硝酸裝置四合一機(jī)組防喘振控制在SIS中的實(shí)現(xiàn)

錢芝忠 王深濤

（中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部）

中國石油蘭州石化公司化肥廠稀硝酸裝置的四合一機(jī)組為硝酸生產(chǎn)工藝的核心設(shè)備，由德國曼公司生產(chǎn)，機(jī)組由蒸汽透平、空壓機(jī)、氧化氮壓縮機(jī)和尾氣透平組成。 蒸汽透平由中壓蒸汽驅(qū)動(dòng)，尾氣帶動(dòng)尾氣透平，使蒸汽透平和尾氣透平做功帶動(dòng)空壓機(jī)和氧化氮壓縮機(jī)，為裝置運(yùn)行提供動(dòng)力。 四合一機(jī)組中空壓機(jī)、氧化氮壓縮機(jī)設(shè)置了防喘振保護(hù)控制。

1 喘振的產(chǎn)生與危害

喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性。 當(dāng)壓縮機(jī)吸入口壓力或流量突然降低， 低于最低允許點(diǎn)后，壓縮機(jī)內(nèi)的氣體由于流量發(fā)生變化會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象，形成突變失速（氣體在葉道進(jìn)口的流動(dòng)方向和葉片進(jìn)口角出現(xiàn)很大偏差），這時(shí)葉輪不能有效提高氣體壓力，導(dǎo)致壓縮機(jī)出口壓力降低，但是系統(tǒng)管網(wǎng)壓力沒有瞬間相應(yīng)地降低，氣體從系統(tǒng)管網(wǎng)向壓縮機(jī)倒流，當(dāng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力降至最低壓縮機(jī)出口壓力時(shí)，氣體又向管網(wǎng)流動(dòng)，如此反復(fù)，使機(jī)組與管網(wǎng)發(fā)生周期性的軸向低頻大振幅氣體振蕩現(xiàn)象，稱為喘振。

伴隨喘振而來的是壓縮機(jī)的巨大異常響聲，還可看到氣體出口壓力和流量指示大幅波動(dòng)，機(jī)身也會(huì)劇烈振動(dòng)， 并帶動(dòng)出口管道和廠房振動(dòng)。若不及時(shí)采取措施，壓縮機(jī)將遭到嚴(yán)重破壞。

2 四合一機(jī)組防喘振控制原理

2.1 控制測(cè)點(diǎn)

參與氧化氮壓縮機(jī)和空壓機(jī)防喘振控制的測(cè)點(diǎn)信號(hào)見表1。

表1 氧化氮壓縮機(jī)和空壓機(jī)防喘振控制測(cè)點(diǎn)信號(hào)

（續(xù)表1）

2.2 原理說明

2.2.1 氧化氮壓縮機(jī)

根據(jù)氧化氮壓縮機(jī)入口壓力p1與出口壓力p2計(jì)算壓縮比，經(jīng)多段線模塊轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的防喘振設(shè)定值SXT1, 根據(jù)氧化氮壓縮機(jī)入口流量計(jì)算出入口流量百分比PV1， 將PV1與SXT1的差值作為控制偏差。 壓縮比計(jì)算式為：

壓縮比=（p2+0.083）/（p1+0.083）/3.4×100%

氧化氮壓縮機(jī)防喘振設(shè)定值轉(zhuǎn)換表見表2。

表2 氧化氮壓縮機(jī)防喘振設(shè)定值轉(zhuǎn)換表

計(jì)算氧化氮壓縮機(jī)入口流量百分比PV1：

其中，F(xiàn)T1為氧化氮壓縮機(jī)入口流量。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)PV1應(yīng)大于SXT1且PV1與SXT1差值在10%以上， 當(dāng)PV1與SXT1差值在2%～10%時(shí)，機(jī)組運(yùn)行進(jìn)入報(bào)警區(qū)，當(dāng)PV1與SXT1差值不大于2%時(shí)，防喘振保護(hù)動(dòng)作。

2.2.2 空壓機(jī)

根據(jù)空壓機(jī)入口流量FT2計(jì)算出入口流量百分比（入口流量百分比=（FT2/15）×100%），經(jīng)多段線模塊轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的防喘振設(shè)定值SXT2， 根據(jù)空壓機(jī)出口壓力計(jì)算出出口壓力百分比PV2，將SXT2和PV2的差值作為控制偏差。

空壓機(jī)防喘振設(shè)定值轉(zhuǎn)換表見表3。

表3 空壓機(jī)防喘振設(shè)定值轉(zhuǎn)換表

計(jì)算空壓機(jī)出口壓力百分比PV2：

其中PT為空壓機(jī)出口壓力。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)SXT2與PV2的差值在10%以上，當(dāng)SXT2與PV2差值在2%～10%時(shí)，機(jī)組運(yùn)行進(jìn)入報(bào)警區(qū)，當(dāng)SXT2與PV2差值不大于2%時(shí)，防喘振電磁閥SV-50270失電，防喘振保護(hù)動(dòng)作。

