PSA 單元順控時(shí)序錯(cuò)誤分析與優(yōu)化

賴紅軍 王志芳

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化公司信息網(wǎng)絡(luò)公司）

某天然氣制氫裝置變壓吸附（PSA）單元采用變壓吸附法從混合原料氣（中變氣+苯乙烯尾氣）中提純氫氣。 PSA 氣體分離技術(shù)依靠壓力變化實(shí)現(xiàn)吸附與再生，因而再生速度快且能耗低，屬于節(jié)能型氣體分離技術(shù)。 該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單且操作穩(wěn)定，可對(duì)含多種雜質(zhì)的混合氣中的雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)一次脫除，得到高純度產(chǎn)品。

PSA 裝置部分由10 臺(tái)吸附塔和4 臺(tái)緩沖罐組成。 裝置的10 個(gè)吸附塔中，有2 個(gè)吸附塔始終處于同時(shí)進(jìn)料吸附的狀態(tài)。 其吸附和再生工藝過(guò)程由吸附、連續(xù)4 次均壓降壓、順?lè)?、逆放、沖洗、連續(xù)4 次均壓升壓及產(chǎn)品最終升壓等步驟組成。正常運(yùn)行模式采用10-2-4 工藝流程 （10 表示10個(gè)塔運(yùn)行，2 表示2 個(gè)塔吸附，4 表示4 次均壓降壓）。 此外，基于PSA 單元程序運(yùn)行的穩(wěn)定性，可以另外設(shè)定自動(dòng)切除塔和自動(dòng)恢復(fù)塔程控步驟，即當(dāng)某個(gè)吸附器因閥門開(kāi)關(guān)故障報(bào)警或壓力偏差報(bào)警時(shí)， 則此臺(tái)吸附器自動(dòng)停止吸附并隔離，PSA 單元允許依據(jù)故障情況從10 塔最多切換到5 塔［1］，即10 塔→9 塔→8 塔→7 塔→6 塔→5 塔。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和順控功能塊

制氫裝置采用CENTUM VP 系統(tǒng)，其順控功能采用LC64 圖、ST16 順控表和_SFCSW 功能塊的SEBOL 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。 順序控制表SequenceTable 和邏輯流程圖LogicChart 組合， 可以組態(tài)完成非常復(fù)雜的邏輯判斷和控制功能。 _SFCSW功能塊采用IEC 標(biāo)準(zhǔn)， 所用的編程語(yǔ)言SEBOL是開(kāi)放式語(yǔ)言，組態(tài)直觀且程序簡(jiǎn)單易懂，可用流程圖描述， 程序利用系統(tǒng)空閑時(shí)間（CPU Idle Time）分段解釋執(zhí)行，程序邊解釋邊執(zhí)行，CPU 時(shí)間占用很少。

由于PSA 單元的控制回路有56 條， 邏輯控制塊600 余個(gè)，順控程序復(fù)雜且較多采用交叉引用，邏輯嚴(yán)密且安全性要求很高，單一采用一種方法實(shí)現(xiàn)順控難度較大，因此采用3 類邏輯組態(tài)工具組合實(shí)現(xiàn)該邏輯控制功能。

PSA 單元主要順控模塊包括： 主程序循環(huán)塊、吸附塔切塔程序塊和程控閥輸出程序塊。

主程序循環(huán)塊實(shí)現(xiàn)PSA 單元的運(yùn)行和停止選擇， 控制整個(gè)吸附與再生過(guò)程按照設(shè)定時(shí)間、工藝步序和順序?qū)崿F(xiàn)。

吸附塔切塔程序塊控制切塔與恢復(fù)操作，保證當(dāng)某一吸附塔故障造成壓力異常時(shí)，可切除故障吸附塔脫出工作線， 保證其余吸附塔繼續(xù)運(yùn)行。

程控閥輸出程序塊控制程控閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作，按一定時(shí)序?qū)?4V（DC）開(kāi)關(guān)控制信號(hào)送至電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)程控閥門開(kāi)關(guān)動(dòng)作、閥位傳感器的狀態(tài)顯示和監(jiān)控［2］。

2 順控程序異常與問(wèn)題分析

該順控程序投用近10 年來(lái)能夠按照預(yù)定的程序執(zhí)行，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足工藝的各項(xiàng)要求。

自2019 年下半年以來(lái)， 連續(xù)出現(xiàn)幾次恢復(fù)塔過(guò)程中解吸氣混合罐竄壓，塔壓瞬間下降的情況［3］。

2.1 恢復(fù)塔過(guò)程壓力波動(dòng)

PSA 單元按計(jì)劃執(zhí)行B 塔恢復(fù)操作，此時(shí)B塔塔壓0.19MPa，17:10:33 按下DCS 系統(tǒng)恢復(fù)塔按鈕，17:12:56 程序根據(jù)B 塔壓力選擇逆放步序并入，此時(shí)E 塔應(yīng)當(dāng)從二均升進(jìn)入一均升，但實(shí)際此時(shí)E 塔未進(jìn)入一均升， 而是打開(kāi)5#和7#兩個(gè)閥，2s 后兩閥關(guān)閉， 程序才開(kāi)始執(zhí)行一均升步序。 在此過(guò)程中E 塔向解吸氣混合罐V-203 竄壓，E 塔塔壓由1.173MPa 降至0.63MPa。

2.2 并塔過(guò)程壓力波動(dòng)

