50萬(wàn)噸催化柴油加氫裝置及機(jī)組ESD緊急停車系統(tǒng)
1．前言
緊急停車系統(tǒng)ESD，對(duì)石油化工生產(chǎn)裝置或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，使生產(chǎn)裝置進(jìn)入一個(gè)預(yù)定義的安全停車工況，從而使危險(xiǎn)降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設(shè)備、生產(chǎn)和裝置的安全。ESD是適用于高溫、高壓、易燃、易爆等連續(xù)性生產(chǎn)裝置的安全保護(hù)系統(tǒng)，為提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，安全平穩(wěn)、長(zhǎng)周期地連續(xù)生產(chǎn)是至關(guān)重要的。“該動(dòng)則動(dòng)，不該動(dòng)則一定不動(dòng)”是ESD的明顯特征。玉門油田分公司-煉油化工總廠50萬(wàn)噸/年催化柴油加氫改質(zhì)裝置上，對(duì)裝置及機(jī)組ESD緊急聯(lián)鎖停車系統(tǒng)的要求,為了更好地提高機(jī)組控制系統(tǒng)的整體性、可用性、保證機(jī)組控制安全可靠，系統(tǒng)選用了MOORE 公司的QUADLOG雙重化控制系統(tǒng)。
2．系統(tǒng)配置及控制原理
該系統(tǒng)是MOORE于1995年推出的一套專門為安全應(yīng)用場(chǎng)合提供完善解決方案的可編程序電子控制系統(tǒng)，具有獨(dú)特的、很強(qiáng)的自診斷功能，安全級(jí)別高達(dá) TǙV AK6，能夠方便實(shí)現(xiàn)于第三方DCS通訊，基于WINNT平臺(tái)的開(kāi)放系統(tǒng)，把連續(xù)控制、梯形邏輯、順序控制、結(jié)構(gòu)語(yǔ)言放在同一控制軟件包中和安全PLC系統(tǒng)有機(jī)的相連，符合IEC1131國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件。其系統(tǒng)總圖如圖1:
2．1硬件配置及功能說(shuō)明：
工程師站及操作站：選用2臺(tái)DELL工作站作為該裝置的工程師站及操作站，工程師站可以離線和在線組態(tài)、修改、設(shè)置參數(shù)及系統(tǒng)維護(hù)和操作功能，并作為操作站監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)和調(diào)節(jié)操作。
控制器及I/O卡：選用2對(duì)CCM+控制器和17對(duì)I/O卡件（模擬量輸入卡件CAI、開(kāi)關(guān)量輸入輸出卡件CDM、模擬量輸入輸出CAM 熱電阻卡件RTD）組成該控制系統(tǒng)，每種類型I/O卡件具備雙重化冗余容錯(cuò)功能，同時(shí)卡件具備對(duì)故障和信號(hào)出錯(cuò)的鑒別及處理功能，所有I/O卡件還具備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)路及短路等故障的鑒別及處理功能，每種類型卡件均能在線熱插拔和更換，I/O通道和P+F隔離珊與現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)隔離相連。其冗余結(jié)構(gòu)如下圖：
W505控制器：選用杭州汽輪機(jī)廠提供的伍德瓦特505E型控制器，分冷啟動(dòng)和熱機(jī)啟動(dòng)兩種SEQUENCE啟動(dòng)程序，第一階段從零轉(zhuǎn)速上升到暖機(jī)轉(zhuǎn)速，每秒1%的閥位開(kāi)度升速，暖機(jī)1刻種，第二階段IDEL1從暖機(jī)轉(zhuǎn)速上升到3000r/min，升速率10r/s,暖機(jī)1刻種，第三階段IDEL2從3000r/min上升到7810r/min,升速率10r/s，其中轉(zhuǎn)速?gòu)?500r/min 到 6000r/min過(guò)程中以50r/s穿過(guò)極限轉(zhuǎn)速，最后達(dá)到可調(diào)轉(zhuǎn)速，和ESD實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速及聯(lián)鎖保護(hù)，額定轉(zhuǎn)速為10413 r/min。
2．2控制系統(tǒng)功能：
