Tricon系統(tǒng)在催化重整汽輪機組上的應(yīng)用

張明星 許海梅 李 民

(中國石油克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834003)

為提高二次原油的加工能力，某石化公司建成投產(chǎn)了催化重整裝置，汽輪機組K-201是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備，因為沒有備機，因而它的長期平穩(wěn)運行是整個裝置長期平穩(wěn)運行的關(guān)鍵點。K-201機組的主機部分為BCL457-4型離心式壓縮機[1]，由一段七級組成，氣體為一段壓縮；K-201的原動機部分為NG25/20/0型多級背壓式汽輪機。離心機與汽輪機之間用膜片聯(lián)軸器連接并共同安裝在公共底座上，同時由一套公共油站進(jìn)行潤滑并提供控制油。

為了最大程度地保證機組的安全平穩(wěn)運行，采用了較先進(jìn)的Tricon綜合控制系統(tǒng)，與催化重整機組液壓油系統(tǒng)組成了完整的電子-液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將機組的調(diào)速控制[2]、故障診斷功能及機組緊急停車聯(lián)鎖保護功能等結(jié)合在一起，較好地完成了各種控制功能和聯(lián)鎖保護功能[3]。

1 汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成①

某石化公司催化重整K-201汽輪機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速傳感器、Tricon系統(tǒng)、電液轉(zhuǎn)換器、油動機、調(diào)節(jié)汽閥及速關(guān)閥等組成，其中Tricon系統(tǒng)是核心部分，正常條件下Tricon系統(tǒng)在汽輪機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用，它將轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)汽閥閥位聯(lián)系起來，通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)閥位，并與其他調(diào)節(jié)機構(gòu)配合調(diào)節(jié)液壓油的變化，因此它在機組的運行和異常狀態(tài)時起到隨時調(diào)節(jié)、監(jiān)控和保護的作用。

2 Tricon系統(tǒng)配置

2.1 三重冗余系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

Tricon是基于三重模件冗余結(jié)構(gòu)的容錯控制器，它將3路隔離且并行的控制系統(tǒng)(每一路稱為一個分電路)和廣泛的故障診斷集成在一個系統(tǒng)中，用三取二表決(圖1)提供完善、無差錯且不間斷的過程操作，不會因為單點故障而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

圖1 三重冗余容錯控制系統(tǒng)表決方式

傳感器信號在輸入模件中被分為隔離的3 路，通過3個獨立的通道分別被送到3個處理器中，主處理器之間的總線按多數(shù)原則對數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，并糾正任何輸入數(shù)據(jù)的偏差，此過程保證每個處理器使用相同的表決數(shù)據(jù)完成應(yīng)用程序。

主處理器的輸出沿著3個通道被送到輸出模件，并在輸出模件中再次進(jìn)行表決或選擇。數(shù)字輸出的表決通過硬件“方形表決器”電路完成，而模擬信號則在模擬輸出選擇器中進(jìn)行選擇。表決電路中包含有總的反饋電路用于對輸出狀態(tài)做最后的校驗并診斷潛在的故障。

Tricon系統(tǒng)對每個獨立的分電路、每個模件組件和每個功能電路都進(jìn)行廣泛的診斷，對操作錯誤進(jìn)行檢測和報告。所有診斷信息的儲存在系統(tǒng)變量里或由LED和報警觸點指示。這些信息可以供應(yīng)用程序使用，以調(diào)整控制作用或直接進(jìn)行維護。所用故障元件(除通信卡外)都可進(jìn)行在線更換。

2.2 硬件配置

一個Tricon系統(tǒng)可最多包含15個機架，主機架(1號)容納主處理器模件和最多6個I/O組；擴展機架(2～15號)每個可以支持最多8個I/O組，即一個Tricon系統(tǒng)可最多支持118個I/O組。某石化公司的催化重整裝置由一個主機架和一個擴展機架組成，設(shè)有兩套操作站(ESD工程師站和ESD操作站)，采用工程師站進(jìn)行編程和故障診斷，利用通信卡與DCS進(jìn)行通信。

