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摘要：基于安裝及調(diào)試過程的實踐，介紹了首套國產(chǎn)40000m3/h空分裝置的儀表配置：一次儀表如EJA變送器、鉑熱電阻、調(diào)節(jié)閥、分析儀等的配置，DCS系統(tǒng)采用了EMERSON公司的DeltaV系統(tǒng)；說明了在DCS中實現(xiàn)的主要控制功能如空壓機(jī)組的性能調(diào)節(jié)和防喘振控制，分子篩的順序控制，低溫液體泵的自啟動，壓縮機(jī)組啟動的控制，聯(lián)鎖停車保護(hù)等；闡述了試車時出現(xiàn)的問題，提出改進(jìn)的方案。本套裝置自投產(chǎn)以來運(yùn)行安全可靠證明了控制系統(tǒng)具有先進(jìn)性和可靠性，配置是值得推廣的。

關(guān)鍵詞：空分裝置；現(xiàn)場總線；防喘振控制；順序控制；串行通訊
中圖分類號：
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 perbbbbance 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

目前國內(nèi)市場對大型空分設(shè)備的需求日益旺盛，而大型空分裝置長期依賴進(jìn)口，為提高國家基礎(chǔ)設(shè)施的科技裝備水平、提高大型空分的競爭力，開封空分集團(tuán)有限公司在國內(nèi)首先研制開發(fā)了KDON-40000/45850空分裝置，并于2004年9月在德州華魯恒升公司一次試車成功，創(chuàng)建了我國生產(chǎn)大型空分裝置的先河。
為該設(shè)備配套的空壓機(jī)組采用沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的空壓機(jī)與增壓機(jī)組合在一起的復(fù)合式空壓機(jī)組，由汽輪機(jī)拖動；氮壓機(jī)組亦使用該廠產(chǎn)品。

除壓縮機(jī)組的一次儀表由設(shè)備廠家自帶，空分裝置所配儀表及控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和調(diào)試由開封空分集團(tuán)有限公司完成。本套裝置工藝復(fù)雜、各子系統(tǒng)間聯(lián)系緊密、設(shè)備風(fēng)險大，因此要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作方便、自動化程度高。

1、控制系統(tǒng)的構(gòu)成與配置
1.1 一次儀表的配置
本套空分裝置所用到的儀表主要有：
變送器采用基于HART協(xié)議的EJA系列智能變送器；
溫度測量采用鉑熱電阻，另配有多個安裝于設(shè)備旁的現(xiàn)場總線設(shè)備848T（848 Field bus Temperature Device），每個848T可連接8個鉑熱電阻或熱電偶，并將鉑熱電阻信號轉(zhuǎn)換成Field bus標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號。
大口徑氣體流量測量采用一體化阿牛巴流量計，阿牛巴阻力小，多參數(shù)變送器有溫度壓力補(bǔ)償功能，可同時輸出質(zhì)量流量、體積流量、壓力、溫度信號；低溫液體及小口徑氣體流量測量采用渦街流量計。
為保證裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行、減少故障停車頻率，要求調(diào)節(jié)閥尤其是低溫調(diào)節(jié)閥必須質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定，為此，冷箱內(nèi)低溫調(diào)節(jié)閥采用SAMSON產(chǎn)品，其閥芯、閥座為冷箱外頂部抽取式，可在冷箱外完成閥芯、閥座的更換維修，其高效長壽的金屬波紋管可有效防止冷箱內(nèi)冷量外泄；調(diào)節(jié)碟閥采用KEYSTONE公司產(chǎn)品，調(diào)節(jié)球閥采用KSB公司調(diào)節(jié)閥，其他常溫調(diào)節(jié)閥采用無錫工裝產(chǎn)品，所有的閥門定位器都支持HART協(xié)議，通過手操器可對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)試和故障診斷。

本裝置共配置了17臺分析儀，除二氧化碳、氧氣、氮?dú)狻鍤?、水等分析儀外，還配置了碳?xì)浠衔锓治鰞x、氮氧化物分析儀等，可隨時了解液氧中雜質(zhì)含量，防止雜質(zhì)超限危及設(shè)備安全，實時檢測總碳?xì)?、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、NO和NO2等含量，并傳送至DCS進(jìn)行顯示和報警。