邏輯控制功能主要完成加氫裝置的開(kāi)停車聯(lián)鎖及機(jī)組部份的聯(lián)鎖與控制，具有高可靠性的實(shí)時(shí)故障診斷控制系統(tǒng)和完整的過(guò)程控制聯(lián)鎖功能。采用故障限制原則，使系統(tǒng)采用有效的安全措施將系統(tǒng)硬軟件的故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響限制在最小范圍內(nèi)。該裝置組態(tài)包括：裝置聯(lián)鎖部分、新氫往復(fù)壓縮機(jī)部分、循環(huán)氫蒸汽透平離心壓縮機(jī)部分。
循環(huán)氫壓縮機(jī)控制包括主副油泵的自啟動(dòng)切換，潤(rùn)滑油溫度控制，軸溫度、軸震動(dòng)和軸位移雙重冗余保護(hù)，干氣密封聯(lián)鎖，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，凝汽器水位調(diào)節(jié)以及啟動(dòng)聯(lián)鎖條件等；并設(shè)有手動(dòng)操作臺(tái)裝有該機(jī)組復(fù)位、投自動(dòng)、急停按鈕、運(yùn)行指示和聯(lián)鎖聲光報(bào)警等；潤(rùn)滑油總管壓力采用三取二邏輯聯(lián)鎖，壓縮機(jī)入口壓力采用1oo2D聯(lián)鎖。其部分邏輯功能塊如下：
往復(fù)壓縮機(jī)和進(jìn)料泵以及高壓注水泵主要有油泵控制和軸溫度保護(hù)控制及聯(lián)鎖，部分軸溫度保護(hù)通過(guò)雙支熱電阻冗余到現(xiàn)場(chǎng)。
2．3防喘振控制特點(diǎn)：
壓縮機(jī)都是設(shè)計(jì)在遠(yuǎn)離喘振狀態(tài)下工作的。不過(guò)，操作中以外的變化會(huì)使壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中吸入流量減少到一定值時(shí)，出現(xiàn)一種不穩(wěn)定的工作現(xiàn)象，其吸入流量和出口壓力會(huì)周期低頻率大幅度的波動(dòng)，并引起設(shè)備的強(qiáng)烈震動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為壓縮機(jī)的喘振。每臺(tái)離心式或軸流式壓縮機(jī)都有一個(gè)最大壓頭和最小流量的極限，超過(guò)這個(gè)極限，壓縮機(jī)將會(huì)發(fā)生喘震。
壓縮機(jī)喘振控制在工藝操作過(guò)程視為次要的，但作為壓縮機(jī)的保護(hù)裝置則是主要的，防止這種有害現(xiàn)象發(fā)生是壓縮機(jī)控制系統(tǒng)最重要的任務(wù)之一。為避免喘振，必須改變操作，或者降低出口流體的阻力，或者增加壓縮機(jī)的流量。但喘振往往產(chǎn)生得非?？?因此必須應(yīng)用專門的控制技術(shù)及時(shí)開(kāi)啟喘振閥,來(lái)防止喘振發(fā)生。
要想防止壓縮機(jī)喘振的發(fā)生，就要知道壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)它的喘振點(diǎn)在哪里，才能確定一個(gè)合適的喘振控制裕度，再根據(jù)喘振發(fā)生的特點(diǎn)通過(guò)一些特定的控制來(lái)控制防喘振的發(fā)生，保護(hù)機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行。一般離心式壓縮機(jī)喘振控制系統(tǒng)的基本原理圖見(jiàn)圖3，采用Pd/Ps和C•h/Ps做喘振線，其基本形狀為拋物線，而采用Pd/Ps和（C•h/Ps）2做圖時(shí)得到的喘振線則在工作點(diǎn)附近基本呈直線形狀。
由廠家提供的壓縮機(jī)預(yù)期性能圖和數(shù)據(jù)表得出壓縮機(jī)正常工況下的喘振線如上右圖4，通過(guò)氣體狀態(tài)方程將絕對(duì)狀況曲線轉(zhuǎn)化為實(shí)際狀況曲線。P1 V1/ T1=P2 V2/ T2
由流量與差壓的關(guān)系：Q2=C△h/ρ, ρ= PsM/ZRTi
該機(jī)組喘震線方程為：Pd/Ps=a+b*△h/Ps
式中：Pd——出口壓力，Kpa；Ps——入口壓力，Kpa；C——常數(shù)（由孔板尺寸決定），m2；△h——孔板差壓（與流量的關(guān)系式為Q2=h），Kpa; Ti——入口溫度；Z為壓縮因數(shù)，R為氣體常數(shù)，M為分子量；ρ——密度；a、b為喘振線系數(shù)，由機(jī)組特性決定。
