提升空分裝置壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的總結(jié)

毛大軍

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

0 引 言

空分裝置屬于公用系統(tǒng)，為企業(yè)的主生產(chǎn)系統(tǒng)提供氧氣、氮?dú)?、工廠空氣、儀表空氣等，一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)被迫停運(yùn)，給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)巨大損失。呼倫貝爾金新化工有限公司（簡(jiǎn)稱金新化工）空分裝置配有空壓機(jī)和氮壓機(jī)，2臺(tái)均為離心式壓縮機(jī)，共同使用1套Tricon控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合控制。

金新化工空分裝置運(yùn)行初期，壓縮機(jī)組Tricon控制系統(tǒng)曾出現(xiàn)過(guò)卡件故障、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大、油系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)不合理、電子超速保護(hù)系統(tǒng)模塊故障等問(wèn)題，這些問(wèn)題給空分裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的影響，給主生產(chǎn)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行埋下了潛在隱患。

1 Tricon控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

Tricon控制系統(tǒng)具有三重冗余結(jié)構(gòu)（TMR）和冗錯(cuò)能力，是從主處理器到輸入、輸出卡件完全三重化的容錯(cuò)控制系統(tǒng)，并且可以實(shí)現(xiàn)1套系統(tǒng)控制多臺(tái)壓縮機(jī)。Tricon控制系統(tǒng)的配套設(shè)施有3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電子超速保護(hù)系統(tǒng)等，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制、喘振控制、聯(lián)鎖保護(hù)、SOE（即事件順序記錄）等功能。Tricon控制系統(tǒng)的掃描速度非常快，系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間一般約在40ms，但控制系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間受硬件I／O點(diǎn)數(shù)和軟件邏輯的復(fù)雜程度影響較大。雖然Tricon控制系統(tǒng)支持多機(jī)組控制，但為了縮短掃描時(shí)間，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高控制質(zhì)量，并確保系統(tǒng)的可靠性，金新化工的1套Tricon控制系統(tǒng)最多只控制2臺(tái)離心式壓縮機(jī)組。

3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要完成壓縮機(jī)組軸系運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要的監(jiān)測(cè)參數(shù)有徑向振動(dòng)、軸向位移、鍵相轉(zhuǎn)速等，這些參數(shù)通過(guò)報(bào)警、聯(lián)鎖邏輯對(duì)機(jī)組進(jìn)行保護(hù)（振動(dòng)／位移雙點(diǎn)聯(lián)鎖輸出→Tricon控制系統(tǒng)聯(lián)鎖條件觸發(fā)后輸出→聯(lián)鎖停機(jī)）。3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將機(jī)組狀態(tài)報(bào)警、聯(lián)鎖輸出至Tricon控制系統(tǒng)，最終由Tricon控制系統(tǒng)發(fā)出命令完成機(jī)組的保護(hù)；同時(shí)，3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信至Tricon控制系統(tǒng)，便于工藝人員監(jiān)控。

電子超速保護(hù)系統(tǒng)是1套相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，通過(guò)超速保護(hù)邏輯直接控制現(xiàn)場(chǎng)的停機(jī)電磁閥，是對(duì)機(jī)組采取的又一保護(hù)措施?？辗盅b置原始配置的電子超速保護(hù)系統(tǒng)是Woodward公司生產(chǎn)的ProTech203，ProTech203監(jiān)控3個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速傳感器，采用三選二的停機(jī)方式，每個(gè)單元的電源均是獨(dú)立的，且與其他2個(gè)單元除選項(xiàng)繼電器輸出相連外，其他均是完全隔離的，確保不會(huì)因?yàn)?個(gè)單元中的任何一個(gè)模塊發(fā)生故障而停機(jī)，ProTech203的輸出與主控緊停、現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)電磁閥相關(guān)聯(lián)，主要用于高轉(zhuǎn)速下Tricon控制系統(tǒng)失效時(shí)的機(jī)組強(qiáng)制停運(yùn)。

