大型空分制氧站DCS調(diào)試技術(shù)

李貴平

（中冶天工上海十三冶建設(shè)有限公司，上海 201900）

空分設(shè)備的自動(dòng)控制、負(fù)荷跟蹤、以及各種優(yōu)化控制策略都依靠DCS來實(shí)現(xiàn)[1]。但目前還沒有統(tǒng)一的DCS調(diào)試的規(guī)程及規(guī)范。近年來我公司承建了煙臺(tái)萬華、寶鋼及武鋼等由林德、液空等國際知名廠家設(shè)計(jì)的10余套50000～72000 Nm3/h的大型空分制氧裝置，因節(jié)能降耗等需要，大型空分制氧裝置還會(huì)越來越多。本文以寶鋼集團(tuán)浦鋼制氧Foxboro I/A DCS調(diào)試為基礎(chǔ)，結(jié)合以往調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，探討了大型空分制氧站DCS調(diào)試應(yīng)如何組織，調(diào)試的特點(diǎn)、方法及關(guān)鍵環(huán)節(jié)的調(diào)試技術(shù)，希望能給其他同類工程提供參考。

1 大型制氧站DCS調(diào)試的特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)劃分多，包括空氣預(yù)冷系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、氬系統(tǒng)、主塔精餾系統(tǒng)、液氧存儲(chǔ)系統(tǒng)等近20個(gè)系統(tǒng)。

（2）檢測點(diǎn)、控制點(diǎn)數(shù)量及種類多，各檢測參數(shù)間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)復(fù)雜，為使生產(chǎn)后達(dá)到最佳工況，需要對(duì)重點(diǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行精調(diào)。

（3）DCS作為制氧站重要的調(diào)試工具，本身又是被調(diào)試的對(duì)象，有“安裝晚、投運(yùn)早”的特點(diǎn)，在整個(gè)制氧工程工藝調(diào)試過程中，需確保隨時(shí)好用。

2 調(diào)試工藝流程及主要調(diào)試方法

2.1 調(diào)試工藝流程

調(diào)試工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Construction process

調(diào)試劃分為以上4個(gè)層次，需要科學(xué)組織。根據(jù)對(duì)過程控制的重要性以及受工藝安裝影響程度的分析，Ⅱ?qū)雍廷髮邮钦麄€(gè)制氧站投運(yùn)前DCS調(diào)試的重點(diǎn)。為確保安全、質(zhì)量和進(jìn)度，應(yīng)盡量采取“分層隔離、平行作業(yè)”的方法分系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，特別是Ⅱ?qū)雍廷髮又g須做好隔離。同時(shí)為確保消除隱患、掌握主動(dòng)，為制氧總體調(diào)試贏得時(shí)間，對(duì)其中的聯(lián)鎖調(diào)試應(yīng)做早、做好。

2.2 主要調(diào)試方法

2.2.1 調(diào)試準(zhǔn)備

（1）技術(shù)準(zhǔn)備

主要包括DCS軟、硬件說明書，設(shè)計(jì)圖紙，DCS應(yīng)用程序組態(tài)資料、生產(chǎn)工藝說明書，明確DCS應(yīng)滿足工藝過程的應(yīng)用功能。編寫施工方案，并做好技術(shù)交底。

（2）人員準(zhǔn)備

調(diào)試總負(fù)責(zé)1名，負(fù)責(zé)對(duì)外協(xié)調(diào)及對(duì)整個(gè)DCS的調(diào)試質(zhì)量、安全、進(jìn)度等進(jìn)行統(tǒng)籌管理，下設(shè)2～3個(gè)作業(yè)小組，在施工前按DCS系統(tǒng)劃分確定各小組的調(diào)試范圍，每組2～3人，每個(gè)小組須有1名經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)試負(fù)責(zé)人，其他人員經(jīng)培訓(xùn)考核合格后方可參與調(diào)試，按現(xiàn)場情況人員之間可相互調(diào)配。

