空分裝置的控制系統及應用

陳松華

(中國五環工程有限公司,武漢 430223)

空分裝置的控制系統及應用

陳松華

(中國五環工程有限公司,武漢 430223)

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

空分裝置;壓縮機;防喘振控制;控制系統;振動監視

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司5080工程項目生產能力為合成氨500 kt/a,尿素800 kt/a。其配套國產空分裝置的生產能力達到氧氣3.6×104m3/h,氮氣7.74×104m3/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有限公司總體成套提供,其配套的空壓機采用西安陜鼓廠生產的空壓機、齒輪箱與增壓機組合在一起的復合式空壓機組,由杭州汽輪機廠提供的汽輪機拖動;氮壓機采用沈陽鼓風機廠生產的氮壓機、齒輪箱與增壓機組合在一起的復合式氮壓機組,同樣由杭州汽輪機廠提供的汽輪機拖動;兩套空氣增壓透平膨脹機中,一套為國產機組,一套為進口機組;儀表空氣壓縮機采用上海復盛公司生產的機組。

整套空分裝置采用DCS控制,機組操作、監控和聯鎖采用 ITCC控制系統,機組機械保護采用Bently 3500系統,機組超速保護采用Wood Ward 203“三取二”超速保護系統,儀表空氣壓縮機采用PLC控制。

由于空分系統的工藝復雜、各子系統間聯系緊密、設備風險大,因此要求控制系統穩定可靠、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組控制要求,對上述各自動控制系統組成、特點及復雜控制說明等展開介紹。

1 工藝說明

采用填料上塔、液體泵內壓縮和前段預凈化流程組成制氧裝置[1]。即采用常溫分子篩預凈化,空氣增壓透平膨脹機提供裝置所需冷量,空氣增壓膨脹,雙塔精餾,液體泵內壓縮流程。該制氧裝置的主要系統和流程如圖1所示。其中工廠用儀表空氣從空氣增壓機二級壓縮抽出后送至儀表空氣網絡。

1.1 空氣過濾和壓縮

空氣首先進入自潔式過濾器,空氣吸入過濾器后除去灰塵和其他顆粒雜質,然后進入主空壓機,經過多級壓縮后進入空冷塔,壓縮機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荷,并對空氣進行洗滌。進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氣進行冷卻,然后進入氨蒸發器進一步冷卻至8℃,再進入空冷塔上部。

分子篩純化系統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、二氧化碳和一些碳氫化合物,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:一部分直接進入主換熱器冷卻后進入下塔;另一部分通過空氣增壓機進一步壓縮,其中抽出一股經過膨脹機增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻[3],再進入主換熱器被冷卻,經膨脹機膨脹后進入下塔;從空氣增壓機末級排出的空氣經增壓機冷卻器冷卻后送入冷箱經高壓主換熱器冷卻變為液體后節流進入下塔。

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器,在這里氧得到蒸發,而氮得到冷凝。下塔產生富氧液空、貧液空、純液氮、純氮氣等產品;上塔產生氮氣、粗氬、高壓氧氣等產品。

2 空分裝置機組控制要求

2.1 空氣流量的控制

空分裝置負荷的大小(產品產量與純度)可通過控制進裝置空氣流量以及空氣增壓機流量來實現,它是通過控制空壓機進口導葉的開度、空氣增壓機進口蝶閥開度(或進口導葉的開度)及汽輪機的調速機構來實現的。該控制不但能用來進行裝置負荷大小的調節,還可以在裝置正常運行中消除各種因素造成的空氣流量的波動。

2.2 壓縮機組的控制

由空壓機出口壓力與空分給定恒定壓力進行PID調節,該輸出信號作為轉速給定,經 ITCC調速器的運算調節汽輪機主氣門,實現空壓機組性能調節,確保空分裝置空壓機工況要求。在達到一定恒轉速曲線條件下,增壓氮壓機以其出口壓力調節入口蝶閥。

2.3 機組的防喘振控制

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

壓縮機的防喘振調節系統可以保證機組在空分開車最低負荷至裝置最高負荷的范圍內經濟穩定可靠地運行[4]。該保護調節系統根據壓縮機的特性曲線,自動實現當其運行工況點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,進而降低排氣壓力、增加出氣流量,使得壓縮機快速脫離喘振工況。壓縮機的防喘振保護系統是當壓縮機的排氣壓力超過防喘振保護曲線時,壓縮機的防喘振閥在2 s內快速全開以實現緊急卸壓。

