李玉昌，汪 黔，張玉華

貴州省息烽開磷化工裝備工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 551109

0 引言

在化學(xué)工藝上可以了解到，利用氨氧化生產(chǎn)硝酸需要經(jīng)歷三個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程：氨的氧化、氧化氮的氧化和亞硝酸氣體的吸收。根據(jù)化學(xué)方面的知識(shí)可以了解到，以上的三個(gè)化學(xué)反應(yīng)都是較強(qiáng)的放熱反應(yīng)，而且在加壓的條件下更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。因此，可以通過化學(xué)反應(yīng)放出的熱量和回收尾氣排放的能量來維持整個(gè)硝酸生產(chǎn)中氣體壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗，此外剩下的能量由蒸汽排出，以此來達(dá)到系統(tǒng)能量的平衡。通過壓縮機(jī)組合的概念，由此產(chǎn)生了“三合一機(jī)組”、“四合一機(jī)組”等的概念[1]。現(xiàn)在使用較多的一種壓縮機(jī)組是將驅(qū)動(dòng)機(jī)蒸汽壓縮機(jī)和尾氣膨脹壓縮機(jī)與生產(chǎn)機(jī)空氣壓縮機(jī)和氧化氮壓縮機(jī)組合在一起，形成一個(gè)機(jī)組。通過這樣的組合，將它們的能量一起共用，能夠提高機(jī)械效率。另外一種機(jī)組情況就是用電動(dòng)機(jī)或者燃?xì)鈮嚎s機(jī)取代蒸汽壓縮機(jī)與空氣壓縮機(jī)、氧化氮壓縮機(jī)和尾氣膨脹壓縮機(jī)組合在一起，形成“四合一機(jī)組”的概念。ITCC系統(tǒng)是一套集壓縮機(jī)的透平調(diào)速控制、防喘振控制、抽氣控制、自保聯(lián)鎖邏輯控制為一體的綜合控制系統(tǒng)。

1 機(jī)組結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)

四合一機(jī)組的流程與布置主要是依賴于硝酸生產(chǎn)工藝的要求，四臺(tái)機(jī)器可以設(shè)計(jì)成同軸線同轉(zhuǎn)速或者設(shè)計(jì)成不同軸線不同轉(zhuǎn)速，其驅(qū)動(dòng)機(jī)可以設(shè)在端頭，也可以設(shè)在端尾。硝酸四合一機(jī)組就是一個(gè)典型的能量自給自足型的機(jī)組，在各機(jī)組設(shè)計(jì)與選型中都必須遵循節(jié)能、環(huán)保、高效的原則。下面來具體介紹各部件的結(jié)構(gòu)。

1.1 空氣壓縮機(jī)

在四合一機(jī)組中，空氣壓縮機(jī)主要是用來進(jìn)行氨氧化和氮氧化的空氣壓縮，來實(shí)現(xiàn)空氣的升壓。在壓縮機(jī)的選型方面，由于綜合加壓工藝和雙加壓工藝的不同，升壓的幅度較低，一般多采用軸流式壓縮機(jī)。對(duì)于軸流部分的轉(zhuǎn)子葉片，一般采用反動(dòng)式，這樣可以調(diào)節(jié)增壓的速度和效率的高低。為了適應(yīng)氣流的波動(dòng)，靜葉角度可以設(shè)計(jì)成部分可調(diào)和全部可調(diào)的形式，其調(diào)整的驅(qū)動(dòng)器一般設(shè)置成液壓的形式。

1.2 氧化氮?dú)怏w壓縮機(jī)

四合一機(jī)組中的氧化氮壓縮機(jī)主要是用于將氨氧化反應(yīng)生成的氧化氮?dú)怏w匯合氧化用空氣壓縮到吸收操作過程需要的壓力。為了滿足壓力要求，一般采用離心式壓縮機(jī)。對(duì)于氧化氮?dú)怏w壓縮機(jī)的氣流結(jié)構(gòu)有一個(gè)注意的部分，盡可能減少死角。這是由于氧化氮?dú)怏w與空氣混合后在壓縮過程中，既有NO生成NO2的反應(yīng)，又有N2O4的分解反應(yīng)，而后者屬于吸熱，影響比較大。這樣不僅會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的排氣溫度比理論計(jì)算的數(shù)值低，而且還會(huì)在金屬壁或者在死角處沉積銨鹽。由于銨鹽結(jié)晶的過程會(huì)使體積膨脹，這樣會(huì)造成腔體中隔板的變形，影響葉輪的旋轉(zhuǎn)。在葉輪的選擇方面，應(yīng)該優(yōu)先采用鑄造葉輪，以提高設(shè)備的抗腐蝕性。

1.3 尾氣膨脹壓縮機(jī)