主機架的第一個槽位為雙冗余電源卡，電源卡為上下分布，上邊的電源兼系統(tǒng)故障報警顯示；第二、三、四個槽位為3塊互為冗余的主處理器CPU卡；第五個槽位為通信卡；隨后的12個槽位，每兩個為一個I/O邏輯槽位，即每相鄰兩個卡互為熱備。根據(jù)需要，任何類型的模擬卡可隨意安放。

2.3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)編程運行軟件TriStation 1131利用功能塊FBD語言編寫程序，實現(xiàn)模擬量處理運算及控制邏輯等功能。上位監(jiān)控系統(tǒng)軟件Intouch主要用于監(jiān)控畫面的組態(tài)，繪制有工藝流程圖畫面、控制回路的調(diào)節(jié)畫面、PID參數(shù)整定畫面、聯(lián)鎖投入/切除操作畫面并建立了趨勢組畫面和報警畫面。系統(tǒng)編程軟件Tristation1131用于ESD和機組綜合控制系統(tǒng)軟件的編程與組態(tài)。Intouch監(jiān)控組態(tài)軟件與編程軟件Tristation1131通過DDE Server程序連接，共同完成對機組的油路及氣路等的動態(tài)監(jiān)控，使操作人員能及時準(zhǔn)確地了解機組的控制環(huán)境，并依據(jù)工藝參數(shù)對各閥門進(jìn)行操作。

3 汽輪機調(diào)節(jié)控制的典型應(yīng)用

3.1 啟機邏輯與啟機控制

汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的啟機邏輯如圖2所示。

圖2 汽輪機啟機邏輯

反饋塊的目的是使輸出保持在“1”的信號狀態(tài)，按鈕斷開時為“0”，通過反饋塊得到一個持久的“1”信號。啟機邏輯條件具體如下：

加反饋作用后：

汽輪機啟機的操作實質(zhì)就是汽輪的升速過程，它主要是通過DCS[4]控制來完成的。汽輪機升速調(diào)節(jié)過程如圖3所示。

在汽輪機所有啟動條件滿足后，按下復(fù)位按鈕，將所有報警復(fù)位，在手動狀態(tài)下啟動汽輪機，并將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能畫面調(diào)出，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能畫面的啟動模式中用鼠標(biāo)點中“升速”按鈕，汽輪機則以固定加速度升速。從圖3可以看到啟動的控制過程：在DCS上發(fā)出開車升速信號傳到Tricon系統(tǒng)后輸出4～20mA電流信號，電信號到達(dá)電液轉(zhuǎn)換器后將壓力油轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二次油壓信號，二次油壓作用于油動機利用杠桿原理打開調(diào)節(jié)氣閥，從而改變汽輪機進(jìn)氣量達(dá)到提升轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)汽輪機要越過臨界轉(zhuǎn)速(4 143r/min)時，則在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(3 900～4 500r/min)汽輪機以更高的加速度快速通過，并且在此段轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)無法人為地使轉(zhuǎn)速保持不變。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到可控調(diào)速區(qū)，啟動模式自動轉(zhuǎn)變成運行模式。此時可通過手動輸入設(shè)定轉(zhuǎn)速或升降速按鈕在調(diào)速區(qū)內(nèi)對機組進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。需要注意的是，到達(dá)可控調(diào)速區(qū)后亦可通過現(xiàn)場就地儀表盤來操作。

圖3 汽輪機升速調(diào)節(jié)過程示意圖

3.2 汽輪機調(diào)節(jié)機構(gòu)控制系統(tǒng)的工作過程

當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速升到8 210r/min時，啟動模式自動轉(zhuǎn)變?yōu)檫\行模式(8 110～11 354r/min)。汽輪機在運行模式下，即自動狀態(tài)下，可通過改變其轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入的設(shè)定值與實際測量的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差時，這個偏差值在系統(tǒng)中進(jìn)行比較后輸出4～20mA信號去控制調(diào)節(jié)汽閥閥位，閥位動作使設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差為0，從而實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)定調(diào)節(jié)的目的。系統(tǒng)在運行模式下的最大特點是，時時有效地克服或減弱外界干擾對汽輪機轉(zhuǎn)速的影響，實現(xiàn)了在線監(jiān)測與自動調(diào)節(jié)。汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)

