深冷法制氧裝置優化運行研究

劉福明， 姜 超， 羅建偉， 武 廣

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

工業氣體氧氣生產中一般可獲取的氧氣產品有：工業O2、高純度O2和醫用O2等。設備制取O2的辦法一般是利用空分技術，個別工業中采用電解水或其他方法也可獲取O2，冶金行業是通常采用空分制氧，具有代表性的空分制氧技術有：深度冷凍法（深冷法）、變壓吸附法和膜分離法等。

1 制氧裝置現狀介紹

1.1 設備配置

某公司現有的制氧設備為3 套21 000 m3/h 深冷空分裝置和1 套公輔設備，可生產的產品有O2、液氧、N2、液氮、Ar 和液氬。O2產量為15 萬m3/h，N2產量為17 萬m3/h，Ar 產量為4 700 m3/h。

1.2 工藝結構

深冷制氧工藝流程：空壓機將原料空氣進行壓縮、冷卻及液化后，液態空氣進入分子篩純化系統進行篩分凈化，凈化后的空氣被分為兩路送至分餾塔，利用O2、N2和Ar 不同的沸點，通過重復蒸發、冷凝進行精分餾[1-2]，最終得到O2、N2和Ar 產品。

設備當前采用的DCS 控制系統[3]是PKS R101 DCS 系統，整個系統通過共享服務器和C/S 的架構實現監控。DCS 系統結構圖如圖1 所示。

圖1 制氧裝置DCS 系統結構

1.3 問題分析

設備當前控制系統為C/S 架構，服務器不能停機做檢修，服務器統一監控3 套空分設備和1 套公輔設備，一旦發生故障，會直接影響所有設備的監控工作。服務器長期運行得不到有效的維護檢修，導致系統出現如下問題：

1）系統程序不能備份。

2）修改程序或增加程序后，裝載時會出錯，存在風險。

3）服務器工程數據庫部分測點、流程圖數據丟失。

另外，制氧裝置系統自運行以來，陸續增加了氬泵、數據采集裝置等，利用了預留的I/O 接口，現在系統的I/O 接口被全部占用，沒有余量。

2 制氧裝備系統優化設計

2.1 系統優化方案

針對某公司制氧裝置DCS 控制系統目前存在的問題，對原有DCS 系統進行分離升級優化改造，將原有的控制系統一分為二，降低問題集中的風險。更換升級分離得到的2 套系統的冗余模塊和網絡模塊，解決老舊系統無備件、兼容性低的問題。進一步擴展I/O接口，解決I/O 接口無余量的問題。改造優化工作內容包括：

1）對系統進行分析和升級。

2）新增加1 對冗余服務器及操作站等配套裝置，安裝最新版應用軟件，配置2 000 個I/O 接口授權。

3）分離原系統中的2 套C200 冗余控制器，形成可獨立工作的DCS 系統。

4）更換升級系統硬件，采用最新版冗余控制器、冗余模塊和容錯以太網模塊，替換原有相應部分，并對分離后的系統進行平臺升級。

分離升級優化后的系統結構如圖2 所示。

圖2 分離升級優化后的系統結構

2.2 方案實施

結合生產中空分設備檢修工作的安排以及實際生產組織情況，方案實施時先對3 號空分設備進行優化改造，然后，再對公輔設備進行分離升級。按上文優化方案對3 號空分進行升級，升級過程中更換了C200 冗余控制器、R M冗余模塊和FTEB 容錯以太網模塊等部分。完成分離升級工作后，拆下3 號空分設備上的新板卡，安裝回原卡并進行升級。升級完成的板卡可在公輔設備系統升級時再次利用。

3 制氧裝備優化系統方案工業應用和經濟性分析

3.1 工業應用

根據上文闡述的優化方案，對某公司3 套空分制氧裝備進行改造，改造工程分3 個步驟進行：前期準備、優化改造施工和結果測試。

3.1.1 前期準備

備份當前系統的數據庫、流程圖等關鍵工作信息。升級冗余服務器，對系統進行功能性測試。準備硬件配件，完成接線，確保各設備上電正常運行。

3.1.2 優化改造施工

首先，規劃建立3 號空分設備和公輔設備獨立的DCS 控制系統，確認功能后從原系統中分離出來。然后，對系統進行軟、硬件的升級，使用最新版本的軟件系統，新增2 臺冗余服務器、4 臺操作站及配套件等硬件結構。對原系統硬件模塊進行升級，更換新的C200 冗余控制器、R M冗余模塊和FTEB 容錯以太網模塊等部分，并對系統平臺進行升級。

3.1.3 結果測試

優化改造后，對系統各項功能進行測試，確保無誤后，投入運行。主要進行以下幾項功能測試：

1）測試流程圖界面：正常運行制氧裝置，流程圖界面能正確并流暢地顯示運行參數，如流量、壓力、液位和設備狀態等，表明流程圖界面正確、無誤。

2）測試參數設定功能：實際運行設備，自定義運行參數，調節設備運行狀態。設定工藝參數，調節生產狀態。經測試，參數設定正確有效。

3）測試報警功能：報警功能包括設備運行工藝參數的限位報警、聯聯鎖報警和運行異常報警等，通過觀察設備運行過程及報警信息，報警功能正確無誤。

4）測試記錄、備份功能：記錄、備份功能用于記錄操作人員的操作信息、備份設備運行數據，方便信息追溯，經試用觀察，記錄、備份功能正確無誤。

3.2 經濟性分析

某公司制氧裝置DCS 控制系統分離改造之前，由于服務器不能停機檢修，長期運行已積累諸多問題。其中，程序問題、流程圖數據問題尤為突出。在生產過程中，程序故障頻繁出現，程序無法備份、修改程序后裝載不成功，流程圖數據出錯，平均解決時間為48 h。由于個別配件版本老舊，問題無法徹底解決，故障隱患仍然存在。每套設備產量按O2：21 000 m3/12 h、N2：21 000 m3/12 h 和Ar：750 m3/12 h 計算，直接損失約312 萬元。另外，由于3 套空分設備和1 套公輔設備共用1 套控制系統，無法獨立停機檢修，其中1 臺發生停車事故，其余設備也得同時停機，系統再次啟動恢復生產至少需要12 h，直接損失約52 萬元。以上成本損失尚未計維修相關費用。

對DCS 控制系統分離升級改造后，分為相互獨立的2 套系統，1 號、2 號為1 套，3 號、公輔為1 套。2套系統可獨立工作，也可同時工作。

首先設計了3 號空分和公輔設備的控制系統，確認功能后，再從原系統分離，獨立做系統升級，并未造成設備全面停機。對于分離升級完成后的系統，在為期6 個月的試運行階段，服務器在一備一用的狀態下進行檢修維護，排除了若干問題，避免了停機事故的發生，維護按4 h 計，另系統停機后完全啟動需12 h，粗略估計可節約70 萬元。此外，對空分設備和公輔設備制定了嚴格的1 次/月的維保計劃，維保時一備一用，不耽誤生產進程。在試運行期間，2 號設備因發生故障停機一次，停機至維修完成投入使用整個過程中，未影響3 號空分和公輔設備的運行，未影響生產運行，則至少可節省52 萬元。

4 結語

針對某公司制氧裝置配置情況、工藝流程以及DCS 控制系統現狀及存在的具體問題，提出相應的解決方案。設計制氧裝置分離升級優化方案，將原有1套系統分離為2 套獨立的系統，并對系統軟硬件進行升級或更新，解決風險集中、I/O 接口余量等問題。實施分離升級改造方案，并對改造完成后的系統進行功能測試與試運行，優化后的系統具有較較好的穩定性和經濟性。