在四合一機(jī)組中，尾氣膨脹壓縮機(jī)得作用主要有：一是回收硝酸生成過程排放尾氣的能量；二是為空氣壓縮機(jī)和氧化氮壓縮機(jī)提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)器[2]。根據(jù)實(shí)際的需要，可以將尾氣膨脹機(jī)設(shè)計(jì)成單級(jí)或多級(jí)膨脹，其葉輪可以設(shè)計(jì)成沖動(dòng)型和反動(dòng)型或者兩者混用。在膨脹機(jī)的進(jìn)出口配有專門的調(diào)節(jié)閥，用此來調(diào)節(jié)氣量的變化，從而提高設(shè)備的效率。

1.4 蒸汽壓縮機(jī)

在四合一機(jī)組中蒸汽壓縮機(jī)為機(jī)組的正常運(yùn)行提供了源動(dòng)力，尤其是當(dāng)設(shè)備開機(jī)啟動(dòng)，尾氣膨脹機(jī)還不能工作時(shí)，蒸汽壓縮機(jī)為機(jī)組提供了所需能量的85%，這個(gè)在蒸汽壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，尤其的重要。蒸汽壓縮機(jī)的氣源一般都來自于硝酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱源。

2 ITCC系統(tǒng)介紹

ITCC（Integrated Turbine Compressor Control system）系統(tǒng)是三重冗余綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有調(diào)速控制、防喘振控制、透平轉(zhuǎn)速超調(diào)保護(hù)、ESD聯(lián)鎖保護(hù)等功能[3]。ITCC系統(tǒng)的硬件核心是基于三重冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的控制器，數(shù)字量輸入信號(hào)在DI模塊中被分成3路，分別送給3個(gè)CPU，在CPU之中進(jìn)行 “三取二”表決，分別通過3 條I/O總線送到DO模塊，在DO模塊中通過“方形表決電路”再次表決后, 輸出到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器；模擬量輸入信號(hào)在A I模塊中也被分成3路信號(hào)，通過A /D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量，然后采用選中值的算法糾正分電路中的偏差，其中輸出信號(hào)經(jīng)過選擇器之后，輸出到控制閥進(jìn)行相應(yīng)的控制。

ITCC系統(tǒng)和傳統(tǒng)DCS等控制系統(tǒng)相比，主要優(yōu)點(diǎn)為：基于SIL3級(jí)可靠的硬件平臺(tái)、系統(tǒng)的擴(kuò)性適應(yīng)單機(jī)組或多機(jī)組控制、調(diào)速、防喘、負(fù)荷協(xié)調(diào)控制、靈活的機(jī)組控制軟件包，如機(jī)組公用軟件包、防喘振控制軟件包、調(diào)速軟件包。

3 T6300控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

T6300是羅克韋爾ICS Triplex公司的ITCC控制系統(tǒng)，T6300的應(yīng)用程序采用IEC 1131 TOOLSET軟件編制，為提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，機(jī)組控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的控制單元之間相互獨(dú)立，并且分別安裝在不同的控制機(jī)柜內(nèi)，機(jī)組控制系統(tǒng)獨(dú)立完成安全控制任務(wù)，與DCS系統(tǒng)互不影響。

控制單元（控制站）、操作員站都直接連接在系統(tǒng)的高速通訊網(wǎng)絡(luò)（冗余以太網(wǎng)）上。連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以在站與站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且不分主站和從站。機(jī)組控制系統(tǒng)可通過標(biāo)準(zhǔn)OPC或Modbus口與第三方產(chǎn)品（如DCS、Bently 3500）通訊，并且支持光纖形式，重要信號(hào)參數(shù)（如聯(lián)鎖信號(hào)、壓縮機(jī)組負(fù)荷信號(hào)）則通過硬接線連接。機(jī)組機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)Bently 3500的監(jiān)視信號(hào)通過Modbus通訊從3500傳送到機(jī)組控制系統(tǒng)里，聯(lián)鎖信號(hào)通過硬接線從3500的輸出I/O端子接至壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)。機(jī)組控制系統(tǒng)之間以及與主裝置DCS之間應(yīng)有數(shù)據(jù)通訊，通訊安全可靠。壓縮機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)能接受DCS（主裝置的控制系統(tǒng)）所給定的壓縮機(jī)負(fù)荷信號(hào)。

T6300系統(tǒng)軟硬件均通過IEC61508 SIL3級(jí)和TUV AK6級(jí)安全認(rèn)證。T6300保證系統(tǒng)在內(nèi)部出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，仍能正確地執(zhí)行程序。系統(tǒng)所有的模塊均能在線熱更換。這種設(shè)計(jì)使得T6300系統(tǒng)可以保持100%在線。T6300被用來處理各種實(shí)時(shí)的、復(fù)雜的、危險(xiǎn)的生產(chǎn)過程，包括監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、PID控制、輸出控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種高級(jí)的控制系統(tǒng)大大提高了四合一機(jī)組的安全性和可用性，下面將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做一下簡(jiǎn)要的說明。