本套裝置采用兩臺膨脹機(jī)，一臺用阿特拉斯的膨脹機(jī)，其控制方案由隨設(shè)備帶的PLC中完成，通過Profi-bus通訊協(xié)議與DCS連接，在DCS中完成數(shù)據(jù)的監(jiān)測和控制；另一臺由開封空分集團(tuán)自主生產(chǎn)，測控點(diǎn)進(jìn)DCS進(jìn)行監(jiān)控。

1.2 DCS系統(tǒng)
DCS系統(tǒng)采用了EMERSON公司的DeltaV系統(tǒng)，DeltaV系統(tǒng)工作站分為四種：（1）Professional PLUS工程師站。建立全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，診斷，系統(tǒng)仿真；（2）Professional工程師站。進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，診斷，系統(tǒng)仿真；（3）操作員工作站。對生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)視和操作；（4）應(yīng)用工作站。支持DeltaV系統(tǒng)與其他網(wǎng)絡(luò)通訊。
本空分裝置共配置了四臺操作員工作站和一臺Professional工程師站，兩臺操作員工作站用于監(jiān)控壓縮機(jī)組，置于壓縮機(jī)組機(jī)組室，其余三臺用于監(jiān)控空分裝置，置于主控室。全廠公用一臺Professional PLUS工程師站。
兩臺控制器置于壓縮機(jī)組控制室，一臺控制器用來實現(xiàn)空分裝置的控制，一臺控制器實現(xiàn)壓縮機(jī)（包括空壓機(jī)組和氮壓機(jī)組）的控制。
控制器及其電源均采用冗余結(jié)構(gòu)；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，可在工程師站利用智能設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）對現(xiàn)場智能設(shè)備進(jìn)行檢測；使用一塊串行通訊卡同時與壓縮機(jī)組的兩臺3500測振儀、膨脹機(jī)PLC控制器通訊，通訊采用RS-485接口、MODBUS RTU協(xié)議；另配置兩塊基金會現(xiàn)場總線接口卡（H1），每塊H1卡有兩個接口，每個接口最多可連接16個現(xiàn)場總線設(shè)備，這樣，所有的鉑熱電阻都通過848T連接到控制器，減少了布線。I/O卡件采用8通道分散設(shè)計，且每一通道均與現(xiàn)場隔離，所有卡件均可帶電插拔。
控制網(wǎng)絡(luò)采用以10/100M以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的雙重化冗余配置，所有工作站和控制器都通過冗余配置的集線器連接在一起，兩控制室間通過光纖連接，系統(tǒng)擴(kuò)展非常方便。












圖1：DCS系統(tǒng)配置圖

2、控制功能主要內(nèi)容
2.1空壓機(jī)組性能調(diào)節(jié)
空壓機(jī)組性能調(diào)節(jié)有兩個手段，即調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)入口導(dǎo)葉（或閥門），根據(jù)空分工藝要求，空壓機(jī)和增壓機(jī)出口壓力都要穩(wěn)定，因此用空壓機(jī)出口壓力和增壓機(jī)出口壓力調(diào)節(jié)器的高選信號送到505調(diào)速器來調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，而入口導(dǎo)葉（或閥門）采用恒壓控制（也可用恒流控制）。空壓機(jī)和增壓機(jī)壓力調(diào)節(jié)器同時作用，誰的輸出值大，誰的信號就優(yōu)先選擇送到505調(diào)速器，在運(yùn)行時，由于各種因素的影響，這兩個壓力很難在同一設(shè)計轉(zhuǎn)速下達(dá)到完全匹配，會出現(xiàn)一個機(jī)組的壓力達(dá)到設(shè)定值，而另一個機(jī)組的壓力低于設(shè)定值。在升速過程中，使機(jī)組入口導(dǎo)葉與入口閥門處于全開狀態(tài)，待機(jī)組穩(wěn)定后，另一個不滿足性能要求的機(jī)組通過調(diào)節(jié)入口導(dǎo)葉或入口閥門來滿足性能要求，調(diào)節(jié)其壓力穩(wěn)定到設(shè)定值。

