3.6×104m3/h air separation unit in the Hulunbeier Jinxin Chemical MTPA Ammonia and MPTA Urea Project is advanced.Based on the process feature and instrument control demand of this plant,the successful application of DCS,ITCC,Bently3500, Woodward203,PLC.are presented.The practice has approved that these systems are stable,advanced and reliable,the configuration is worth spreading.

air separation unit;compressor;anti-surge control;control system;vibration monitoring

TP273

B

1007-7324(2010)06-0024-04

2010-09-27(修改稿)。

陳松華(1982—),男,湖北洪湖人,畢業(yè)于武漢大學(xué)電路與系統(tǒng)專業(yè),碩士學(xué)位,現(xiàn)工作于中國五環(huán)工程有限公司電控室,任工程師。