3.1 防喘振功能設(shè)計(jì)

如果工作人員對(duì)機(jī)組操作不當(dāng)或設(shè)備管道故障，機(jī)組的壓縮機(jī)會(huì)發(fā)生喘振，這樣會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞機(jī)組，影響機(jī)器的壽命。因此防喘振控制是機(jī)組中一個(gè)重要的安全控制。將防喘振控制切入到系統(tǒng)中，可以根據(jù)工作點(diǎn)運(yùn)行的情況結(jié)合防喘振曲線，實(shí)時(shí)的控制喘振閥的動(dòng)作。當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，可以通過對(duì)入口補(bǔ)充回流量來解決問題。具體的方法是通過對(duì)應(yīng)的防喘振閥門開始向打開的方向動(dòng)作，使對(duì)應(yīng)出口的壓縮氣體回流到對(duì)應(yīng)的入口處，這樣通過增加入口的氣流來使機(jī)器回落到正常的工作區(qū)域內(nèi)，這樣就達(dá)到了防喘振的目的。

該套ITCC系統(tǒng)對(duì)于防喘閥的控制除了手動(dòng)與自動(dòng)模式以外，還有一手動(dòng)帶后備模式。當(dāng)防喘閥處于手動(dòng)帶后備模式時(shí)，則防喘閥處于手動(dòng)控制狀態(tài)，ITCC系統(tǒng)將對(duì)操作點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在這種情況下，將操作點(diǎn)的值與系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)計(jì)算出的喘振線進(jìn)行比較，當(dāng)操作點(diǎn)的值與喘振線的值接近時(shí)，ITCC系統(tǒng)將接管手動(dòng)模式，這樣就會(huì)將喘振閥自動(dòng)調(diào)節(jié)到一定的安全開度，防止喘振的發(fā)生。

3.2 ESD保護(hù)設(shè)計(jì)

緊急停車系統(tǒng)（ESD）其作用是當(dāng)硝酸四合一的相關(guān)參數(shù)（如振動(dòng)、溫度、壓力等）超過一定的限度時(shí)，能夠使機(jī)組立即停車以免造成嚴(yán)重的事故。在工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮機(jī)組超速的原因一般是由于蒸汽壓縮機(jī)的壓力突然增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)入口流量減少而引起原動(dòng)機(jī)的超速。在壓縮機(jī)出現(xiàn)超速的情況下，可以通過關(guān)閉蒸汽壓縮機(jī)的蒸汽閥，以此來切斷壓縮機(jī)的動(dòng)力來源，從而實(shí)現(xiàn)緊急停車。ITCC系統(tǒng)在此套壓縮機(jī)緊急停車超速保護(hù)方面做了雙重的保障。ITCC系統(tǒng)在壓縮機(jī)開機(jī)過程中，如果轉(zhuǎn)速在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)超過了臨界轉(zhuǎn)速的上限，則控制器就會(huì)發(fā)出緊急停車信號(hào)從而對(duì)硝酸機(jī)組進(jìn)行緊急停車,同時(shí)，系統(tǒng)還安裝了獨(dú)立的WOODWARD203超速停車控制器，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

3.3 聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)

四合一機(jī)組是硝酸生產(chǎn)的核心設(shè)備，控制點(diǎn)復(fù)雜，如何開車、停車以及穩(wěn)定的運(yùn)行對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)是相當(dāng)關(guān)鍵的。T6300系統(tǒng)是一種故障安全型控制系統(tǒng)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)安全的停車，聯(lián)鎖輸出具有切換至預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)或聯(lián)鎖狀態(tài)功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了超速聯(lián)鎖、臨界轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖保護(hù)、喘振保護(hù)，通過內(nèi)部程序來實(shí)現(xiàn)機(jī)組的聯(lián)鎖停車邏輯和開機(jī)啟動(dòng)順序的控制。極大提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4 結(jié)論

硝酸四合一機(jī)組控制裝置自運(yùn)行以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全、可靠，產(chǎn)量得到了明顯的提高，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。ITCC操作站上裝有多種分析軟件包，通過對(duì)機(jī)組各測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況和工藝指標(biāo)控制情況進(jìn)行分析，及時(shí)解決設(shè)備隱患，改善工藝控制指標(biāo)，使硝酸生產(chǎn)裝置能夠有效可靠的運(yùn)行。

[1]喬海星，于軍，薛麗菊.硝酸生產(chǎn)中的四合一機(jī)組[J].化工設(shè)備與管道，2000(5)：32-34.

[2]周聰勇，馬德潔.硝酸四合一機(jī)組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2000(4)：21-23.

[3]邱晉剛.ITCC系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)總結(jié)[J].中氮肥，2009(1)：47-50.