雷文書

（貴州赤天化股份有限公司，貴州赤水564707）

赤天化股份有限公司合成氨主體裝置是20世紀(jì)70年代從美國引進(jìn)的Kellogg B型設(shè)備，采用天然氣原料、烴類蒸氣轉(zhuǎn)化工藝，原設(shè)計合成氨產(chǎn)能為1kt／d。該公司不斷通過節(jié)能增產(chǎn)改造，使裝置產(chǎn)能增加到1.22kt／d。

該裝置DCS采用Centum－XL系統(tǒng)，于1996年投用，經(jīng)過十多年的運行，設(shè)備不斷老化，多次出現(xiàn)通信和卡件故障，嚴(yán)重威脅合成生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定運行。為徹底解決運行安全隱患，該公司于2011年完成了該裝置DCS改造工作。

1 系統(tǒng)主要構(gòu)成

1.1 設(shè)計思想

系統(tǒng)改造的總體思路是以原Centum－XL系統(tǒng)的自編文件為設(shè)計基礎(chǔ)，保持并擴(kuò)展原有功能，增加系統(tǒng)冗余，方便工藝操作，并兼顧系統(tǒng)擴(kuò)容。采用CS3000控制系統(tǒng)，對原有DCS進(jìn)行升級改造。改造范圍涉及所有控制站（I／O柜）、操作站、工程師站、端子柜和安全柵，并自主設(shè)計施工圖，將現(xiàn)場信號通過新增加的端子排引入新的CS3000控制站。

為滿足系統(tǒng)開放性、便于優(yōu)化控制和維護(hù)的要求，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用以下設(shè)計思路：

a）系統(tǒng)功能成套完整，系統(tǒng)硬件可保證長周期運行并具有較高的可靠性。

b）系統(tǒng)具備完備的冗余功能，任何部分I／O均可根據(jù)需要做成全冗余（無須改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)），對插件、軟件、機(jī)箱空槽留有足夠的余量。

c）系統(tǒng)的各種插卡應(yīng)能在線熱插拔、更換。冗余設(shè)備必須能在線自診斷、出錯報警、無差錯切換。系統(tǒng)必須具有完善的硬件、軟件故障診斷及自診斷功能，自動記錄故障報警，并能提示維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)。

d）連接到總線系統(tǒng)的各個部件和其連接的任一控制站的故障，不會影響其他站之間的信號傳輸，當(dāng)任一控制站連接或脫離總線系統(tǒng)時，不會影響其他站之間的信號傳輸［1］。

e）DCS需配備與其他子系統(tǒng)的冗余通信接口，以實現(xiàn)與各子系統(tǒng)的通信。

1.2 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要包括6臺操作站（HIS）、1臺工程師站（EWS）、3套現(xiàn)場控制站（FCS）和1臺OPC服務(wù)器。合成氨裝置DCS的總點數(shù)為1 300多點。Modbus通信卡件有2個。系統(tǒng)向上與工廠信息管理網(wǎng)相聯(lián)，向下對裝置內(nèi)PLC進(jìn)行監(jiān)控。

2 關(guān)鍵控制方案說明

合成氨裝置工藝復(fù)雜，控制要求較高，具有多種復(fù)雜的控制回路，筆者在該系統(tǒng)上實現(xiàn)了一些較復(fù)雜的控制方案，在此舉幾例典型的控制方案加以說明。

2.1 鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)

為了保證鍋爐高壓汽包的安全穩(wěn)定運行，設(shè)計了一個以汽包液位為主調(diào)參數(shù)，以蒸汽量和給水量為副調(diào)參數(shù)的典型三沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。三沖量控制方案如圖1所示。

a）在開、停車或系統(tǒng)不穩(wěn)定時，可以改為單參數(shù)調(diào)節(jié)。由于在DCS中采用了順序控制，單參數(shù)LC1001和三參數(shù)LC0001不被選中時，其SV＝PV，且不被選中的輸出始終跟蹤被選中的輸出。這樣，只要改變SW0006的開關(guān)位置，即可改變控制參數(shù)（SW＝1為單參數(shù)，SW＝3為三參數(shù)），而不需要進(jìn)行平衡操作。

b）為了克服假液位的影響，該系統(tǒng)采用三沖量調(diào)節(jié)，以液位調(diào)節(jié)器LC0001為主調(diào)節(jié)器，以BF0001為副調(diào)節(jié)器，在FX0007中將給水的測量值減去蒸汽的測量值，其差值作為BF0001的輸入，作為測量值。其輸出經(jīng)SW0006選擇后送去控制104J或104JA的轉(zhuǎn)速，從而控制給水量，保證汽包液位的穩(wěn)定。

c）為了操作方便，使BF0001總保持在“CAS（串級）”狀態(tài)，LC0001總保持在“AUT”狀態(tài)，而且當(dāng)單參數(shù)控制時，LC0001的SV＝PV。在三參數(shù)時，LC1001的SV＝PV。因此，從“1”—“3”切換時，無需進(jìn)行SV與PV的平衡。

