硝酸生產(chǎn)中的四合一機組的設(shè)計與應(yīng)用

李玉昌，汪 黔，張玉華

貴州省息烽開磷化工裝備工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 551109

0 引言

在化學(xué)工藝上可以了解到，利用氨氧化生產(chǎn)硝酸需要經(jīng)歷三個化學(xué)反應(yīng)過程：氨的氧化、氧化氮的氧化和亞硝酸氣體的吸收。根據(jù)化學(xué)方面的知識可以了解到，以上的三個化學(xué)反應(yīng)都是較強的放熱反應(yīng)，而且在加壓的條件下更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。因此，可以通過化學(xué)反應(yīng)放出的熱量和回收尾氣排放的能量來維持整個硝酸生產(chǎn)中氣體壓縮機的動力消耗，此外剩下的能量由蒸汽排出，以此來達(dá)到系統(tǒng)能量的平衡。通過壓縮機組合的概念，由此產(chǎn)生了“三合一機組”、“四合一機組”等的概念[1]?，F(xiàn)在使用較多的一種壓縮機組是將驅(qū)動機蒸汽壓縮機和尾氣膨脹壓縮機與生產(chǎn)機空氣壓縮機和氧化氮壓縮機組合在一起，形成一個機組。通過這樣的組合，將它們的能量一起共用，能夠提高機械效率。另外一種機組情況就是用電動機或者燃?xì)鈮嚎s機取代蒸汽壓縮機與空氣壓縮機、氧化氮壓縮機和尾氣膨脹壓縮機組合在一起，形成“四合一機組”的概念。ITCC系統(tǒng)是一套集壓縮機的透平調(diào)速控制、防喘振控制、抽氣控制、自保聯(lián)鎖邏輯控制為一體的綜合控制系統(tǒng)。

1 機組結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)

四合一機組的流程與布置主要是依賴于硝酸生產(chǎn)工藝的要求，四臺機器可以設(shè)計成同軸線同轉(zhuǎn)速或者設(shè)計成不同軸線不同轉(zhuǎn)速，其驅(qū)動機可以設(shè)在端頭，也可以設(shè)在端尾。硝酸四合一機組就是一個典型的能量自給自足型的機組，在各機組設(shè)計與選型中都必須遵循節(jié)能、環(huán)保、高效的原則。下面來具體介紹各部件的結(jié)構(gòu)。

1.1 空氣壓縮機

在四合一機組中，空氣壓縮機主要是用來進(jìn)行氨氧化和氮氧化的空氣壓縮，來實現(xiàn)空氣的升壓。在壓縮機的選型方面，由于綜合加壓工藝和雙加壓工藝的不同，升壓的幅度較低，一般多采用軸流式壓縮機。對于軸流部分的轉(zhuǎn)子葉片，一般采用反動式，這樣可以調(diào)節(jié)增壓的速度和效率的高低。為了適應(yīng)氣流的波動，靜葉角度可以設(shè)計成部分可調(diào)和全部可調(diào)的形式，其調(diào)整的驅(qū)動器一般設(shè)置成液壓的形式。

1.2 氧化氮氣體壓縮機

四合一機組中的氧化氮壓縮機主要是用于將氨氧化反應(yīng)生成的氧化氮氣體匯合氧化用空氣壓縮到吸收操作過程需要的壓力。為了滿足壓力要求，一般采用離心式壓縮機。對于氧化氮氣體壓縮機的氣流結(jié)構(gòu)有一個注意的部分，盡可能減少死角。這是由于氧化氮氣體與空氣混合后在壓縮過程中，既有NO生成NO2的反應(yīng)，又有N2O4的分解反應(yīng)，而后者屬于吸熱，影響比較大。這樣不僅會導(dǎo)致實際的排氣溫度比理論計算的數(shù)值低，而且還會在金屬壁或者在死角處沉積銨鹽。由于銨鹽結(jié)晶的過程會使體積膨脹，這樣會造成腔體中隔板的變形，影響葉輪的旋轉(zhuǎn)。在葉輪的選擇方面，應(yīng)該優(yōu)先采用鑄造葉輪，以提高設(shè)備的抗腐蝕性。

1.3 尾氣膨脹壓縮機

在四合一機組中，尾氣膨脹壓縮機得作用主要有：一是回收硝酸生成過程排放尾氣的能量；二是為空氣壓縮機和氧化氮壓縮機提供一個驅(qū)動器[2]。根據(jù)實際的需要，可以將尾氣膨脹機設(shè)計成單級或多級膨脹，其葉輪可以設(shè)計成沖動型和反動型或者兩者混用。在膨脹機的進(jìn)出口配有專門的調(diào)節(jié)閥，用此來調(diào)節(jié)氣量的變化，從而提高設(shè)備的效率。

