摘要：以140萬t/a催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組所采用的ESD（緊急停車）系統(tǒng)為例，介紹了ESD系統(tǒng)的功能特點(diǎn)、軟硬件配置以及在連鎖控制和防喘振控制等方面的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：軸流式壓縮機(jī) 緊急停車系統(tǒng) 連鎖控制 防喘振
中圖分類號(hào)：TE646 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：1006-8155（2005）05-0054-04
Abstract: Take ESD in Main fan unit of 1,400,000t/a FCCU as an example, the function and characteristics of ESD system, software and hardware configuration, application on interlock control and anti-surge control are introduced.
Keywords: Axial compressor Emergency shutdown system Interlock control Anti-surge
1 引言
催化裂化裝置是煉油廠原油二次加工環(huán)節(jié)的重要裝置，主風(fēng)機(jī)組是催化裂化裝置最關(guān)鍵的設(shè)備，主風(fēng)機(jī)組向再生器底部輸送空氣，使再生器和反應(yīng)器內(nèi)的催化劑處于流化循環(huán)狀態(tài)，以滿足催化裂化反應(yīng)的需要。如果主風(fēng)機(jī)組停運(yùn)，催化裂化反應(yīng)也將被迫停止，因此主風(fēng)機(jī)組的的運(yùn)行狀況直接影響著整個(gè)催化裂化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
主風(fēng)機(jī)組的重要性和操作控制的復(fù)雜性決定了必須得采用高可靠性的ESD系統(tǒng)來進(jìn)行連鎖保護(hù)控制。ESD（Emergency Shut Down system）即緊急停車系統(tǒng)，是應(yīng)用于工業(yè)過程的一種安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)ιa(chǎn)過程中可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取措施將會(huì)繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行迅速地響應(yīng)和保護(hù)。吉林石化公司煉油廠140萬t/a催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組采用的是美國(guó)Triconex公司的TRICON緊急停車系統(tǒng)。
2 ESD系統(tǒng)介紹
TRICON ESD是美國(guó)Triconex公司開發(fā)的一種以微處理器為核心，由高可靠性硬件組成，具有高速處理能力、強(qiáng)大的控制功能以及方便、靈活的組態(tài)編程功能的邏輯與過程控制系統(tǒng)。
TRICON ESD最顯著的特點(diǎn)是硬件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能（Hardware Implemented Fault Tolerance-HIFT）和三重化模塊冗余結(jié)構(gòu)（Triple Modular Redundancy-TMR）。
HIFT是指ESD通過硬件電路而不是復(fù)雜的軟件算法來實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)和冗余管理功能，與軟件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)相比，它可減少處理器的工作負(fù)荷，而使過程控制功能速度更快，可靠性更高。
TMR是指ESD的關(guān)鍵電路均實(shí)現(xiàn)了三重化，每個(gè)支路都能獨(dú)立地完成控制功能，并可與其它兩個(gè)支路并行工作。3個(gè)獨(dú)立支路的輸出信號(hào)在輸出前要經(jīng)過3取2表決器表決，如果任何一個(gè)支路出現(xiàn)故障，表決器會(huì)自動(dòng)屏蔽從故障支路來的信號(hào)，而輸出經(jīng)過表決后的正確信號(hào)，同時(shí)發(fā)生故障的模塊會(huì)被自動(dòng)檢測(cè)出來，可以進(jìn)行在線修理或更換。確保了ESD運(yùn)行的安全性和可靠性。圖1為TRICON ESD 的三重化硬件冗余結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸入信號(hào)經(jīng)過接線端子板進(jìn)入ESD的輸入模塊后，分成3個(gè)支路，支路彼此之間光電隔離，再通過3條獨(dú)立的通信線路I/O Bus分別送到3個(gè)主處理器參與控制程序運(yùn)算。主處理器在TriBus總線上對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸表決，保證每一個(gè)主處理器使用同樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算。當(dāng)控制程序執(zhí)行后，主處理器分別將處理結(jié)果輸出至輸出模塊，在輸出模塊上再對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行3取2表決，以保證輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。最后，輸出信號(hào)經(jīng)過接線端子板輸出到現(xiàn)場(chǎng)。
由于ESD的每個(gè)支路之間是完全隔離的，任何一條支路出現(xiàn)故障都不會(huì)影響到其它兩個(gè)支路的工作，拆卸和更換失效支路內(nèi)的失效模件都可以在在線狀態(tài)下進(jìn)行，而不必中斷系統(tǒng)運(yùn)行。這樣的硬件結(jié)構(gòu)保證了TRICON ESD具有出色的可靠性和安全性。