2.2.2 DCS裝置單體儀表及輔助儀表盤調(diào)試

DCS裝置單體儀表設(shè)備主要包括記錄儀表、顯示儀表、報(bào)警儀表等，輔助儀表盤主要包括空壓機(jī)、氮壓機(jī)、氧壓機(jī)等壓縮機(jī)控制盤，應(yīng)先進(jìn)行校準(zhǔn)和試驗(yàn)，避免因接線錯(cuò)誤等原因造成設(shè)備的損壞，影響工期。

2.2.3 控制室內(nèi)部DCS裝置調(diào)試

調(diào)試應(yīng)分系統(tǒng)進(jìn)行，主要施工流程如下：通電前的檢查→硬件試驗(yàn)→程序裝載及系統(tǒng)啟動(dòng)→冗余試驗(yàn)→組態(tài)檢查及畫面測試→鍵盤功能測試→打印及拷貝測試→輸入輸出通道試驗(yàn)。其中調(diào)試要點(diǎn)如下：

（1）通電前的檢查

主要包括調(diào)試環(huán)境、接地系統(tǒng)、硬件、電纜接線、電源及UPS系統(tǒng)檢查等。確保系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備已安裝完畢，供電、照明、空調(diào)等符合調(diào)試要求；儀表接地系統(tǒng)、保護(hù)接地系統(tǒng)的接地電阻符合設(shè)計(jì)文件要求；系統(tǒng)內(nèi)控制站、操作臺(tái)、工程師站等各機(jī)框內(nèi)插卡、適配器及其接口的型號(hào)、安裝位置與設(shè)計(jì)一致，各插卡預(yù)設(shè)定旋鈕位置正確；通訊線連接無誤，電源及UPS系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，電源柜到各設(shè)備的電源線連接正確，絕緣符合要求。

（2）程序裝載及系統(tǒng)啟動(dòng)

在工程師站安裝系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫。啟動(dòng)操作站，確認(rèn)系統(tǒng)正常后，向各臺(tái)設(shè)備下裝系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫文件，啟動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)上的全部節(jié)點(diǎn)，并確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)顯示正常。調(diào)出系統(tǒng)診斷畫面，利用測試程序?qū)刂普尽⒉僮髡镜冗M(jìn)行診斷，確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行正常。

（3）冗余試驗(yàn)

主要包括安全控制系統(tǒng)電源冗余試驗(yàn)、現(xiàn)場FBM輸入輸出模塊電源冗余試驗(yàn)、總線冗余試驗(yàn)、控制站處理機(jī)冗余試驗(yàn)、點(diǎn)冗余和卡件冗余試驗(yàn)。當(dāng)緊停系統(tǒng)用到專門的輸入輸出安全模塊（如西門子的S7-400FH系列模塊）時(shí)，需對(duì)緊停回路電源冗余配置進(jìn)行試驗(yàn)。制氧DCS常有2臺(tái)以上的冗余處理機(jī)，控制站處理機(jī)冗余試驗(yàn)應(yīng)確保冗余處理機(jī)能和主處理機(jī)同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新。

（4）組態(tài)檢查及畫面測試

主要包括系統(tǒng)狀態(tài)畫面（state）測試、總貌畫面（overview）測試、流程畫面（flow）測試、回路畫面（loop）測試、趨勢畫面（trend）測試、報(bào)警匯總畫面（alarm）測試、報(bào)表畫面測試等。

2.2.4 儀表回路試驗(yàn)及功能試驗(yàn)

回路試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況和回路的復(fù)雜程度，按回路位號(hào)和信號(hào)類型合理安排試驗(yàn)的順序[2]。開關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)，都應(yīng)在可輸入信號(hào)的最前端輸入信號(hào)，把邏輯狀態(tài)變化的觀察放在最末端，并同時(shí)檢查人機(jī)界面的指示及控制是否正確。同時(shí)應(yīng)一次完成每個(gè)回路及聯(lián)鎖分支的覆蓋，避免遺漏和人力物力的浪費(fèi)，確保調(diào)試進(jìn)度和質(zhì)量。

