和利時DCS在林德空分裝置上的應用

黃根濤，楊衛強

（杭州和利時自動化有限公司，杭州 310016）

0 引言

空分裝置在現代煤化工中占有重要地位，在煤化工裝置生產中的應用主要分為兩個方面：①各系統產品不同的裝置如煤制油、煤制氣等化工裝置鏈中工業氣體的綜合應用；②各種型號氣化爐氧氣的供應。林德集團是全球領先的氣體和工程集團，其工藝需求、控制方案在國外大型空分裝置中具有代表性和借鑒性。

1 項目概述

某煤化工企業煤制甲醇項目空分裝置是由林德杭州設計工程公司設備總承包，單套空分裝置氧氣產量70000Nm3/h。裝置的DCS 系統采用杭州和利時自動化有限公司MACS6+K 系列產品，軟件版本MACSV6.5.3，硬件為K 系列產品。DCS 系統在FAR 中，共有7 個IO 控制站，55 臺機柜；CCR1 中有網絡柜1 臺，操作員站7 臺，歷史站2 臺，工程師站1 臺。

2 工藝介紹

空分裝置由空氣壓縮、預冷、分子篩吸附凈化、空氣增壓、氣（液）相膨脹制冷、空氣精餾分離提取等部分組成。采用內壓縮流程、規整填料精餾塔、全精餾無氫制氬工藝。氣（液）體膨脹機、工藝流程泵廠家為法國CRYOSTAR，壓縮機組（汽輪機、空壓機、增壓機）廠家為德國SIEMENS。

裝置負責向全廠各生產裝置和公用工程輔助設施提供壓力等級高低壓的氧氣、氮氣及0.8MPa 的儀表氣和工廠風。

3 關鍵控制點

◇ 對于多工藝參數影響的調節回路采用多控制回路控制。如對界區輸送氣體產品回路：流量、壓力、溫度控制器的輸出經低選功能塊處理后，輸出至調試閥，以保證供氣參數安全。氣體膨脹機的增壓機回流閥采用喘振控制器、轉速控制器、保護回路的輸出，經高選功能塊處理后，輸出至回流閥。

◇ 依據液體泵廠家提供的氣蝕曲線實現了液體泵的氣蝕保護，液體泵的互為備用邏輯實現泵轉速、回流閥開度的無擾動切換，最大程度保護了工藝平穩。

◇ 空壓機導葉流程的控制在DCS 系統中完成，壓力控制器和流量控制器的輸出經低選功能塊處理輸出至空壓機導葉，完成進入塔內空氣量的調節。壓力控制為單回路控制器，其中流量控制為串級回路控制，以氬餾分含氧含量或上塔中部溫度為主回路，流量控制為輔回路。其中，氬餾分含氧含量控制輸出或上塔中部溫度控制輸出可選等百或比例輸出。

◇ 裝置所有工藝聯鎖故障輸出，采用首出功能記錄發生故障原因項，便于查找故障。

圖1 CO2分析儀報警抑制邏輯Fig.1 Alarm suppression logic of CO2 analyzer

圖2 CO2分析儀自動切換通路邏輯1Fig.2 Logic 1 of automatic switching path of CO2 analyzer

4 典型控制方案實例

1） 分析表測量通路切換回路

分析儀表配置大小量程測量通道，用于測量正常工況和非正常工況介質含量；并設置多個被測介質通路，用于測量多點位置同種介質含量。通過介質通路配置切換電磁閥，實現DCS 系統遠程切換介質通路。本文以CO2分析表的功能邏輯為例。

CO2分析 表 有0PPM ～5PPM 和0PPM ～20PPM 兩個測量通道，需測量進冷箱空氣CO2含量、主冷CO2含量、粗氬冷凝器CO2含量的3 個測量點介質中CO2含量。功能實現根據分子篩時序自動切換，通過以高（低）量程，實際測量CO2含量實際數值比較方式自動切換對應CO2分析變量進冷箱空氣CO2含量（81_3001_15_A30）、主冷CO2含量（81_3001_26_A30）、粗氬冷凝器CO2含量（81_4101_16_A30）量程。

依據分析儀數據通道故障、分析故障、維護開關狀態、校驗狀態、通路切換過程邏輯判斷分析儀表測量有效狀態檢測。在CO2含量測量無效狀態報警和非正常工況下抑制粗氬冷凝器CO2含量采樣點高報警；進冷箱空氣CO2含量、主冷CO2含量高報警抑制同理。