4 系統(tǒng)聯(lián)鎖功能的實現(xiàn)

K-201機組聯(lián)鎖停機設(shè)計有12個條件，只要任意一個條件滿足，都會引發(fā)聯(lián)鎖停汽輪機組，重整裝置汽輪機組上眾多的報警聯(lián)鎖都有在線監(jiān)測點，它們的聯(lián)鎖控制過程都是一樣的，下面以軸振動為例說明聯(lián)鎖過程的實現(xiàn)。

軸振動聯(lián)鎖邏輯如圖5所示。ZI11A振動探頭測量正常，前置放大器輸出±10V(DC)信號，信號通過安全柵進(jìn)入Tricon系統(tǒng)的模擬輸入卡，再經(jīng)過處理器由數(shù)字量輸出卡至繼電器的端子13和14；振動探頭信號正常，繼電器13、14端子失電，觸點1、9閉合，電磁閥2222、2223得電打開，速關(guān)油路導(dǎo)通，速關(guān)閥打開，3.5MPa蒸汽進(jìn)速關(guān)閥，機組正常運行；振動探頭故障時，繼電器13、14端子得電，觸點1、9斷開，電磁閥2222、2223失電關(guān)閉，速關(guān)油路斷開，速關(guān)油迅速泄油，速關(guān)閥迅速關(guān)閉，3.5MPa蒸汽進(jìn)裝置中斷，機組停機。

圖5 軸振動聯(lián)鎖邏輯

5 系統(tǒng)SOE功能的實現(xiàn)

SOE(Sequence of Event)事件順序是指在每次掃描期間，ESD主處理器檢查所指定的，被稱為事件的離散變量的狀態(tài)改變，當(dāng)一個事件發(fā)生時，主處理器將變量的當(dāng)前狀態(tài)和時間作為SOE記錄存儲在緩沖區(qū)內(nèi)，SOE記錄可以轉(zhuǎn)換為SOE.LOG文件存入操作站的硬盤。SOE記錄按變量狀態(tài)改變時間的先后順序排列，非常有利于聯(lián)鎖動作后的分析診斷，可在很短的時間內(nèi)查出引發(fā)聯(lián)鎖的原因。

6 系統(tǒng)故障診斷功能

當(dāng)系統(tǒng)有故障時，可以通過診斷面板查看并收集故障信息。如果是瞬態(tài)故障，系統(tǒng)可以恢復(fù)正常；如果是穩(wěn)態(tài)的故障，清除后還會出現(xiàn)，系統(tǒng)無法恢復(fù)正常。收集的故障信息可以發(fā)給Tricon公司的工程師，經(jīng)過專業(yè)人員分析后將結(jié)果反饋給用戶，使用戶能及時找到問題的解決方法。

7 結(jié)束語

Tricon機組集成綜合控制系統(tǒng)把機組的調(diào)速控制、緊急停車聯(lián)鎖及硬件故障診斷等功能集成到一套系統(tǒng)中，實現(xiàn)了二次原油加工催化重整裝置汽輪機組的集成綜合控制。由于采用了三重冗余容錯硬件配置，使系統(tǒng)更加安全可靠，實際運行過程中穩(wěn)定可靠且操作簡單，實現(xiàn)了機組長周期、滿負(fù)荷、安全平穩(wěn)的運行的目標(biāo)，得到了工藝設(shè)備技術(shù)人員和操作人員的一致認(rèn)可。

[1] 王宗明.壓縮機[M].北京:中國石化出版社,2012.

[2] 錢枝茂.離心壓縮機喘振原因及對策[J].石油和化工設(shè)備,2012,15(10):65～66,69.

[3] 王東峰.安全儀表系統(tǒng)的回路設(shè)計探討[J].石油化工自動化,2014,50(4):10～15.

[4] 謝彤.DCS控制系統(tǒng)運行與維護[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2012.