空壓機(jī)、氮壓機(jī)的1＃停機(jī)電磁閥信號(hào)經(jīng)Tricon控制系統(tǒng)DO通道繼電器輸出后，經(jīng)過(guò)電子超速保護(hù)系統(tǒng)繼電器（及主控緊急停車按鈕與機(jī)柜中間接線端子）控制現(xiàn)場(chǎng)1＃停機(jī)電磁閥；2＃停機(jī)電磁閥信號(hào)經(jīng)Tricon控制系統(tǒng)DO通道繼電器輸出后，（經(jīng)機(jī)柜中間接線端子）直接控制現(xiàn)場(chǎng)2＃停機(jī)電磁閥。

2 壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)

2.1 控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境不佳

電子設(shè)備的制造精度越來(lái)越高，對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。機(jī)柜室內(nèi)溫度變化過(guò)大將會(huì)影響卡件的正常使用壽命，室內(nèi)衛(wèi)生較差、灰塵堆積可能造成電路板短路；運(yùn)行環(huán)境濕度過(guò)小將會(huì)在設(shè)備上堆積靜電電荷，濕度過(guò)大則可能導(dǎo)致卡件受潮而出現(xiàn)故障。

據(jù)《控制室設(shè)計(jì)規(guī)范》（HGT20508—2014）第3.6.1條，機(jī)柜室室溫宜為冬季（20±2）℃、夏季（26±2）℃、溫度變化率＜5℃／h，相對(duì)濕度宜為40%～60%、濕度變化率＜6%／h；《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2008）第5.1.1條對(duì)于機(jī)房溫度、相對(duì)濕度的要求見(jiàn)表1。

表1 電子信息系統(tǒng)機(jī)房技術(shù)要求（環(huán)境要求）分類

表1中A級(jí)機(jī)房指電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大經(jīng)濟(jì)損失的機(jī)房；B級(jí)機(jī)房指電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成較大經(jīng)濟(jì)損失的機(jī)房；不屬于A級(jí)或B級(jí)的電子信息系統(tǒng)機(jī)房為C級(jí)。金新化工控制系統(tǒng)機(jī)房屬于B級(jí)以上，機(jī)柜室運(yùn)行環(huán)境溫度應(yīng)在（23±1）℃、相對(duì)濕度應(yīng)在40%～55%，而金新化工地處北國(guó)邊疆，晝夜溫差達(dá)20℃，冬夏兩季溫差高達(dá)70℃，環(huán)境相對(duì)濕度較低，尤其是漫長(zhǎng)的冬季。金新化工壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)2010年上電運(yùn)行，長(zhǎng)期的環(huán)境影響使得其電子元器件也出現(xiàn)了老化，機(jī)柜間各連接端子受振動(dòng)的影響易松動(dòng)，造成線路虛接。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)不充分

汽輪機(jī)上共有6支磁感應(yīng)轉(zhuǎn)速探頭，3支進(jìn)ProTech203電子超速保護(hù)系統(tǒng)，專門用于壓縮機(jī)組的超速保護(hù)；另外3支探頭直接或間接進(jìn)入Tricon控制系統(tǒng)參與轉(zhuǎn)速控制，探頭分布如圖1所示?？梢钥吹剑瑓⑴c轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的3個(gè)信號(hào)中，SE01662和SE01663的信號(hào)直接進(jìn)入Tricon控制系統(tǒng)的脈沖輸入卡件，SE01661則先經(jīng)就地轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)換成4～20mA模擬量信號(hào)后再送至Tricon控制系統(tǒng)，與SE01662、SE01663一起選取中值參與汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，而SE01661信號(hào)經(jīng)就地轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)換輸出后進(jìn)入Tricon控制系統(tǒng)模擬量輸入卡，有約30r／min的偏差，不利于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

圖1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速探頭分布示意圖

2.3 重要設(shè)備未定期更換、升級(jí)

