呂 佳

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037001)

引 言

在我國，甲醇生產(chǎn)裝置多建在內(nèi)陸地區(qū)和西部地區(qū)，比如青海察爾汗鹽湖，由于自然資源極其豐富，開發(fā)價值極高，成為我國發(fā)展鹽化工業(yè)的重要基地。加大對于鹽湖的開發(fā)利用，對于發(fā)展國民經(jīng)濟意義重大。將石油天然氣資源轉(zhuǎn)化為化工原料，也成為我國鹽湖開發(fā)的重要途徑，越來越多的甲醇生產(chǎn)項目開始開工建設(shè)。在此過程中，壓縮機大大提升了甲醇生產(chǎn)效率，不但增強了生產(chǎn)自動化程度，也滿足了甲醇生產(chǎn)對于安全性與可靠性的高要求。

1 甲醇生產(chǎn)工藝流程

控制系統(tǒng)的設(shè)計是為了滿足生產(chǎn)工藝需求，因此，優(yōu)良控制系統(tǒng)得以設(shè)計出的重要前提條件是了解生產(chǎn)工藝要求和控制對象。

甲醇的生產(chǎn)工藝流程如圖1，其工藝流程主要包括五大步驟。

圖1 甲醇生產(chǎn)流程圖

1) 甲醇生產(chǎn)需要以天然氣為原料，采用蒸汽或是空氣轉(zhuǎn)化的方式，使其生成由氫氣、一氧化碳、二氧化碳組成的混合氣體，其中還包括一定的殘余甲烷和氮氣。

2) 有用氣體生成后需要經(jīng)過凈化，進(jìn)行脫硫和脫碳處理，在此過程要要進(jìn)行氣體的轉(zhuǎn)化，以滿足甲醇合成的要求。

3) 在進(jìn)行甲醇合成之前要壓縮氣體，使之生成一定的壓力，為合成甲醇創(chuàng)造必要條件。

4) 進(jìn)行甲醇的粗合成，在此過程中甲醇合成時會發(fā)生各種各樣的副反應(yīng)，致使甲醇中含有較多雜質(zhì)，即粗甲醇。

5) 采用蒸餾的方式對粗甲醇進(jìn)行處理，得到精甲醇成品。

通過以上甲醇生產(chǎn)工藝流程的介紹可以確定應(yīng)將化工機械設(shè)備壓縮機應(yīng)用于壓縮及合成部分。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

根據(jù)上文所述甲醇生產(chǎn)工藝要求以及現(xiàn)場實際需要，設(shè)計了以下GMR三重冗余控制方案，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，GMR控制系統(tǒng)的通訊是通過Genius網(wǎng)絡(luò)與輸入輸出模塊實現(xiàn)的，而該系統(tǒng)中的3個PLC，也是通過這三層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通訊的。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，留出了一個擴展口便于與DCS上設(shè)備通訊。系統(tǒng)中的太網(wǎng)同樣為冗余設(shè)計，上位機能夠在同一時間接收來自三個PLC的參數(shù)，這種設(shè)計的優(yōu)勢是，倘若GMR控制系統(tǒng)在工作時某一個PLC發(fā)生故障，上位機也能通過冗余以太網(wǎng)接收另兩個PLC的數(shù)據(jù)。上位機監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控設(shè)備參數(shù)，工程師和操作人員能夠及時查看設(shè)備狀態(tài)，并在第一時間進(jìn)行設(shè)備維護。這種多層冗余結(jié)構(gòu)能夠為系統(tǒng)提供更多的安全性和靈活性，高速、高效地進(jìn)行通訊。

3 GMR控制系統(tǒng)的PLC子系統(tǒng)設(shè)計

GMR控制系統(tǒng)也就是Genius模塊式冗余容錯系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是由90-70系列CPU和Genius輸入輸出模塊以及其他模塊構(gòu)成，其配置方案是可以靈活變動和擴展的，用戶可以根據(jù)自身對風(fēng)險的期望值，對系統(tǒng)的冗余級別進(jìn)行改變。三選二表決模式是GMR控制系統(tǒng)的最大特色，能夠在很大程度上提高系統(tǒng)的安全性和可靠性[1]。

依據(jù)冗余需求，3套冗余、容錯的CPU共同組成了控制器子系統(tǒng)。CPU在執(zhí)行程序前應(yīng)當(dāng)針對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，以異步方式工作，不進(jìn)行I/O數(shù)據(jù)共享，這種方式能夠避免當(dāng)其中一個CPU發(fā)生故障時同時干擾其他CPU的輸入數(shù)據(jù)。與此同時，該系統(tǒng)設(shè)計能夠在Genius總線上進(jìn)行全局?jǐn)?shù)據(jù)的自動發(fā)送，從而使PLC間的數(shù)據(jù)交換將更加靈活可靠。每一個CPU在作業(yè)時都執(zhí)行相同的應(yīng)用程序，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后生成新的輸出數(shù)據(jù)。GMR的內(nèi)部表決規(guī)則如圖3所示。