2.2防喘振控制
在機(jī)組運(yùn)行過程中，如果操作不當(dāng)或設(shè)備故障，就可能造成壓縮機(jī)喘振，使壓縮機(jī)管網(wǎng)系統(tǒng)的氣流周期性振蕩，壓縮機(jī)性能惡化，壓力、流量大幅波動，甚至造成壓縮機(jī)損壞。防喘振控制就是要使壓縮機(jī)的壓縮比無論是多少，都要保證壓縮機(jī)的吸入流量比喘振流量大，這樣，才能保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。
防喘振回路采用可變極限流量防喘振控制方案，根據(jù)壓縮機(jī)的入口壓力、出口壓力、入口流量組成防喘振控制算法。由于空壓機(jī)的流量安裝在出口位置，為消除四季空氣溫度變化對空壓機(jī)喘振線的影響，增加機(jī)組進(jìn)口溫度、出口溫度參與防喘振控制。
如圖所示，防喘振算法采用Pd/Ps~H/Ps算法，H為流量孔板的差壓，Ps為進(jìn)口壓力，Pd為出口壓力，SL為喘振線，SCL為防喘振線，RAMP為快開線。喘振線和防喘振線之間的裕度可在5～8%之間調(diào)整，喘振線和快開線之間的裕度可在4～6％之間調(diào)整。所有的防喘振回路在DCS上都能顯示出喘振線、防喘振線、快開線、工作點(diǎn)、控制點(diǎn)的位置，并能隨著工況的變化而動態(tài)變化，使操作人員對目前機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)一目了然，便于及時調(diào)整。



















圖2：防喘振控制圖

為保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行，在防喘振程序中采取了以下措施。
A．采用折線函數(shù)，使喘振線的設(shè)置更為精確。
B．防喘振線自動移動功能。機(jī)組經(jīng)過長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)，實際喘振線可能會發(fā)生變動，或是由于安全界限不當(dāng)?shù)仍颍紩鸫?，?dāng)系統(tǒng)檢測到工作點(diǎn)已跨過喘振線，表明喘振已經(jīng)發(fā)生，這時，防喘振程序會自動調(diào)整防喘振線，按固定比例（或固定間距）向右移動，并成為新的防喘振線，在DCS上動態(tài)顯示出來。每測得一次喘振，防喘振線向右移動一次， DCS上記錄喘振次數(shù)，但是，移動的次數(shù)小于指定的最大次數(shù)，也可人為的把防喘振線復(fù)位到初始位置。
C．快開慢關(guān)功能。當(dāng)防喘振調(diào)節(jié)器輸出信號是開大調(diào)節(jié)閥時，迅速打開防喘振閥，防止喘振發(fā)生，當(dāng)喘振現(xiàn)象消失，工作點(diǎn)在防喘振線右側(cè)，使防喘振閥按固定速率緩慢關(guān)閉（慢關(guān)速率可在線調(diào)整），避免由于快速關(guān)閉造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，也有利于重新調(diào)整轉(zhuǎn)速，形成新的工況。
D．適配增益功能。工作點(diǎn)在喘振線左側(cè)時，給定一個適當(dāng)?shù)脑鲆妫诖窬€右側(cè)時，減小比例項的作用，該功能與快開慢關(guān)功能一起作用能有效地防止喘振的發(fā)生。
E．徘徊控制功能。系統(tǒng)檢測到壓力、流量、溫度等信號發(fā)生較大變化，致使工作點(diǎn)向左移動，則控制點(diǎn)也向左移動，如果工作點(diǎn)移動速度大于控制點(diǎn)移動速度，防喘振程序?qū)⒀杆俅蜷_回流閥，調(diào)整工作點(diǎn)到在安全區(qū)域；如果工作點(diǎn)仍向左移動超過防喘振線，則控制點(diǎn)將固定在防喘振線上，程序?qū)⒁恢贝蜷_回流閥，直到工作點(diǎn)工作在安全區(qū)域。
F．按比例控制的快開功能。當(dāng)防喘振調(diào)節(jié)器不能滿足要求，工作點(diǎn)向左移動到快開線，該功能開始起作用，強(qiáng)制打開回流閥到預(yù)定開度，當(dāng)工作點(diǎn)移動到喘振線時，全開回流閥。該功能為純比例控制，與其他功能塊高選后直接作用于回流閥。
G．手動控制。分為完全手動控制和部分手動控制，在完全手動控制時，防喘振程序不起作用，可以強(qiáng)制回流閥全開、全關(guān)，方便調(diào)試時使用。在正常操作時，部分手動控制起作用，操作員可以打開回流閥，如果手動關(guān)閥信號小于其他功能塊的信號，手動關(guān)閥信號不起作用。