圖1 三沖量控制方案

2.2 水碳比值控制系統(tǒng)

該調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以總碳體積流量、蒸汽體積流量組成的雙閉環(huán)、雙向跟蹤、定比邏輯定量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是一個具有限制負(fù)荷變化和安全優(yōu)先、邏輯定量功能的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以實現(xiàn)蒸汽與總碳體積流量的雙向跟蹤。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保證增加負(fù)荷時，先增加蒸汽再增加原料氣，減小負(fù)荷時先減原料氣再減蒸汽的工藝要求；在負(fù)荷不變的情況下，實現(xiàn)當(dāng)原料氣量減少或蒸汽量增加時能通過本身副環(huán)來克服系統(tǒng)的波動，具有較好的自適應(yīng)和克服內(nèi)擾的能力。而當(dāng)原料氣量增加或蒸汽量減少時，除本身副環(huán)自調(diào)外，同時還相應(yīng)地增大蒸汽量和減少原料氣量來穩(wěn)定水／碳比值，并保證水／碳比不小于設(shè)定值，達(dá)到安全可靠的要求，即該系統(tǒng)在實現(xiàn)雙向控制的同時還保證了系統(tǒng)安全可靠性。

該系統(tǒng)是按經(jīng)過校正后的實際水／碳比值進(jìn)行調(diào)節(jié)的，原料氣和蒸汽體積流量均按體積流量校正公式進(jìn)行補(bǔ)償校正。然后系統(tǒng)按實際總碳體積流量和蒸汽體積流量進(jìn)行比值調(diào)節(jié)。

2.3 應(yīng)用順控表實現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)

合成氨裝置應(yīng)用CS3000順控表功能實現(xiàn)的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)共53套，現(xiàn)以甲烷化爐溫度聯(lián)鎖系統(tǒng)為例予以說明。

由于甲烷化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因而甲烷化爐設(shè)有5個高溫聯(lián)鎖測量點。在意外情況下，任意兩點溫度達(dá)到聯(lián)鎖值時，能自動進(jìn)行高溫聯(lián)鎖，將甲烷化爐切除，從而對設(shè)備及催化劑起到保護(hù)作用。

3 改造總結(jié)

筆者參與了赤天化合成DCS升級改造的全過程，為進(jìn)一步做好改造工程項目提出幾點建議：

a）一套大型DCS的使用周期在15a左右，建議配置一套培訓(xùn)系統(tǒng)，既可作為備件又便于作為檢修維護(hù)人員的相關(guān)測試和培訓(xùn)系統(tǒng)。

b）由于是改造項目，用戶對原系統(tǒng)和控制線路是最熟悉的，用戶的工程技術(shù)人員應(yīng)參與系統(tǒng)組態(tài)和施工圖設(shè)計的全過程，既培養(yǎng)了系統(tǒng)維護(hù)人員，又利于完善工程項目。

c）DCS調(diào)試對于確保該系統(tǒng)安全穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠運行是至關(guān)重要的，而FAT／SAT又是測試、驗收的兩個重要階段和步驟。應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行各項系統(tǒng)功能測試、穩(wěn)定性測試、可用性測試、回路聯(lián)試，并盡可能多做試驗，為今后的維護(hù)積累經(jīng)驗。

d）模擬量輸入AAI143卡件使用橫河公司的端子板時，只能在卡件上改變跳線的位置以適應(yīng)2線／4線制信號，系統(tǒng)運行時不方便。配合使用菲尼克斯，wago或者魏德米勒專門針對橫河推出的端子板，就可以直接在端子板上跳線。

e）支持HART協(xié)議的卡件都帶有－H的后綴，并配軟件包LFS2710，而使用支持Barin協(xié)議的卡件需向橫河公司申請。

f）對于重要聯(lián)鎖信號，可配置SOE開關(guān)量輸入模塊和相應(yīng)軟件包，其采集時間可精確到0.5ms，以便事故分析。

g）根據(jù)需要配置CS3000系統(tǒng)的軟件包。建議在工程師站配1個長趨勢軟件包，在操作站上根據(jù)需求配1～2個該軟件包。CS3000的趨勢在操作站上不能手動輸入，可以從下拉菜單處選擇當(dāng)前的TR00＊＊中的儀表進(jìn)行重新組合。如果工藝需要在任意的位號間選擇組合，則需定購專家趨勢軟件包LHS4510。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)順利地完成了工程的招標(biāo)、設(shè)計、施工、調(diào)試、開車等階段，DCS和各類調(diào)節(jié)系統(tǒng)、順控聯(lián)鎖系統(tǒng)等運行穩(wěn)定可靠，各主要控制參數(shù)的控制質(zhì)量、平穩(wěn)率都比以往有很大提高，為裝置的安全、穩(wěn)定運行打下了堅實的基礎(chǔ)。

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