首套国产40000m3/h空分装置的自动控制系统及应用

摘要：基于安装及调试过程的实践，介绍了首套国产40000m3/h空分装置的仪表配置：一次仪表如EJA变送器、铂热电阻、调节阀、分析仪等的配置，DCS系统采用了EMERSON公司的DeltaV系统；说明了在DCS中实现的主要控制功能如空压机组的性能调节和防喘振控制，分子筛的顺序控制，低温液体泵的自启动，压缩机组启动的控制，联锁停车保护等；阐述了试车时出现的问题，提出改进的方案。本套装置自投产以来运行安全可靠证明了控制系统具有先进性和可靠性，配置是值得推广的。 关键词：空分装置；现场总线；防喘振控制；顺序控制；串行通讯 中图分类号： Auto-control System And Its Application For First Set Of Localized-producing 40,000Nm3/h Air Separation Uint YANG ZHENG 1; WEI YI DONG2 (1 YELLOW RIVER CONSERVANCY TECHNICAL INSTITUTE,KAIFENG ,475000 2 KAIFENG AIR SEPARATION GROUP CO.LTD,KAIFENG ,475000) Abstract: Based on the installation and commission practices, it depicts in this thesis the instrument configuration of the first set of localized-producing 40,000Nm3/h air separation unit: primary instruments such as EJA transducer, Pt thermo-resistance, regulation valve and analyzer etc；DCS system adopts the Delta system produced by EMERSON company which explains the main control functions realized in the DCS system including the performance regulations of the air compressors unit, anti-surge control, sequence-control of mole-sieve, automatic start-up of cryogenic liquid pump, start-up control of compressor unit, interlock shut-down safeguards etc; this thesis also expounds the problems occurred in the trial run and the amelioration schemes. Since it has been put into use, the operation is always safe and reliable which proves the up-to-date and reliability of this configuration. Keywords: Air separation plant; Field bus; Antisurge control; Sequence control; Series communication 目前国内市场对大型空分设备的需求日益旺盛，而大型空分装置长期依赖进口，为提高国家基础设施的科技装备水平、提高大型空分的竞争力，开封空分集团有限公司在国内首先研制开发了KDON-40000/45850空分装置，并于2004年9月在德州华鲁恒升公司一次试车成功，创建了我国生产大型空分装置的先河。 为该设备配套的空压机组采用沈阳鼓风机厂生产的空压机与增压机组合在一起的复合式空压机组，由汽轮机拖动；氮压机组亦使用该厂产品。 除压缩机组的一次仪表由设备厂家自带，空分装置所配仪表及控制系统的软件设计和调试由开封空分集团有限公司完成。本套装置工艺复杂、各子系统间联系紧密、设备风险大，因此要求控制系统稳定可靠、操作方便、自动化程度高。 1、控制系统的构成与配置 1.1 一次仪表的配置 本套空分装置所用到的仪表主要有： 变送器采用基于HART协议的EJA系列智能变送器； 温度测量采用铂热电阻，另配有多个安装于设备旁的现场总线设备848T（848 Field bus Temperature Device），每个848T可连接8个铂热电阻或热电偶，并将铂热电阻信号转换成Field bus标准的数字信号。 大口径气体流量测量采用一体化阿牛巴流量计，阿牛巴阻力小，多参数变送器有温度压力补偿功能，可同时输出质量流量、体积流量、压力、温度信号；低温液体及小口径气体流量测量采用涡街流量计。 为保证装置长期稳定运行、减少故障停车频率，要求调节阀尤其是低温调节阀必须质量可靠、性能稳定，为此，冷箱内低温调节阀采用SAMSON产品，其阀芯、阀座为冷箱外顶部抽取式，可在冷箱外完成阀芯、阀座的更换维修，其高效长寿的金属波纹管可有效防止冷箱内冷量外泄；调节碟阀采用KEYSTONE公司产品，调节球阀采用KSB公司调节阀，其他常温调节阀采用无锡工装产品，所有的阀门定位器都支持HART协议，通过手操器可对调节阀进行调试和故障诊断。 