3 ESD系統(tǒng)的構(gòu)成
3.1 硬件構(gòu)成
ESD系統(tǒng)由主機(jī)、工程師站/操作站、操作面板以及SOE打印機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 ESD系統(tǒng)構(gòu)成圖
ESD主機(jī)即TRICON控制器，包括主處理器卡、輸入輸出卡、電源卡、通訊卡等。所有卡件安裝在主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架中，這些機(jī)架同電源單元、輔助儀表及接線端子排集成安裝于機(jī)柜中。
工程師站（操作站）選用DELL公司的工業(yè)PC機(jī)，機(jī)內(nèi)裝有系統(tǒng)組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件，兼具儀表工程組態(tài)維護(hù)和生產(chǎn)過程監(jiān)控功能。利用口令登錄的方式實(shí)現(xiàn)兩種操作環(huán)境的轉(zhuǎn)換。工程師站配以太網(wǎng)卡，通過基于TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)與ESD的通訊卡建立雙向數(shù)據(jù)通訊，用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和組態(tài)數(shù)據(jù)的上傳及下裝。
操作面板用于工藝操作及狀態(tài)指示，上面裝有連鎖信號(hào)的投用/切除轉(zhuǎn)換開關(guān)，手動(dòng)操作按鈕以及信號(hào)狀態(tài)指示燈，它與ESD主機(jī)之間通過硬線連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。
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(gè)事件發(fā)生時(shí)，主處理器將變量的當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間作為SOE記錄存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)，SOE記錄由打印機(jī)輸出或轉(zhuǎn)換為SOE•LOG文件存入操作站的硬盤中。SOE記錄按變量狀態(tài)改變時(shí)間的先后順序排列，非常有利于連鎖動(dòng)作后的分析診斷。
3.2 軟件配置
Triconex公司為每套ESD系統(tǒng)都提供了基于bbbbbbs的系統(tǒng)組態(tài)軟件TriStation 1131，該軟件裝在工程師站中，用戶可以利用它進(jìn)行系統(tǒng)硬件配置、定義輸入/輸出點(diǎn)，還可以通過調(diào)用各種功能模塊進(jìn)行控制程序組態(tài)。用戶的組態(tài)程序經(jīng)過編譯后再下裝到TRICON控制器的主處理器中執(zhí)行。該軟件還具有硬件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和仿真功能，可以用來做系統(tǒng)硬件的故障診斷、在線維護(hù)以及控制程序的調(diào)試和模擬試驗(yàn)。
操作站中的監(jiān)控軟件采用的是美國(guó)Inbbblution公司開發(fā)的交互式工控軟件FIX7.0。該軟件功能豐富，可以進(jìn)行工藝圖表組態(tài)，繪制工藝流程圖畫面、控制回路的調(diào)節(jié)畫面、PID參數(shù)整定畫面，建立控制組畫面、趨勢(shì)組畫面和報(bào)警畫面等。FIX7.0還能夠與ESD實(shí)現(xiàn)通訊，ESD中的數(shù)據(jù)可以在FIX7.0的各種畫面中顯示，操作人員也可以通過FIX7.0修改ESD中的部分操作參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控。
4 ESD系統(tǒng)的應(yīng)用
該ESD系統(tǒng)主要完成以下控制功能：
（1）組的啟動(dòng)、停止程序控制；
（2）機(jī)組的停機(jī)連通器鎖保護(hù)程序控制；
（3）機(jī)組的反喘振控制；
（4）潤(rùn)滑油、動(dòng)力油等輔助系統(tǒng)的自動(dòng)控制。
4.1 主風(fēng)機(jī)組的啟動(dòng)程序
圖3為主風(fēng)機(jī)組啟動(dòng)邏輯圖，該圖由FIX7.0軟件繪制并在操作站上顯示，直觀地表現(xiàn)了機(jī)組啟動(dòng)過程中的每一個(gè)主要控制點(diǎn)的狀態(tài)，操作人員可以據(jù)此進(jìn)行機(jī)組啟動(dòng)的操作。下面結(jié)合主風(fēng)機(jī)組的啟動(dòng)邏輯圖，介紹主風(fēng)機(jī)組的啟動(dòng)程序。
（1）當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，首先按下操作臺(tái)上的“緊急停車復(fù)位”按鈕，“自緊急停車”指示燈亮，經(jīng)過延時(shí)900s后，“預(yù)啟動(dòng)安全檢查可進(jìn)行”指示燈變?yōu)榫G色，表明預(yù)啟動(dòng)檢查可進(jìn)行。
（2）操作人員按下操作面板上的“預(yù)啟動(dòng)檢查”按鈕后，煙機(jī)入口閘閥關(guān)閉，煙機(jī)入口蝶閥關(guān)閉，風(fēng)機(jī)出口止回閥關(guān)閉，風(fēng)機(jī)放空閥打開，風(fēng)機(jī)靜葉角度關(guān)閉至最小，程序自動(dòng)檢查各個(gè)啟動(dòng)條件是否滿足；各啟動(dòng)條件如圖3所示，若某一個(gè)條件滿足，則相應(yīng)的指示燈變?yōu)榫G色，所有啟動(dòng)條件滿足后，“啟動(dòng)待命-電機(jī)可合閘” 指示燈變?yōu)榫G色。