金新化工壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，關(guān)鍵設(shè)備、重要卡件未進(jìn)行升級(jí)或更換。如ProTech203電子超速保護(hù)系統(tǒng)和Tricon控制系統(tǒng)模擬量輸入卡3700A目前已停產(chǎn)，無(wú)法購(gòu)買與之相同型號(hào)的備件。

2.4 重要卡件未冗余

Tricon控制系統(tǒng)上所有的I／O卡件均未冗余，一旦出現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的通道故障或者卡件失效，就會(huì)觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作，如2013年11月16日發(fā)生過(guò)因合成氣壓縮機(jī)組Tricon控制系統(tǒng)上的1塊DO卡件失效導(dǎo)致合成氨裝置停車的事故。對(duì)至今金新化工壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)卡件的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表2），DO卡的故障率最高。

表2 Tricon控制系統(tǒng)卡件故障率統(tǒng)計(jì)

2.5 卡件上的儀表測(cè)點(diǎn)布局不合理

原始設(shè)計(jì)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮不足，Tricon控制系統(tǒng)中三選二的模擬量輸入點(diǎn)設(shè)計(jì)在了同一塊卡件上。其中，3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，空壓機(jī)、氮壓機(jī)的振動(dòng)、位移均為雙點(diǎn)聯(lián)鎖，但每一對(duì)測(cè)點(diǎn)均在同一塊3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)卡件上組態(tài)，一旦卡件出現(xiàn)故障，將可能觸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)鎖停機(jī)，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 聯(lián)鎖設(shè)計(jì)不完善

開(kāi)車程序中，機(jī)組運(yùn)行到某一狀態(tài)個(gè)別閥門才會(huì)解除閉鎖，在每次系統(tǒng)停運(yùn)檢修后重啟時(shí)需手動(dòng)復(fù)位，否則程序無(wú)法執(zhí)行下一步操作。壓縮機(jī)的輔助設(shè)備含多臺(tái)機(jī)泵，如盤車電機(jī)、頂升油泵、油霧風(fēng)機(jī)、冷凝液泵、潤(rùn)滑油泵、事故油泵等，潤(rùn)滑油泵的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)油壓控制有直接影響，原始設(shè)計(jì)靠潤(rùn)滑油壓低聯(lián)鎖信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)輔油泵，一旦主油泵停運(yùn)，油壓會(huì)瞬間降低，若輔油泵啟動(dòng)不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)。

3 優(yōu)化方案及解決措施

3.1 改善控制室內(nèi)的環(huán)境

日常注意檢查控制室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度，保證設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)；定期打掃室內(nèi)衛(wèi)生；人員離開(kāi)時(shí)及時(shí)鎖好門窗，避免無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。

注重日常巡檢、維護(hù)管理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即處理，及時(shí)將隱患消除在萌芽狀態(tài)，使系統(tǒng)長(zhǎng)期處于正常工作狀態(tài)；每年停機(jī)檢修時(shí)，及時(shí)開(kāi)展機(jī)柜內(nèi)部的除塵、清灰工作，對(duì)機(jī)柜間連接的每一處地方進(jìn)行檢查、確認(rèn)，并對(duì)接地系統(tǒng)的阻值進(jìn)行測(cè)量，保證接地系統(tǒng)可靠。

3.2 重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速輸入方式

就地轉(zhuǎn)速表主要用于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)車或壓縮機(jī)組正常運(yùn)行后的巡檢查看，工藝人員在開(kāi)車過(guò)程中均為遠(yuǎn)程操作，Tricon控制系統(tǒng)及超速保護(hù)系統(tǒng)上均有轉(zhuǎn)速顯示，因此就地轉(zhuǎn)速表的重要性相對(duì)不高，為使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定，將現(xiàn)場(chǎng)SE01與SE02、SE03探頭的信號(hào)一并引入Tricon控制系統(tǒng)的脈沖輸入卡，經(jīng)邏輯運(yùn)算后直接參與汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速顯示則通過(guò)Tricon控制系統(tǒng)的模擬量輸出卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需要安裝1塊價(jià)格相對(duì)便宜的模擬量輸入的數(shù)顯表即可。以氮壓機(jī)為例，轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化前，SIC01661、SIC01662、SIC01663分別為6728r／min、6754r／min、6754 r／min；轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化后，SIC01661、SIC01662、SIC01663均穩(wěn)定在6591r／min。