通過(guò)廠家提供的壓縮機(jī)預(yù)期性能圖和數(shù)據(jù)表確定a,b 的值，得到壓縮機(jī)喘振曲線，然后向右移動(dòng)10%的余量，即為壓縮機(jī)的防喘振設(shè)定曲線，構(gòu)成PID壓縮機(jī)防喘振調(diào)節(jié)回路。我廠在實(shí)際的調(diào)試中以5%的余量設(shè)為緊急開(kāi)啟線，然后通過(guò)3次1%的余量調(diào)整的逐步逼近，最后得到近似的實(shí)際喘振線。該喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)最主要的目的是有效地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的流量已滿足各種工藝過(guò)程的操作要求；其次，在各種正常和非正常的工藝條件下保護(hù)壓縮機(jī)也是十分重要的。
2．4過(guò)程控制及SOE功能：
系統(tǒng)帶有SOE功能，I/O卡件給CCM+控制器提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制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)，控制器將變量的當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間協(xié)簽存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)，以便組態(tài)提取事件順序。SOE的識(shí)別時(shí)間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲(chǔ)時(shí)間為不少于6個(gè)月，并可實(shí)時(shí)存貯在硬盤的歷史中，并可通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。
2．5 MODUBUS通訊功能：
CCM+控制器與DCS通過(guò)RS－232/485接口與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，通過(guò)系統(tǒng)組態(tài)，將部分有用的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給DCS，方便車間操作人員通過(guò)DCS監(jiān)視大型機(jī)組的運(yùn)行狀況。
2．5 機(jī)組診斷：
分析壓縮機(jī)機(jī)組故障診斷的特點(diǎn)，對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組引入模糊集合概念和模糊控制思想，通過(guò)維修專家的頭腦中構(gòu)成的故障現(xiàn)象模型，進(jìn)行實(shí)際比較和綜合運(yùn)行情況的評(píng)定，建立壓縮機(jī)機(jī)組故障診斷模型，應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)組控制系統(tǒng)的診斷過(guò)程，能有效的減少人為因素的主觀影響，使得故障診斷準(zhǔn)確、快速。
通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組故障診斷的分解情況，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的基本原理，選定典型故障原因及故障現(xiàn)象，確定為論域。然后分析故障與原因之間的多種對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定各種現(xiàn)象與原因之間的權(quán)系數(shù)，確定模糊關(guān)系矩陣。再通過(guò)系統(tǒng)的組態(tài)，使壓縮機(jī)的診斷系統(tǒng)模塊融入到機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)中間，確保大型機(jī)組安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。
3．總結(jié):
通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組的控制系統(tǒng)的組態(tài)和調(diào)試，以最佳控制方案，使壓縮機(jī)機(jī)組在非滿負(fù)荷的工況下，效率最高，操作范圍寬，設(shè)備安全，具有足夠的靈活性和可靠的防喘振保護(hù)系統(tǒng)。然后通過(guò)熟悉掌握工藝過(guò)程和壓縮機(jī)的操作性能，對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組故障進(jìn)行分析和研究，確定壓縮機(jī)機(jī)組診斷系統(tǒng)，從而使壓縮機(jī)控制系統(tǒng)達(dá)到最佳化和最優(yōu)化。
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