3 四合一機(jī)組防喘振控制在浙江中控TCS-900 SIS上的實(shí)現(xiàn)

硝酸裝置四合一機(jī)組空壓機(jī)和氧化氮壓縮機(jī)防喘振控制采用的是ABB Protronic 500控制器，該控制器主要存在以下問題：

a. 控制器不冗余，供電為單電源，可靠性差；

b. 趨勢(shì)和事件記錄不完善，防喘振保護(hù)動(dòng)作或設(shè)備故障后原因分析困難；

c. 價(jià)格昂貴，備件采購周期長，發(fā)生故障無其他替代方式， 會(huì)導(dǎo)致四合一機(jī)組無法開車運(yùn)行；

d. 操作和維護(hù)不便。

利用裝置完善SIS的機(jī)會(huì)，將四合一機(jī)組空壓機(jī)和氧化氮壓縮機(jī)防喘振控制由原控制器移入浙江中控的TCS-900 SIS。TCS-900 SIS的主要特點(diǎn)如下：

a. 采用全冗余的三重化（TMR）硬件容錯(cuò)表決（HIFT）結(jié)構(gòu)模塊，支持3-3-2-2-0（冗余）降級(jí)模式；

b. 采用五級(jí)2oo3D表決架構(gòu)， 設(shè)置多級(jí)故障限制區(qū)；

c. 可應(yīng)用于有安全完整性等級(jí) （SIL3及以下）要求的關(guān)鍵過程安全控制場(chǎng)合，支持1ms分辨率SOE功能；

d. 支持在線熱更換，支持雙工作模式，實(shí)現(xiàn)卡件無擾動(dòng)零時(shí)間切換；

e. 自診斷覆蓋率大于99%，覆蓋現(xiàn)場(chǎng)回路的故障診斷；

f. 趨勢(shì)和事件記錄功能齊全；

g. 采用雙路冗余電源供電， 支持卡件熱插拔。

改造方案為： 為提高防喘振控制的可靠性，對(duì)氧化氮壓縮機(jī)入口流量FT-40209、氧化氮壓縮機(jī)入口壓力PT-40209、 氧化氮壓縮機(jī)出口壓力PT-40229、空壓機(jī)入口流量FT-50209、空壓機(jī)出口壓力PT-50229各新增兩臺(tái)測(cè)量變送器， 在SIS實(shí)現(xiàn)三取中。改造后參與防喘振控制的測(cè)點(diǎn)信號(hào)見表4。

表4 改造后參與防喘振控制測(cè)點(diǎn)信號(hào)

根據(jù)上述改造方案設(shè)計(jì)的氧化氮壓縮機(jī)防喘振組態(tài)邏輯如圖1所示。

FT-40209mid與壓縮比經(jīng)多段線模塊FXY轉(zhuǎn)換的值進(jìn)行減法運(yùn)算，其差值小于10%大于2%時(shí)，SIS發(fā)出報(bào)警信息，差值不大于2%，或505最低轉(zhuǎn)速信號(hào)SSL-20700A動(dòng)作，都將觸發(fā)防喘振保護(hù)動(dòng)作，氧化氮壓縮機(jī)防喘振電磁閥SV-40270失電， 防喘振閥全開。 空壓機(jī)防喘振組態(tài)邏輯如圖2所示。

圖1 氧化氮壓縮機(jī)防喘振組態(tài)邏輯

圖2 空壓機(jī)防喘振組態(tài)邏輯

FT-50209mid經(jīng)多段線模塊FXY轉(zhuǎn)換的值與PT-50229mid進(jìn)行減法運(yùn)算，其差值小于10%大于2%時(shí)，SIS發(fā)出報(bào)警信息，差值不大于2%，或505最低轉(zhuǎn)速信號(hào)SSL-20700A動(dòng)作，都將觸發(fā)防喘振保護(hù)動(dòng)作， 空壓機(jī)防喘振電磁閥SV-50270失電，防喘振閥全開。 SIS防喘振圖如圖3所示。

圖3 四合一機(jī)組SIS防喘振圖

4 結(jié)束語

改造完成后， 經(jīng)與ABB Protronic 500防喘振控制器多次比對(duì)，SIS防喘振各項(xiàng)數(shù)據(jù)與控制器中各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本一致。TCS-900 SIS的三重化冗余設(shè)計(jì)給壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，更加便于工藝操作和儀表人員維護(hù)，為機(jī)組安全、穩(wěn)定、長周期、可靠運(yùn)行提供了保證。