1.4 蒸汽壓縮機

在四合一機組中蒸汽壓縮機為機組的正常運行提供了源動力，尤其是當(dāng)設(shè)備開機啟動，尾氣膨脹機還不能工作時，蒸汽壓縮機為機組提供了所需能量的85%，這個在蒸汽壓縮機設(shè)計時，尤其的重要。蒸汽壓縮機的氣源一般都來自于硝酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱源。

2 ITCC系統(tǒng)介紹

ITCC（Integrated Turbine Compressor Control system）系統(tǒng)是三重冗余綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有調(diào)速控制、防喘振控制、透平轉(zhuǎn)速超調(diào)保護(hù)、ESD聯(lián)鎖保護(hù)等功能[3]。ITCC系統(tǒng)的硬件核心是基于三重冗余容錯結(jié)構(gòu)的控制器，數(shù)字量輸入信號在DI模塊中被分成3路，分別送給3個CPU，在CPU之中進(jìn)行 “三取二”表決，分別通過3 條I/O總線送到DO模塊，在DO模塊中通過“方形表決電路”再次表決后, 輸出到現(xiàn)場執(zhí)行器；模擬量輸入信號在A I模塊中也被分成3路信號，通過A /D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量，然后采用選中值的算法糾正分電路中的偏差，其中輸出信號經(jīng)過選擇器之后，輸出到控制閥進(jìn)行相應(yīng)的控制。

ITCC系統(tǒng)和傳統(tǒng)DCS等控制系統(tǒng)相比，主要優(yōu)點為：基于SIL3級可靠的硬件平臺、系統(tǒng)的擴(kuò)性適應(yīng)單機組或多機組控制、調(diào)速、防喘、負(fù)荷協(xié)調(diào)控制、靈活的機組控制軟件包，如機組公用軟件包、防喘振控制軟件包、調(diào)速軟件包。

3 T6300控制系統(tǒng)設(shè)計

T6300是羅克韋爾ICS Triplex公司的ITCC控制系統(tǒng)，T6300的應(yīng)用程序采用IEC 1131 TOOLSET軟件編制，為提高控制系統(tǒng)運行的安全性，機組控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的控制單元之間相互獨立，并且分別安裝在不同的控制機柜內(nèi)，機組控制系統(tǒng)獨立完成安全控制任務(wù)，與DCS系統(tǒng)互不影響。

控制單元（控制站）、操作員站都直接連接在系統(tǒng)的高速通訊網(wǎng)絡(luò)（冗余以太網(wǎng)）上。連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以在站與站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且不分主站和從站。機組控制系統(tǒng)可通過標(biāo)準(zhǔn)OPC或Modbus口與第三方產(chǎn)品（如DCS、Bently 3500）通訊，并且支持光纖形式，重要信號參數(shù)（如聯(lián)鎖信號、壓縮機組負(fù)荷信號）則通過硬接線連接。機組機械保護(hù)系統(tǒng)Bently 3500的監(jiān)視信號通過Modbus通訊從3500傳送到機組控制系統(tǒng)里，聯(lián)鎖信號通過硬接線從3500的輸出I/O端子接至壓縮機組控制系統(tǒng)。機組控制系統(tǒng)之間以及與主裝置DCS之間應(yīng)有數(shù)據(jù)通訊，通訊安全可靠。壓縮機組調(diào)速控制系統(tǒng)能接受DCS（主裝置的控制系統(tǒng)）所給定的壓縮機負(fù)荷信號。

T6300系統(tǒng)軟硬件均通過IEC61508 SIL3級和TUV AK6級安全認(rèn)證。T6300保證系統(tǒng)在內(nèi)部出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，仍能正確地執(zhí)行程序。系統(tǒng)所有的模塊均能在線熱更換。這種設(shè)計使得T6300系統(tǒng)可以保持100%在線。T6300被用來處理各種實時的、復(fù)雜的、危險的生產(chǎn)過程，包括監(jiān)測現(xiàn)場信號、執(zhí)行邏輯運算、PID控制、輸出控制信號以驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。這種高級的控制系統(tǒng)大大提高了四合一機組的安全性和可用性，下面將控制系統(tǒng)的設(shè)計做一下簡要的說明。