本装置共配置了17台分析仪，除二氧化碳、氧气、氮气、氩气、水等分析仪外，还配置了碳氢化合物分析仪、氮氧化物分析仪等，可随时了解液氧中杂质含量，防止杂质超限危及设备安全，实时检测总碳氢、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、NO和NO2等含量，并传送至DCS进行显示和报警。 本套装置采用两台膨胀机，一台用阿特拉斯的膨胀机，其控制方案由随设备带的PLC中完成，通过Profi-bus通讯协议与DCS连接，在DCS中完成数据的监测和控制；另一台由开封空分集团自主生产，测控点进DCS进行监控。 1.2 DCS系统 DCS系统采用了EMERSON公司的DeltaV系统，DeltaV系统工作站分为四种：（1）Professional PLUS工程师站。建立全局数据库，进行系统组态，诊断，系统仿真；（2）Professional工程师站。进行系统组态，诊断，系统仿真；（3）操作员工作站。对生产过程参数进行在线监视和操作；（4）应用工作站。支持DeltaV系统与其他网络通讯。 本空分装置共配置了四台操作员工作站和一台Professional工程师站，两台操作员工作站用于监控压缩机组，置于压缩机组机组室，其余三台用于监控空分装置，置于主控室。全厂公用一台Professional PLUS工程师站。 两台控制器置于压缩机组控制室，一台控制器用来实现空分装置的控制，一台控制器实现压缩机（包括空压机组和氮压机组）的控制。 控制器及其电源均采用冗余结构；AO卡件及重要的AI卡件采用冗余卡件，AO及AI采用智能HART I/O卡件，可在工程师站利用智能设备管理系统（AMS）对现场智能设备进行检测；使用一块串行通讯卡同时与压缩机组的两台3500测振仪、膨胀机PLC控制器通讯，通讯采用RS-485接口、MODBUS RTU协议；另配置两块基金会现场总线接口卡（H1），每块H1卡有两个接口，每个接口最多可连接16个现场总线设备，这样，所有的铂热电阻都通过848T连接到控制器，减少了布线。I/O卡件采用8通道分散设计，且每一通道均与现场隔离，所有卡件均可带电插拔。 控制网络采用以10/100M以太网为基础的双重化冗余配置，所有工作站和控制器都通过冗余配置的集线器连接在一起，两控制室间通过光纤连接，系统扩展非常方便。 图1：DCS系统配置图 2、控制功能主要内容 2.1空压机组性能调节 空压机组性能调节有两个手段，即调节汽轮机转速或调节入口导叶（或阀门），根据空分工艺要求，空压机和增压机出口压力都要稳定，因此用空压机出口压力和增压机出口压力调节器的高选信号送到505调速器来调节汽轮机转速，而入口导叶（或阀门）采用恒压控制（也可用恒流控制）。空压机和增压机压力调节器同时作用，谁的输出值大，谁的信号就优先选择送到505调速器，在运行时，由于各种因素的影响，这两个压力很难在同一设计转速下达到完全匹配，会出现一个机组的压力达到设定值，而另一个机组的压力低于设定值。在升速过程中，使机组入口导叶与入口阀门处于全开状态，待机组稳定后，另一个不满足性能要求的机组通过调节入口导叶或入口阀门来满足性能要求，调节其压力稳定到设定值。 2.2防喘振控制 在机组运行过程中，如果操作不当或设备故障，就可能造成压缩机喘振，使压缩机管网系统的气流周期性振荡，压缩机性能恶化，压力、流量大幅波动，甚至造成压缩机损坏。防喘振控制就是要使压缩机的压缩比无论是多少，都要保证压缩机的吸入流量比喘振流量大，这样，才能保证压缩机稳定运行。 防喘振回路采用可变极限流量防喘振控制方案，根据压缩机的入口压力、出口压力、入口流量组成防喘振控制算法。由于空压机的流量安装在出口位置，为消除四季空气温度变化对空压机喘振线的影响，增加机组进口温度、出口温度参与防喘振控制。 如图所示，防喘振算法采用Pd/Ps~H/Ps算法，H为流量孔板的差压，Ps为进口压力，Pd为出口压力，SL为喘振线，SCL为防喘振线，RAMP为快开线。喘振线和防喘振线之间的裕度可在5～8%之间调整，喘振线和快开线之间的裕度可在4～6％之间调整。所有的防喘振回路在DCS上都能显示出喘振线、防喘振线、快开线、工作点、控制点的位置，并能随着工况的变化而动态变化，使操作人员对目前机组的运行参数一目了然，便于及时调整。 图2：防喘振控制图 为保证压缩机安全运行，在防喘振程序中采取了以下措施。 A．采用折线函数，使喘振线的设置更为精确。 B．防喘振线自动移动功能。机组经过长时间的运转，实际喘振线可能会发生变动，或是由于安全界限不当等原因，都会引起喘振，当系统检测到工作点已跨过喘振线，表明喘振已经发生，这时，防喘振程序会自动调整防喘振线，按固定比例（或固定间距）向右移动，并成为新的防喘振线，在DCS上动态显示出来。每测得一次喘振，防喘振线向右移动一次， DCS上记录喘振次数，但是，移动的次数小于指定的最大次数，也可人为的把防喘振线复位到初始位置。 C．快开慢关功能。当防喘振调节器输出信号是开大调节阀时，迅速打开防喘振阀，防止喘振发生，当喘振现象消失，工作点在防喘振线右侧，使防喘振阀按固定速率缓慢关闭（慢关速率可在线调整），避免由于快速关闭造成系统不稳定，也有利于重新调整转速，形成新的工况。