3.3 更換、升級(jí)重要設(shè)備

將原系統(tǒng)上9塊3700A模擬量輸入卡全部更換為升級(jí)版的3721卡，并將ProTech203電子超速保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)為ProTechGⅡ電子超速保護(hù)系統(tǒng)，更換下來(lái)的3700A卡件、ProTech203電子超速保護(hù)系統(tǒng)作為合成氨、尿素等裝置壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)的備件。升級(jí)后的每個(gè)ProTechGⅡ系統(tǒng)模塊同時(shí)支持24VDC和220VAC供電，系統(tǒng)組態(tài)中設(shè)置電源故障報(bào)警，一旦某路電源出現(xiàn)故障，將及時(shí)提醒維護(hù)人員檢查處理。

3.4 冗余關(guān)鍵卡件

空分裝置壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)除8312電源卡、3008CPU卡、4351B通信卡是冗余配置外，其余均為單卡運(yùn)行；Tricon控制系統(tǒng)機(jī)架上的每個(gè)I／O插槽分左、右槽，主要用于卡件故障時(shí)在線更換。若在線冗余，系統(tǒng)會(huì)不停地掃描卡件的激活狀態(tài)，降低卡件的使用壽命。結(jié)合近幾年系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況并考慮卡件的重要性，將3511脈沖輸入卡、3805E模擬量輸出卡及模擬量輸入卡中涉及關(guān)鍵儀表點(diǎn)的卡件進(jìn)行了冗余。

針對(duì)故障頻發(fā)的3625DO卡，梳理統(tǒng)計(jì)出空壓機(jī)和氮壓機(jī)共有14個(gè)關(guān)鍵重要的DO點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵重要的DO點(diǎn)進(jìn)行了冗余組態(tài)，這些點(diǎn)分別設(shè)計(jì)在了第二機(jī)架第五槽（C2S5）和第三機(jī)架第六槽（C3S6）的3625DO卡件上；同時(shí)，為了布局美觀、便于查找問(wèn)題，重新對(duì)C2S5和C3S6槽上的DO點(diǎn)進(jìn)行了布局調(diào)整，與C2S5和C3S6槽的第1～14個(gè)通道全部一一對(duì)應(yīng)。另外，對(duì)C3S6槽3625DO卡件進(jìn)行了硬件冗余，C3S6槽與C2S5槽3625DO卡件的14個(gè)關(guān)鍵重要通道進(jìn)行了再次冗余，相當(dāng)于每個(gè)關(guān)鍵重要的DO通道都有9重冗余，極大地降低了因卡件故障造成的跳車風(fēng)險(xiǎn)，確保無(wú)論哪塊卡件出現(xiàn)故障，這14個(gè)DO點(diǎn)都能正常工作。同時(shí)，據(jù)優(yōu)化后的DO通道布局，完成機(jī)柜內(nèi)部線的更改及冗余通道的連接，將原通道與冗余通道經(jīng)繼電器輸出至端子排的地方短接，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的冗余。

3.5 合理布局每一塊卡件上的儀表測(cè)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)同一位置設(shè)計(jì)3個(gè)儀表檢測(cè)點(diǎn)，意味著該參數(shù)的重要程度很高，或?qū)υO(shè)備、工藝管線的保護(hù)要求高，或一旦出現(xiàn)故障危險(xiǎn)程度高。為提高空分裝置壓縮機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，將Tricon控制系統(tǒng)中三選二的模擬量輸入點(diǎn)重新設(shè)計(jì)在不同的卡件上，即對(duì)3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，把每一對(duì)振動(dòng)、位移點(diǎn)放在不同的卡件上，并按照優(yōu)化后的設(shè)計(jì)重新組態(tài)、完善聯(lián)鎖邏輯，修改3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至Tricon控制系統(tǒng)的通信組態(tài)，更改3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外部接線，確保任意一塊監(jiān)測(cè)卡件出現(xiàn)故障都不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