（3）這時(shí)操作人員可以按下操作面板上的“電機(jī)合閘”按鈕，電機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的97%時(shí)，“轉(zhuǎn)速>97%NE” 指示燈變?yōu)榫G色，電氣主斷路器閉合后，“斷路器閉合”指示燈變?yōu)榫G色，這時(shí)，“主電機(jī)合閘”指示燈亮，表明主電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行正常；再延時(shí)300s后，“自動(dòng)操作可進(jìn)行” 指示燈亮。
（4）按下“自動(dòng)操作”按鈕后，“自動(dòng)操作” 指示燈亮，機(jī)組便進(jìn)入“自動(dòng)”運(yùn)行狀態(tài)，煙機(jī)蝶閥投入自動(dòng)控制，風(fēng)機(jī)出口止回閥打開，風(fēng)機(jī)放空閥由防喘振調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制，風(fēng)機(jī)靜葉伺服控制器投入控制，風(fēng)機(jī)開始向再生器送風(fēng)。至此，機(jī)組的啟動(dòng)過程全部完成。
可以看出，在操作站中設(shè)立邏輯控制圖是ESD應(yīng)用的一大特點(diǎn)，邏輯控制圖的設(shè)立方便了生產(chǎn)操作，成為ESD系統(tǒng)監(jiān)控的重要手段。
4.2 主風(fēng)機(jī)反喘振控制
催化裂化裝置的主風(fēng)機(jī)組采用煙機(jī)-軸流式主風(fēng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的配置，而喘振是軸流式壓縮機(jī)的固有特性，因此主風(fēng)機(jī)必須要有防喘振措施。催化主風(fēng)機(jī)的防喘振控制也是通過TRICON ESD實(shí)現(xiàn)的，圖4為防喘振控制系統(tǒng)原理圖。
TRICON ESD提供專門的防喘振控制模塊，用戶在TriStation 1131系統(tǒng)軟件環(huán)境下的控制程序組態(tài)中可以利用和調(diào)用這些模塊，并將主風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力、溫度、流量和出口壓力、溫度等過程變量輸入到模塊中，在模塊中進(jìn)行喘振線、喘振點(diǎn)和工作點(diǎn)的計(jì)算。防喘振控制的原理方程式為
Δp0=K×Δp C0/T0×f(a)+b
式中 Δp 0——主風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量（進(jìn)口喉部差壓）
K——計(jì)算常數(shù)
Δp C0——主風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口壓差
T0——進(jìn)口溫度
B——設(shè)置反喘振安全裕度設(shè)定值
f(a)——靜葉角度相對(duì)應(yīng)函數(shù)
操作站中的FIX7.0軟件可以讀取這些數(shù)據(jù)，并做出喘振線和防喘振調(diào)節(jié)畫面，使操作人員可以直觀地監(jiān)控防喘振調(diào)節(jié)狀態(tài)。
在主風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，防喘振控制系統(tǒng)可以根據(jù)工作點(diǎn)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)防喘振閥的開度，使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線，當(dāng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，系統(tǒng)控制防喘振閥快速打開，避免主風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)防喘振目的。
4.3 機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控
TRICON ESD不僅可以完成連鎖邏輯控制，還能夠提供PID等常規(guī)過程控制模塊，實(shí)現(xiàn)同集散系統(tǒng)（DCS）相同的連續(xù)過程控制功能。以往多數(shù)ESD、PLC系統(tǒng)很少應(yīng)用其過程控制功能，其實(shí)這也是一種資源浪費(fèi)，由于ESD運(yùn)算速度比DCS快，而且可靠性、安全性更高，所以一些重要崗位的過程控制用ESD實(shí)現(xiàn)效果會(huì)更好。
該主風(fēng)機(jī)組所有的連續(xù)控制回路以及顯示回路均由ESD實(shí)現(xiàn)，主要包括：潤(rùn)滑油、動(dòng)力油壓力和溫度顯示調(diào)節(jié)回路；煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽溫度調(diào)節(jié)回路；主風(fēng)機(jī)進(jìn)/出口流量、壓力、溫度顯示回路等。在操作站中的流程圖畫面上可以顯示各參數(shù)，通過控制回路的調(diào)節(jié)棒圖、PID參數(shù)畫面分別調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和整定PID參數(shù)，趨勢(shì)組畫面和報(bào)警畫面分別提供了一段時(shí)間內(nèi)工藝參數(shù)的趨勢(shì)記錄和實(shí)時(shí)報(bào)警信息等。這些畫面可保證操作人員更有效地監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行。
5 結(jié)束語
催化裝置主風(fēng)機(jī)組的ESD系統(tǒng)自2002年7月投用以來，運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠，沒有出現(xiàn)由于自身故障影響生產(chǎn)的情況，它所實(shí)現(xiàn)的各種控制功能也得到了工藝操作人員的好評(píng)，為機(jī)組和裝置的安全運(yùn)行提供了可靠的保障，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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