功能試驗(yàn)主要包括運(yùn)算功能、控制功能、報(bào)警聯(lián)鎖功能的試驗(yàn)[2]。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工及工藝試車進(jìn)度要求，逐點(diǎn)連接控制室至現(xiàn)場電纜，通過在現(xiàn)場加信號(hào)進(jìn)行整個(gè)回路的試驗(yàn)，并逐個(gè)回路投用。

2.2.5 DCS與電氣及ECS的接口試驗(yàn)及控制電氣設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)

（1）DCS與電氣及ECS的接口試驗(yàn)

主要包括DCS與高壓柜、低壓柜、勵(lì)磁控制屏、現(xiàn)場電氣控制盤及電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）的接口試驗(yàn)。

（2）DCS控制電氣設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)

DCS與電氣及ECS接口試驗(yàn)完成后，先在電氣設(shè)備主回路不帶電的情況下進(jìn)行空操作控制試驗(yàn)，確保動(dòng)作的邏輯關(guān)系正確、聯(lián)鎖功能正常，而后再由DCS控制電氣設(shè)備的試運(yùn)轉(zhuǎn)。試運(yùn)轉(zhuǎn)的主要設(shè)備包括各大壓縮機(jī)組電機(jī)及潤滑油系統(tǒng)、水處理泵組、水冷泵組、分子篩加熱器、膨脹機(jī)油系統(tǒng)、低溫液體泵組等。

2.2.6 工藝參數(shù)精調(diào)

制氧系統(tǒng)有很多復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且檢測參數(shù)間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，涉及流量、溫度、壓力、液位、純度等。在系統(tǒng)投運(yùn)后，需要對(duì)各調(diào)節(jié)系統(tǒng)的計(jì)算系數(shù)、設(shè)定值及比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間等進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整，以獲得最佳運(yùn)行工況。

3 重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)的調(diào)試技術(shù)

3.1 控制回路試驗(yàn)

控制回路試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)有閥門定位器時(shí)應(yīng)同時(shí)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作方向應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)做到按時(shí)序、邏輯關(guān)系加入條件信號(hào)對(duì)回路進(jìn)行確認(rèn)，并調(diào)整到設(shè)計(jì)文件規(guī)定的工作狀態(tài)。

當(dāng)閥門不僅要參與連續(xù)調(diào)節(jié)，而且在故障情況下要實(shí)現(xiàn)緊急全開或全關(guān)時(shí)，對(duì)閥門選型也要進(jìn)行確認(rèn)，如膨脹機(jī)緊急切斷閥要求閥門是氣開閥，空壓機(jī)防喘振閥要求閥門是氣閉閥等。

3.2 離心式壓縮機(jī)防喘振控制組態(tài)檢查

喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，壓縮機(jī)喘振極具破壞力，當(dāng)即將發(fā)生喘振時(shí)，需采取措施，防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)運(yùn)行。防喘振組態(tài)檢查極為重要。

（1）喘振曲線設(shè)定

設(shè)備聯(lián)試前通過喘振試驗(yàn)確定喘振曲線，改變壓縮機(jī)可調(diào)葉片的開度，使壓縮機(jī)處于喘振狀態(tài)，系統(tǒng)以最快掃描速度掃描喘振情況，得出喘振曲線，作為防喘振控制的設(shè)定值。一般應(yīng)在喘振曲線右側(cè)10%流量位置設(shè)置控制線，在控制線位置開始調(diào)節(jié)防喘振控制閥，實(shí)現(xiàn)防喘振控制。

（2）防喘振閥控制

防喘振閥常采用快開慢關(guān)自適應(yīng)控制，應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)出口的壓縮比變化率或壓力變化率，通過現(xiàn)場測試合理設(shè)置閥門調(diào)節(jié)參數(shù)，使壓縮機(jī)組在即將發(fā)生喘振時(shí)，防喘振控制系統(tǒng)能快速響應(yīng)，適度打開閥門以防喘振的發(fā)生，在完成保護(hù)后關(guān)閥過程中避免新的喘振沖擊，確保機(jī)組平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

3.3 壓縮機(jī)起停條件及控制邏輯試驗(yàn)