圖3 GMR總體表決表

4 壓縮機組聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

壓縮機是一種流體機械，主要用于輸送氣體、增強氣體壓力，在工業(yè)領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用范圍，且發(fā)揮著重要作用。由于壓縮機是在高溫高壓的環(huán)境下工作，且保持著高速往復(fù)運動，在作業(yè)時會產(chǎn)生極大的離心力和熱應(yīng)力，一旦發(fā)生緊急情況，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)能夠在第一時間作出反應(yīng)，停止機械作業(yè)，避免事故擴大造成巨大損失。

壓縮機的結(jié)構(gòu)類型很多，其中往復(fù)式(活塞式)壓縮機是最為常見、應(yīng)用范圍最廣的類型。本項目所采用的原料氣壓縮機和尾氣壓縮機都屬于這一類型。相較之下，離心式眼所及的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，采用透平系統(tǒng)。在甲醇生產(chǎn)工藝的合成部分，我們采用的是這種離心式透平壓縮機。

在甲醇生產(chǎn)項目中，壓縮機承載著改變氣體壓力和狀態(tài)的重要作用，是整個系統(tǒng)中是最為關(guān)鍵的設(shè)備。若要確保壓縮機長時間穩(wěn)定運作，聯(lián)鎖停車設(shè)計十分重要。壓縮機組的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、控制閥門以及過程控制元件組成，如圖4所示。

圖4 聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

如圖所示，在I/O模塊的連接下，GMR能夠接收到來自現(xiàn)場的壓縮機信號，包括開車、聯(lián)鎖停機等等，CPU經(jīng)過邏輯運算會準(zhǔn)確地判斷出是否將輸出信號傳遞給調(diào)速器，進(jìn)而對現(xiàn)場閥門進(jìn)行控制，通過減少進(jìn)入透平的蒸汽量，確保壓縮機機體不會受到損害。CPU通過邏輯運算將輸出信號輸出到調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場閥門的直接控制，保護壓縮機；若不需要，且滿足開車和聯(lián)鎖停車條件，輸出信號則直接傳輸至壓縮機，控制壓縮機進(jìn)行開車或聯(lián)鎖停車。

5 防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計

合成部分是甲醇生產(chǎn)工藝中的重要工序，在這一部分，本系統(tǒng)采用的是離心式壓縮機，其最重要的一個特點是喘振現(xiàn)象。為了有效預(yù)防這一現(xiàn)象的發(fā)生，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，可以采取以下措施。

1) 通過對壓縮機性能曲線的分析，找到喘振點，在常見的工業(yè)應(yīng)用中，喘振點一般為最低工況點。

2) 在壓縮機出口處設(shè)置旁通回路，降低進(jìn)入氣管的氣體壓力，進(jìn)而減小壓縮機流量。

3) 壓縮機處于小流量運行狀態(tài)時，可以通過降低轉(zhuǎn)速的方式避免喘振發(fā)生。

4) 在壓縮機出口處安裝防喘振線，以最低允許工況點為設(shè)定值，當(dāng)流量壓力小于最低允許工況點時，防喘振線便會自動打開，使氣體自出口流回進(jìn)口。

以上幾種解決方式只能作為防喘振發(fā)生的輔助手段，為了從根本上避免喘振效果的發(fā)生，必須制定一套完整的控制方案，固定極限流量法是比較常用的一種方式。

固定極限流量法即讓通過壓縮機的流量始終大于某一定值流量，一旦出現(xiàn)工藝負(fù)荷過大，系統(tǒng)難以滿足其需求時，使流量部分回流，以此避免流量進(jìn)入喘振區(qū)。如圖5為固定極限流量防喘振控制方案。當(dāng)壓縮機的吸入氣量Q1大于喘振極限流量QP時，旁路閥閉合，反之，旁路閥打開，出口處的部分氣體將流回入口處。如此便可以減少管網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)供氣量，防止喘振發(fā)生[2]。

圖5 固定極限流量防喘振控制方案

在該方案的制定中，最為關(guān)鍵的部分之一就是設(shè)定合理的極限流量值QP，為了確保壓縮機在變磚速狀況下不發(fā)生喘振現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)將壓縮機在最大轉(zhuǎn)速時的喘振極限流量作為流量控制器FC的給定值。如圖6所示。

圖6 喘振極限值

6 結(jié)語

在所有工業(yè)領(lǐng)域中，化工和冶金所涉及的生產(chǎn)工藝最為復(fù)雜，筆者依據(jù)多年實踐工作經(jīng)驗，系統(tǒng)分析了化工行業(yè)中甲醇壓縮機組控制系統(tǒng)。考慮到甲醇生產(chǎn)工藝的危險性較高，為了提升生產(chǎn)過程中的安全性和可靠性，本文進(jìn)行了冗余控制系統(tǒng)設(shè)計，主要包括PLC子系統(tǒng)設(shè)計、壓縮機組聯(lián)鎖控制系統(tǒng)、防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)具有高效率和高可靠性的優(yōu)勢，處于世界領(lǐng)先水平，能夠高度滿足甲醇生產(chǎn)工藝需求，對于甲醇生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的引導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金廣業(yè).基于工業(yè)以太網(wǎng)智能平臺的壓縮機安全及防喘振控制系統(tǒng)[J].中國儀器儀表,2016(3)：25-30.

[2] 李志宏,秦悅明.國產(chǎn)壓縮機控制系統(tǒng)在甲醇合成氣改造中的應(yīng)用[J].通用機械,2014(5):34-38.