增壓機防喘振分低壓缸和高壓缸兩部分,低壓缸以進氣流量、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口。高壓缸以進氣壓力、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口。

2.4 汽輪機的控制

實時監控機組的轉速和汽機的熱井液位等,以保證機組轉速和汽輪機的熱井液位的正常。轉速控制通過ITCC內的調速模塊實現,超速保護采用“三取二”的超速保護系統來實現。熱井液位通過控制汽機熱井的2臺給排水閥和2臺冷凝液泵的開停來實現,汽輪機密封為自立式調節。

轉速調節回路是汽輪機調節系統的基本環節,該回路主要由轉速傳感器、轉速控制系統 ITCC、電液轉換器I/H、油動機和調節汽閥組成。數字式調速器接受來自兩個轉速傳感器變送的汽輪機轉速信號,將接收到的轉速信號與轉速設定值進行比較后輸出4～20 mA的電信號給電液轉換器,再經電液轉換器轉換成二次油壓[5],通常在0.15 MPa時對應 4 mA的電流,此時主汽閥開度為 0,在0.45 MPa時對應20 mA的電流,此時主汽閥開度為100%,二次油通過油動機操縱調節汽閥。

3 空分裝置自動控制系統

3.1 自動控制系統的總體配置描述

自動控制系統能有效地監控空分設備生產過程,確保運行可靠、操作維護方便,采用DCS集中監控和機旁盤監測相結合的原則。

空分裝置的各單元設備(包括預冷系統、純化系統、增壓透平膨脹機、分餾塔系統、液體儲存及汽化系統、氮壓機系統、低溫液體泵的自動調節和故障切換控制等)以及公用工程測量點均采用一套DCS監控,并完成上述各系統內部或與機組之間的安全聯鎖保護和邏輯控制任務。根據功能設置必要的能夠解除聯鎖和恢復聯鎖的措施,以方便系統在線或停車檢修。

該DCS預留與全廠管理計算機的通信接口,通過RS-485接口與全廠主控室的DCS進行通信,以滿足網絡技術發展和工廠信息化管理需要。DCS與全廠的聯鎖采用硬接線的方式實現。

空分裝置的各機組采用獨立的控制系統,其中主空壓機、氮壓機共用一套ITCC控制系統,ITCC控制系統采用 Modbus通信方式與空分控制室DCS進行通信,以便在DCS中監視各機組的運行狀態。ITCC系統與DCS之間的重要信號聯系通過硬接線方式連接。各機組設置必要的機旁盤(機旁盤隨機提供),采用機旁盤和控制室相結合的原則,但機旁盤的功能盡量簡化,保證在機組開車階段,通過機旁盤實現必要的操作和監控。機旁盤上的重要信號與DCS/ITCC之間通過硬接線聯系。

當信號需同時進入DCS和ITCC,又不宜采用獨立傳感器時,采用安全柵或信號隔離器將信號一分為二,分別進入DCS和ITCC系統。

在控制室機組控制柜中還放置Bently 3500機組機械保護系統及WoodWard 203“三取二”超速保護系統。

在控制室設置各機組的急停按鈕操作臺及相應的外報警燈,控制室的操作人員可以在生產裝置處于緊急狀態時,進行手動緊急停車。

兩臺儀表空壓壓縮機各設置一臺PLC控制系統,采用觸摸屏。PLC通過Modbus通信方式與空分控制室DCS進行通信。

3.2 DCS配置

空分裝置DCS采用Honeywell過程知識系統PKS(Process Knowledge System)[6],該系統采用分布式系統架構DSA,使全廠各生產裝置保持相對獨立的開停車及監控,便于危險分散。多個裝置的PKS又可以通過DSA集成為一個單一的系統,不需要重復組態,實現無縫交換各裝置DCS數據(實時數據、報警、操作信息歷史數據操作權限等)。