PSA 單元H 塔的4#閥完成檢修后，在恢復(fù)操作過(guò)程中，按下DCS 系統(tǒng)恢復(fù)塔按鈕（PSA 恢復(fù)塔操作屬于自動(dòng)過(guò)程，程序會(huì)根據(jù)塔壓選擇合適步序并入）6min 后， 程序自動(dòng)選擇在逆放步序并入H 塔，H 塔并入瞬間F 塔壓力異常下降 （圖1）， 解吸氣混合罐壓力在6s 內(nèi)由0.043MPa 上升至0.084MPa（圖2）。 解吸氣混合罐壓力升高導(dǎo)致解吸氣火嘴前壓力上升至聯(lián)鎖值0.020MPa，解吸氣切斷閥聯(lián)鎖關(guān)閉，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐爐膛負(fù)壓在4s 內(nèi)由-200Pa 降至-400Pa，觸發(fā)轉(zhuǎn)化爐爐膛負(fù)壓低低聯(lián)鎖，造成轉(zhuǎn)化爐聯(lián)鎖停爐。

圖1 并塔瞬間出現(xiàn)的竄壓情況

圖2 解吸氣混合罐壓力變化趨勢(shì)

3 原因分析與整改方案

3.1 原因分析

上述兩次操作造成的生產(chǎn)波動(dòng)現(xiàn)象大致相同。 排除程控閥、調(diào)節(jié)閥、安全閥和誤操作的可能性后，進(jìn)一步分析閥門趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)兩次故障均出現(xiàn)在執(zhí)行均升階段的吸附塔塔數(shù)恢復(fù)瞬間，造成沖洗閥打開(kāi)。

對(duì)PSA 系統(tǒng)控制程序進(jìn)行多次仿真測(cè)試，觀察閥門狀態(tài)， 發(fā)現(xiàn)DCS 在掃描執(zhí)行主循環(huán)程序（圖3）、閥門輸出的_SFCSW 塊（圖4）和切塔恢復(fù)程序（圖5）時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)掃描周期內(nèi)（1s）未執(zhí)行完畢的情況。 分析其具體原因?yàn)椋篜SA 主循環(huán)程序（DR0014）、閥門輸出（DR0016）和切塔恢復(fù) 程 序 （DR0017） 分 別 在 不 同Drawing 圖 的_SFCSW 塊里實(shí)現(xiàn)， 而_SFCSW 功能塊是在空閑時(shí)間內(nèi)同時(shí)開(kāi)始執(zhí)行的。

圖3 PSA 主循環(huán)程序

圖4 閥門輸出邏輯塊

圖5 切塔恢復(fù)程序

DCS 在掃描執(zhí)行主循環(huán)程序_SFCSW 塊和閥門輸出_SFCSW 塊時(shí)，由于程序塊內(nèi)語(yǔ)句眾多（主程序塊467 行語(yǔ)句， 閥門輸出程序塊423 行語(yǔ)句），系統(tǒng)在空閑時(shí)間內(nèi)邊解釋邊執(zhí)行，不能保證在一個(gè)掃描周期內(nèi)全部完成，造成程序中斷點(diǎn)不一致，讀取中間寄存器的數(shù)值不在同一個(gè)掃描周期，進(jìn)而導(dǎo)致程序的時(shí)序和步序錯(cuò)誤，程控閥接收錯(cuò)誤的指令打開(kāi)。 仿真情況如圖6 所示。

圖6 仿真測(cè)試并塔瞬間竄壓情況

3.2 整改方案

針對(duì)該故障出現(xiàn)的隱蔽性和偶發(fā)性， 結(jié)合DCS 中_SFCSW 塊的固有執(zhí)行特點(diǎn)，提出兩個(gè)解決方案［4］：

a. 在閥門輸出程序_SFCSW 塊中增加判斷條件，執(zhí)行恢復(fù)塔程序時(shí)，禁止已經(jīng)執(zhí)行均升階段的塔打開(kāi)沖洗出入口閥門。 該方案可以解決均升階段的塔在塔數(shù)恢復(fù)瞬間沖洗閥打開(kāi)2s 的偶發(fā)性問(wèn)題。

b. 調(diào)整_SFCSW 功能塊結(jié)構(gòu)，將無(wú)法在一個(gè)掃描周期內(nèi)執(zhí)行完成的_SFCSW 塊拆分成小邏輯塊，人為增加程序執(zhí)行時(shí)間差，在切塔和恢復(fù)2s 后（各塔序號(hào)和分步序計(jì)算完成后）再掃描執(zhí)行閥門輸出塊，徹底解決存在的掃描時(shí)序問(wèn)題。

上述方案都需要在裝置檢修窗口期實(shí)施程序修改，暫不具備整改條件。 為此，制定切并塔操作優(yōu)化預(yù)案： 程控閥開(kāi)關(guān)故障盡快排查解決，盡量只切一個(gè)塔，待恢復(fù)塔（塔壓0.40～0.65MPa）從9 塔恢復(fù)到10 塔順?lè)烹A段，可避免塔恢復(fù)過(guò)程出現(xiàn)沖洗閥打開(kāi)的情況；如果在8 塔恢復(fù)至9 塔過(guò)程再次出現(xiàn)沖洗閥打開(kāi)的情況，控制解吸氣混合罐去轉(zhuǎn)化爐的壓力控制閥開(kāi)度，使解吸氣瞬間高壓通過(guò)解吸氣放空調(diào)節(jié)閥放空，降低去轉(zhuǎn)化爐的瞬間高壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

CENTUM VP 系統(tǒng)_SFCSW 功能塊在PSA順控邏輯的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，_SFCSW 塊結(jié)合ST16、LC64 等功能塊， 具備整體解決方案的能力，雖然在程序執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)時(shí)序錯(cuò)誤，但經(jīng)過(guò)對(duì)_SFCSW 塊程序執(zhí)行機(jī)制的分析研究，通過(guò)合理設(shè)計(jì)跳步和暫停，避免了該類錯(cuò)誤。 同時(shí)指出了可以在裝置檢修窗口期實(shí)施程序修改的具體方案。