2.3 分子篩的順序控制
分子篩用來除去空氣中的CO2、水分、碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)，分子篩吸附效果的好壞，直接影響著空分裝置能否安全運(yùn)行；分子篩切換時，空氣壓力及再生氣量的波動影響分餾塔的穩(wěn)定，甚至?xí)箍辗盅b置的工況嚴(yán)重惡化，造成氬系統(tǒng)氮塞，因此順控程序著重解決的就是保證分子篩充分再生、減小切換時空氣壓力的波動、穩(wěn)定再生氣量、減少切換頻率。
基于以上目的，根據(jù)分子篩后空氣中CO2的含量、加熱的最終溫度、冷吹的最終溫度、分子篩壓力等參數(shù)，順控程序自動調(diào)整吸附周期，在確保分子篩能正常工作的前提下，盡可能延長吸附時間，減少切換次數(shù)，給另一臺分子篩足夠的再生時間，使其充分加溫和冷吹，并保證分子篩后的空氣溫度和CO2含量在切換時也不會升高。在分子篩運(yùn)行過程中，一旦CO2含量超限，順控程序會快速地按步驟切換到另一臺分子篩吸附，而原分子篩進(jìn)行再生，同時，改變吸附周期。
分子篩進(jìn)行均壓時，用兩分子篩的壓差來控制均壓調(diào)節(jié)閥，采用壓差和時間的定斜率調(diào)節(jié)方式，使兩分子篩壓差按線性下降，運(yùn)行結(jié)果證明，均壓時，分子篩后壓力最多下降6kPa（在均壓閥動作滯后的情況下），如果調(diào)節(jié)閥動作不滯后或適當(dāng)延長均壓時間，壓力會更穩(wěn)定。分子篩泄壓時，采用分子篩壓力和時間的定斜率調(diào)節(jié)方法控制泄壓調(diào)節(jié)閥，效果也很好。
對再生氣流量的控制采用流量和壓力的串級調(diào)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)器作為副調(diào)節(jié)器，流量調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，即穩(wěn)定了再生氣流量，又使再生氣壓力相對穩(wěn)定。
順控程序還設(shè)置了其它功能：所有的切換閥均有手動/自動功能，在自動時，由順控程序決定閥門的開或關(guān)，在手動時，可人為開關(guān)閥門，不受程序影響；程序的手動/自動暫停功能；閥門故障報警功能及故障時暫停程序功能；程序運(yùn)行步驟的手動切換功能；手動修改吸附時間功能等。這些功能能有效保護(hù)分子篩的安全，同時為操作人員的操作提供了的方便。

2.4低溫液體泵的自啟動
空分裝置中共設(shè)置了6臺低溫液體泵，每兩個為一組，一用一備。正常時。主泵運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速，保證液體的輸送，備用泵以低速運(yùn)轉(zhuǎn)，作為冷態(tài)備用；程序自動區(qū)分主泵和備用泵，當(dāng)主泵出現(xiàn)故障時，備用泵自動轉(zhuǎn)為主泵，按預(yù)定方式在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，原主泵停止運(yùn)行，從而保證液體的連續(xù)輸送，穩(wěn)定空分工況。