控制器采用C300控制器,該控制器配置了控制專用防火墻,并獲得安全工業控制認證。該控制器采用先進的預估控制算法,實現了高精度自動調節,從而提高了工藝生產過程的品質和穩定性。該控制器在硬件上采用垂直設計,便于系統接線和維護。

對于聯鎖空壓機放空、聯鎖停增壓機、聯鎖增壓機放空、空分系統故障四個信號通過硬接線送至ITCC系統。

3.3 ITCC系統的配置

空分裝置 ITCC系統采用 TS3000綜合控制系統[7],用于空壓機、氨壓縮機的機組操作、監控和聯鎖。該系統將傳統上需要多個分立儀表如防喘調節器、聯鎖自保系統、電子調速器、負荷調節器等實現的功能集成在一套可靠性極高的三重模件(TMR)冗余容錯控制系統中完成,減少了各系統間的連接和故障率,降低了長周期運行成本,并提供了先進的控制技術和良好的監控界面。TS3000系統的最大特點是三重冗余,信號通過輸出表決排除錯誤消息。

對于增壓機故障、空壓機故障、增壓機中抽放空、空分裝置停機四個信號通過硬接線送至DCS。

3.4 Bently 3500系統的配置

空分裝置空壓機、氮壓機機組機械保護采用Bently 3500監測系統[8]。該系統能夠通過多種傳感器采集數據,提供連續、在線監測功能,適用于機械保護應用。該系統由傳感器(現場檢測探頭和前置放大器、專用延伸電纜)、就地電纜、監視器框架、計算機和軟件組成。

該系統監測器框架如圖1所示,空壓機、氮壓機各設置一套檢測器框架。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留的位置,框架中的其余14個插槽可以被監測器、顯示模塊、繼電器模塊、鍵相器模塊和通信網關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的 I/O模塊組成,永久連線也在框架后部完成。

空壓機、氮壓機軸向位移、徑向振動、鍵相位信號均由現場探測器進行監測,該裝置采用的傳感器系統是Bently 3300 XL 8 mm電渦流傳感器系統[9]。經前置器將信號放大后,通過屏蔽電纜將信號引至Bently 3500系統柜接線端子,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系統參與聯鎖。

圖1 Bently 3500監測器框架

3.5 WoodWard 203系統的配置

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

空壓機、氮壓機用汽輪機各設置6個轉速傳感器,現場設置1臺轉速儀(帶液晶顯示),安裝在現場儀表盤上。6個轉速信號(PI脈沖量)分成兩路, 3個信號進WoodWard 203系統進行“三取二”,2個信號進ITCC系統進行“二取二”,1個信號進現場轉速儀,轉速儀再輸出頻率信號至ITCC系統。

3.6 PLC的配置

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

4 結束語

該項目國產3.6×104m3/h空分裝置所采用的自動控制系統先進、工作穩定可靠,操作方便,自動化程度高,故障率低。實現了各控制系統的一體化,提高了儀表、機組運行的安全可靠性,對采用國內大型空分技術的裝置有一定的借鑒作用。

[1] 王麗麗,劉勃安.空分技術讀本[M].北京:化學工業出版社,2009.

[2] 毛紹融,朱朔元,周智勇.現代空分設備技術與操作原理[M].杭州:杭州出版社,2005.

[3] 李化治.制氧技術[M].2版.北京:冶金工業出版社,2009.

[4] 王驥程.空分技術讀本[M].2版.北京:化學工業出版社, 2003.

[5] 黃樹紅.汽輪機原理[M].北京:中國電力出版社,2008.

[6] 梁恩泉,巨林倉,歐 偉.Honeywell公司PKS系統簡介[J].儀器儀表用戶,2004,(1):97-98.

[7] Tricon.北京康吉森自動化設備技術有限公司[G].Tricon設計安裝手冊,2000.

[8] GE能源集團.Bently Nevada 3500系列機械保護系統[G]. GE能源集團,2002.

[9] GE能源集團.Bently Nevada傳感器系統[G].GE能源集團,2003.

[10] 楊秀芹.WOODWARD的RroTech 203超速保護系統[J].工業汽輪機,2000,(3):9-12.

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,畢業于武漢大學電路與系統專業,碩士學位,現工作于中國五環工程有限公司電控室,任工程師。