以下邏輯為通路切換時序，在NO2含量分析儀、CO2含量分析儀工作狀態下，冷箱開關投運后聯鎖CO2分析儀表通路切換投入自動模式，在通路切換自動模式下分子篩吸附器A 冷吹步結束前10min，投入81_3001_15_A30（進冷箱空氣CO2含量）通路，關閉81_3001_26_A30（主冷CO2含量）或81_4101_16_A30（粗氬冷凝器CO2含量）通路，直至分子篩切換步到邏輯開81_3001_26_A30（主冷CO2含量）通路，之后81_3001_26_A30、81_4101_16_A30、81_3001_15_A30 3 個通路按每30min 依次順序切換通路，至分子篩吸附器B 冷吹步結束前10min 投入81_3001_15_A30（進冷箱空氣CO2含量）通路，通路切換周期循環。

2） 膨脹機組的增壓機喘振

由于膨脹機組葉輪的飛速旋轉，帶動同一軸上的增壓機葉輪的轉動，增壓機葉輪壓縮通過增壓機葉輪的氣體對膨脹機組的轉速進行抑制。但在一定的轉速下，當增壓機回流閥關得過小時，進口流量小到一定數值，增壓機的工作點進入喘振區，造成增壓機工作不穩定而產生振動。所以，回流閥在進入喘振區前需自動打開，增加增壓機的負荷使膨脹機組減速，避免增壓機喘振。圖3 為CRYOSTAR廠家提供的增壓機喘振曲線圖。

圖3 CRYOSTAR廠家提供增壓機喘振曲線Fig.3 Surge curve of supercharger provided by CRYOSTAR manufacturer

膨脹機組廠家一般給出增壓機的喘振曲線，將增壓機運行區域分為安全運行區域和喘振區域。

流量調節器是喘振控制器：SP 值設定為常數100，PID控制一直投入自動狀態；PID 作用方式為反作用。調節器PV 值計算公式如下：

其中，△P1——實際流量差壓；P 出1——實際出口壓力；P 入1——實際入口壓力；△P0——喘振曲線流量差壓；P 出0——喘振曲線出口壓力；P 入0——喘振曲線入口壓力；K——安全系數。

運行曲線如圖4 所示。

3） 液體泵的無擾切換控制及氣蝕保護邏輯

深冷低溫液體泵是內壓縮流程空分工藝流程的工藝泵和生產泵，在空分裝置運行中起著重要的作用，低溫液體泵的運行狀況直接關系到整套空分裝置是否能夠穩定運行及裝置出現故障狀態時，后備系統是否能夠連續供應氣體。以塔氣系統液氧泵為例，表述液體泵的功能保護邏輯。

a）無擾動切換功能

圖4 增壓機喘振運行畫面Fig.4 Surge operation picture of supercharger

表1 CRYOSTAR液氧泵氣蝕參數表Table 1 Cavitation parameters of CRYOSTAR liquid oxygen pump

切泵條件：一臺泵在加載工作狀態，另一臺泵在隨轉狀態；無聯鎖信號觸發、工藝條件滿足且自動切換按鈕投入。

切泵邏輯功能：加載泵停車或者卸載時，另一臺惰轉工作狀態的泵自動完成加載，且上一臺泵的轉速、回流閥開度及其手操、氣蝕PID 工作狀態自動傳遞給自動加載的泵，保持液體泵的出口工況穩定。

b）氣蝕控制功能

氣蝕產生很高的沖擊應力，如果發生在液體泵葉片的表面，其金屬材料會因反復受到沖擊應力而被侵蝕。在液體泵的運行過程中需避免氣蝕，防止設備受到損壞。

以下以典型的CRYOSTAR 公司的液體泵為例介紹。液體泵氣蝕曲線為每臺液體泵的固有曲線，由液體泵廠家提供，液體泵氣蝕保護曲線必須嚴格按照液體泵廠家提供的對應的液體泵參數填寫，見表1。

圖5 液氧泵氣蝕保護曲線Fig.5 Cavitation protection curve of liquid oxygen pump

根據以上液體泵廠家提供的數據繪制出轉速與液體泵進出口差壓對應關系的氣蝕曲線，通過對比實時液氧泵出入口壓差與氣蝕高低限（設定偏差為-0.01）完成液氧泵氣蝕高低限報警。氣蝕控制器PV 值為實時液氧泵出入口壓差，SP 為氣蝕高限，（氣蝕高限-氣蝕低限）×K，控制器為正作用，控制器工作模式為自動。

5 結束語

和利時的HOLLiasS-MACS6 系統已在林德公司70000 Nm3/h 空分裝置上得到實際應用，實現了工藝包的控制需求，保障了裝置安全穩定運行。單套裝置中自動回路投運率為98%以上，自動回路的穩定控制和設備的安全運行為空分裝置的穩定運行提供了保障，并為后續快速變負荷系統投運提供了工藝投運基礎。為國產DCS 系統在國外空分裝置廠商的特大型空分裝置上應用提供項目實施經驗。