（1）壓縮機(jī)起動(dòng)條件

在試車過程中，經(jīng)常會(huì)遇到起動(dòng)條件不滿足，壓縮機(jī)不能順利起動(dòng)的情況，各大壓縮機(jī)組起動(dòng)條件不完全一樣，但大致如下：

壓縮機(jī)入口閥處于電機(jī)起動(dòng)位置，電氣系統(tǒng)正常，無聯(lián)鎖停車事故，潤滑油油溫達(dá)到起動(dòng)條件，油箱壓力正常，潤滑油箱出口油壓達(dá)到壓縮機(jī)允許起動(dòng)值，主電機(jī)及壓縮機(jī)的冷卻水流量正常，電機(jī)再起動(dòng)限制已解除，機(jī)旁柜允許起動(dòng)信號(hào)燈亮，電機(jī)允許起動(dòng)。同時(shí)必須保證DCS在收到電氣系統(tǒng)允許加載信號(hào)后才能對(duì)電機(jī)加載。

（2）機(jī)組輔油泵控制

各大機(jī)組的輔油泵一般均為2臺(tái)，互為備用。當(dāng)先起動(dòng)的輔油泵不能滿足油壓要求時(shí)，另一臺(tái)泵自動(dòng)起動(dòng)，對(duì)其控制應(yīng)做到“先起先停，不分主備”，壓縮機(jī)正常起動(dòng)后，齒輪泵運(yùn)行維持正常油壓，通常延時(shí)1 min后停輔油泵，當(dāng)壓力低于設(shè)計(jì)值或電機(jī)停車時(shí)，再自動(dòng)重起輔油泵。一般情況下，輔油泵在電機(jī)停車1 h后再停止運(yùn)行。

（3）緊急停車系統(tǒng)及重要安全回路聯(lián)鎖調(diào)試

大型制氧機(jī)組一般都采用安全控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緊急停車，它接受現(xiàn)場停車條件、參數(shù)計(jì)算和監(jiān)控停車條件，與DCS通訊聯(lián)絡(luò)。緊急停車系統(tǒng)在制氧站是作為DCS停車的安全冗余配置的，在DCS故障、失效、判斷錯(cuò)誤時(shí)實(shí)現(xiàn)緊急停車，確保空分裝置安全。應(yīng)檢查緊急停車系統(tǒng)數(shù)據(jù)與DCS處理機(jī)通訊正常，確保兩者數(shù)據(jù)能同步更新。

需對(duì)重要的聯(lián)鎖組態(tài)進(jìn)行檢查試驗(yàn)，如液空制氧系統(tǒng)的 MSPL（major safety protective loop）等進(jìn)行重點(diǎn)檢查，對(duì)空分塔內(nèi)的一些重要的溫度檢測點(diǎn)，可用液氮進(jìn)行測試，確保功能正常。

3.4 組態(tài)臨時(shí)變更管理

由于現(xiàn)場安裝條件限制，DCS邏輯組態(tài)變更在調(diào)試階段十分頻繁，應(yīng)建立簡潔的變更管理流程，按組態(tài)工作單完成組態(tài)后，組態(tài)的任何增刪及修改，需經(jīng)過有效的審查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并征得工藝負(fù)責(zé)人同意，辦理操作票，并作詳細(xì)記錄。組態(tài)變更實(shí)行閉環(huán)管理，所有變更都應(yīng)可追蹤、查閱[3]。

4 結(jié)語

大型制氧站DCS調(diào)試技術(shù)比較復(fù)雜，需要科學(xué)、合理地組織，也需要豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前經(jīng)我公司施工已投運(yùn)的各套空分制氧站運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)過認(rèn)真總結(jié)，這一技術(shù)已經(jīng)成熟完備且具有廣泛的適用性，以前施工過程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)將會(huì)在很大程度上得以解決。

[1] 龐忠軍.IndustrialIT DCS在空分控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2007，28（增刊）：163-165.

[2] GB50093-2013，自動(dòng)化儀表施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

[3] 何朝均.核電站 DCS 調(diào)試[J].中國儀器儀表，2013（8）：49-52.■