3.6 優(yōu)化壓縮機(jī)主、輔油泵聯(lián)鎖邏輯

對(duì)空壓機(jī)、氮壓機(jī)啟機(jī)程序的邏輯功能進(jìn)行優(yōu)化，使控制閥的閉鎖條件自動(dòng)解除，避免因疏忽、維護(hù)不及時(shí)等影響啟機(jī)過(guò)程，同時(shí)也減少了啟機(jī)環(huán)節(jié)無(wú)意義的操作步驟。

金新化工每年都會(huì)有數(shù)次外部故障引起的晃電，一旦因晃電或油泵故障導(dǎo)致主油泵停運(yùn)，壓縮機(jī)很有可能因油壓低而聯(lián)鎖停機(jī)。SOE事件順序記錄功能，在時(shí)間刻度上可以精確到毫秒級(jí)，對(duì)快速分析和查找設(shè)備故障原因起著至關(guān)重要的作用，充分利用SOE記錄事件的準(zhǔn)確性可以得出主油泵突然停運(yùn)后輔油泵啟動(dòng)至油壓恢復(fù)正常的時(shí)間。為此，對(duì)空壓機(jī)潤(rùn)滑油泵進(jìn)行切換試驗(yàn)，結(jié)合SOE記錄數(shù)據(jù)，得知油泵停運(yùn)至潤(rùn)滑油壓低報(bào)警的時(shí)間為4.5s，當(dāng)主油泵停運(yùn)后，2.7s控制油壓低聯(lián)鎖動(dòng)作，即輔油泵還未啟動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)聯(lián)鎖停機(jī)。從機(jī)泵運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及緊迫性方面分析，將輔油泵自啟動(dòng)的油壓聯(lián)鎖值適當(dāng)提高，可降低油壓低聯(lián)鎖停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，但不能確保百分之百的可靠，于是，金新化工采取了對(duì)壓縮機(jī)主、輔油泵的啟動(dòng)聯(lián)鎖進(jìn)行優(yōu)化——增加空壓機(jī)和氮壓機(jī)主油泵無(wú)運(yùn)行信號(hào)時(shí)自啟動(dòng)輔油泵的聯(lián)鎖邏輯（見(jiàn)圖2），如此一來(lái)，當(dāng)主油泵停運(yùn)時(shí)，輔油泵只需0.2s即可自啟動(dòng)。由聯(lián)鎖邏輯優(yōu)化完善后SOE記錄可知，增加主油泵運(yùn)行信號(hào)聯(lián)鎖邏輯后，輔油泵自啟動(dòng)比油壓低聯(lián)鎖自啟動(dòng)快4.3s，而且同樣是單臺(tái)油泵運(yùn)行，整個(gè)油路系統(tǒng)不會(huì)超壓，油路系統(tǒng)的壓力更加穩(wěn)定、可靠，對(duì)抗晃電等外部因素影響有非常好的效果。

圖2 優(yōu)化后的氮壓機(jī)潤(rùn)滑油泵聯(lián)鎖邏輯圖

4 結(jié)束語(yǔ)

金新化工針對(duì)空分裝置運(yùn)行初期壓縮機(jī)組Tricon控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，實(shí)施了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化、更換和升級(jí)重要設(shè)備、關(guān)鍵卡件冗余、合理布局卡件上的儀表測(cè)點(diǎn)、重新布局和組態(tài)3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、優(yōu)化壓縮機(jī)主油泵和輔油泵聯(lián)鎖邏輯等優(yōu)化改進(jìn)，并制訂了改善控制室內(nèi)環(huán)境的制度和措施，從而有效降低了硬件、關(guān)鍵重要卡件故障導(dǎo)致的壓縮機(jī)組跳車風(fēng)險(xiǎn)，極大地提升了壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，為空分裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。