3.1 防喘振功能設(shè)計

如果工作人員對機組操作不當(dāng)或設(shè)備管道故障，機組的壓縮機會發(fā)生喘振，這樣會嚴(yán)重?fù)p壞機組，影響機器的壽命。因此防喘振控制是機組中一個重要的安全控制。將防喘振控制切入到系統(tǒng)中，可以根據(jù)工作點運行的情況結(jié)合防喘振曲線，實時的控制喘振閥的動作。當(dāng)喘振發(fā)生時，可以通過對入口補充回流量來解決問題。具體的方法是通過對應(yīng)的防喘振閥門開始向打開的方向動作，使對應(yīng)出口的壓縮氣體回流到對應(yīng)的入口處，這樣通過增加入口的氣流來使機器回落到正常的工作區(qū)域內(nèi)，這樣就達(dá)到了防喘振的目的。

該套ITCC系統(tǒng)對于防喘閥的控制除了手動與自動模式以外，還有一手動帶后備模式。當(dāng)防喘閥處于手動帶后備模式時，則防喘閥處于手動控制狀態(tài)，ITCC系統(tǒng)將對操作點進(jìn)行監(jiān)測。在這種情況下，將操作點的值與系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)計算出的喘振線進(jìn)行比較，當(dāng)操作點的值與喘振線的值接近時，ITCC系統(tǒng)將接管手動模式，這樣就會將喘振閥自動調(diào)節(jié)到一定的安全開度，防止喘振的發(fā)生。

3.2 ESD保護(hù)設(shè)計

緊急停車系統(tǒng)（ESD）其作用是當(dāng)硝酸四合一的相關(guān)參數(shù)（如振動、溫度、壓力等）超過一定的限度時，能夠使機組立即停車以免造成嚴(yán)重的事故。在工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮機組超速的原因一般是由于蒸汽壓縮機的壓力突然增加，導(dǎo)致壓縮機入口流量減少而引起原動機的超速。在壓縮機出現(xiàn)超速的情況下，可以通過關(guān)閉蒸汽壓縮機的蒸汽閥，以此來切斷壓縮機的動力來源，從而實現(xiàn)緊急停車。ITCC系統(tǒng)在此套壓縮機緊急停車超速保護(hù)方面做了雙重的保障。ITCC系統(tǒng)在壓縮機開機過程中，如果轉(zhuǎn)速在規(guī)定的時間內(nèi)超過了臨界轉(zhuǎn)速的上限，則控制器就會發(fā)出緊急停車信號從而對硝酸機組進(jìn)行緊急停車,同時，系統(tǒng)還安裝了獨立的WOODWARD203超速停車控制器，進(jìn)一步提高了整個系統(tǒng)的安全性。

3.3 聯(lián)鎖邏輯設(shè)計

四合一機組是硝酸生產(chǎn)的核心設(shè)備，控制點復(fù)雜，如何開車、停車以及穩(wěn)定的運行對于生產(chǎn)系統(tǒng)是相當(dāng)關(guān)鍵的。T6300系統(tǒng)是一種故障安全型控制系統(tǒng)，當(dāng)故障發(fā)生時，能夠?qū)崿F(xiàn)安全的停車，聯(lián)鎖輸出具有切換至預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)或聯(lián)鎖狀態(tài)功能。系統(tǒng)設(shè)計了超速聯(lián)鎖、臨界轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖保護(hù)、喘振保護(hù)，通過內(nèi)部程序來實現(xiàn)機組的聯(lián)鎖停車邏輯和開機啟動順序的控制。極大提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4 結(jié)論

硝酸四合一機組控制裝置自運行以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全、可靠，產(chǎn)量得到了明顯的提高，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。ITCC操作站上裝有多種分析軟件包，通過對機組各測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對設(shè)備運行情況和工藝指標(biāo)控制情況進(jìn)行分析，及時解決設(shè)備隱患，改善工藝控制指標(biāo)，使硝酸生產(chǎn)裝置能夠有效可靠的運行。

[1]喬海星，于軍，薛麗菊.硝酸生產(chǎn)中的四合一機組[J].化工設(shè)備與管道，2000(5)：32-34.

[2]周聰勇，馬德潔.硝酸四合一機組的設(shè)計與應(yīng)用[J].風(fēng)機技術(shù)，2000(4)：21-23.

[3]邱晉剛.ITCC系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)總結(jié)[J].中氮肥，2009(1)：47-50.