2.5 壓縮機(jī)組啟動的控制
設(shè)置啟動條件是為了保證壓縮機(jī)組安全的啟動，當(dāng)全部工藝條件滿足后，系統(tǒng)發(fā)出“允許啟動”命令，否則無法開機(jī)；當(dāng)啟動條件滿足時，DCS畫面上提示“允許啟動”，此時，可以從505調(diào)速器啟動汽輪機(jī)，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時，可以將汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制權(quán)交給DCS自動調(diào)速。

2.6 聯(lián)鎖停車保護(hù)
在設(shè)備運(yùn)行過程中，出現(xiàn)任何一個工藝參數(shù)越限，說明設(shè)備可能將出現(xiàn)故障，為防止事故的發(fā)生，保護(hù)設(shè)備安全，將緊急停止該設(shè)備甚至整個裝置。
空分裝置各子系統(tǒng)間互相關(guān)聯(lián)，每一個子系統(tǒng)內(nèi)也又多臺單體設(shè)備，任何一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都會使空分裝置不能正常運(yùn)行，因此，不但要為各子系統(tǒng)內(nèi)的單體設(shè)備設(shè)置聯(lián)鎖邏輯，還要從整個空分裝置的安全出發(fā)，在各子系統(tǒng)間設(shè)置聯(lián)鎖關(guān)系，（子下塔包括：空壓機(jī)組、預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩系統(tǒng)、膨脹機(jī)、分餾塔系統(tǒng)和氮壓機(jī)組）；即當(dāng)任何一個子系統(tǒng)的設(shè)備發(fā)生故障時，不但要停止該設(shè)備，還要向相關(guān)的子系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)鎖信號。

3、試車過程中出現(xiàn)的問題
本套空分裝置順利生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，但在試車前后也暴露了一些問題，得到一些經(jīng)驗教訓(xùn)。
首先是控制系統(tǒng)儀表一定要在性能穩(wěn)定、安全可靠的基礎(chǔ)上配置。系統(tǒng)使用了許多現(xiàn)場總線儀表：848T，這種儀表第一次在國內(nèi)使用，開始我們對它的性能不是十分了解，使用結(jié)果表明：該儀表技術(shù)含量高，為安裝和檢測帶來了許多方便，但是對測量信號的滯后時間比較長，抗震性能差，有數(shù)塊848T在運(yùn)行時損壞，雖然供貨廠家答應(yīng)免費(fèi)更換，但對設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行畢竟是一個隱患。
由于管道直徑越大，選用的鉑熱電阻就越長，其抗震性能就越差，結(jié)果是安裝在大口徑管道上的鉑熱電阻多次被震斷。對于重要的溫度測點(diǎn)，出現(xiàn)這種事故是極具破壞性的，如測量空壓機(jī)出口溫度的鉑熱電阻數(shù)次震斷，造成防喘振程序誤以為空壓機(jī)發(fā)生喘振，迅速打開了放空閥，使空分裝置不能正常運(yùn)行。對于安裝在高壓和大口徑管道上的鉑熱電阻，如果能在安裝時加裝套管，可以減少事故的發(fā)生。
有些進(jìn)口的調(diào)節(jié)閥在使用時也出現(xiàn)不應(yīng)該出現(xiàn)的問題，采用的KSB公司的調(diào)節(jié)閥在調(diào)試初期，就發(fā)現(xiàn)定位器嚴(yán)重滯后、線性很差，從全關(guān)到全開竟然用時達(dá)4分鐘，后來增加了氣動放大器，但仍沒有完全解決滯后現(xiàn)象。在調(diào)節(jié)閥訂貨時，就必須注意這些問題。

結(jié)束語：與進(jìn)口空分裝置相比，國內(nèi)空分裝置所配置的一次儀表的質(zhì)量較以前大為提高，尤其是DCS系統(tǒng)的使用使得控制系統(tǒng)在硬件方面已不遜色于進(jìn)口裝置，但在軟件方面還有不少差距，主要控制變量之間難以用數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)出來，控制方案還不夠全面，對于空分裝置的保護(hù)在認(rèn)識上比較粗略，在DCS上實現(xiàn)全自動化有很大困難。為解決這一難題，必須完善控制策略或使用先進(jìn)控制軟件，實現(xiàn)空分裝置的最佳控制。