大型空分裝置控制系統(tǒng)常見問題及處理

楊 躍

(云南大為制氨有限公司 設(shè)備技術(shù)部，云南 沾益 655338)

某大型空分裝置2007年建成投用，氧氣正常產(chǎn)量為 52000 m3/h，采用林德公司的空分專利技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備主要有德國(guó)曼透平公司制造的三合一機(jī)組(由汽輪機(jī)X1171、主空壓機(jī)C1161與氮循環(huán)壓縮機(jī)C461組成)和由杭汽汽輪機(jī)X1771與沈鼓壓縮機(jī)C1761組成的氮產(chǎn)品壓縮機(jī)機(jī)組，最大產(chǎn)氧量為 54000 m3/h。

空分DCS系統(tǒng)使用橫河CENTUM VP，機(jī)組的壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)(ITCC)和緊急停車系統(tǒng)(ESD)采用施耐德公司的TRICONEX TS3000，并通過廠家成套配置有獨(dú)立的機(jī)組超速保護(hù)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)[1-2]。

空分裝置主要任務(wù)是將空氣壓縮后經(jīng)純化、深冷分離出高純度的氧氣和氮?dú)?，以及液氮產(chǎn)品，為煤氣化及合成氨裝置提供高純度的氧氣、氮?dú)夂鸵旱a(chǎn)品，同時(shí)提供全廠正常和事故及開車用儀表空氣，并且提供裝置開停車和事故系統(tǒng)置換用氮?dú)??？辗挚刂葡到y(tǒng)如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，使機(jī)組卸載或停車，均會(huì)引起煤氣化合成氨裝置停產(chǎn)[3-4]。

1 空分調(diào)速系統(tǒng)故障

1.1 空分機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)硬件故障

1)故障現(xiàn)象：空分曼透平三合一機(jī)組調(diào)速控制采用西門子S7-400 PLC系統(tǒng)，氮產(chǎn)品壓縮機(jī)組采用伍德沃德505調(diào)速控制器，由制造廠家成套配制。在使用6年后的2013年4月4日，空分氮產(chǎn)品壓縮機(jī)跳車，原因?yàn)?05調(diào)速器故障無輸出。2013年11月12日，PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致空分曼透平三合一機(jī)組停車，故障燈亮，無法正常啟動(dòng)。

2)原因分析：由于裝置試車和前期運(yùn)行期間環(huán)境較差，機(jī)柜間竄入有腐蝕性氣體，對(duì)電子元器件有傷害，使用到一定時(shí)間后電子元器件故障頻發(fā)。

3)解決方法：①封堵機(jī)柜間所有進(jìn)出線口，包括線槽電纜口；②盡量封堵機(jī)柜電纜進(jìn)線口；③在機(jī)柜內(nèi)通入潔凈的儀表空氣，使機(jī)柜內(nèi)保持微正壓；④由于調(diào)速系統(tǒng)硬件故障，更換備件需要重新軟件設(shè)置和下裝，故障判斷和修復(fù)處理需要的時(shí)間較長(zhǎng)。為了避免類似情況再次發(fā)生，在裝置停車檢修期間對(duì)空分機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，取消原廠家成套的S7-400 PLC調(diào)速系統(tǒng)和伍德沃德505調(diào)速控制器；在原空分ITCC系統(tǒng)TS3000中增加兩塊脈沖信號(hào)輸入卡，并進(jìn)行軟件組態(tài)，由空分ITCC實(shí)現(xiàn)空分曼透平三合一機(jī)組的調(diào)速和氮產(chǎn)品壓縮機(jī)組的調(diào)速。

1.2 轉(zhuǎn)速故障

1)故障現(xiàn)象：在開車過程中，當(dāng)升速到 3000 r/min 時(shí)，機(jī)組自動(dòng)停車。反復(fù)開車沖轉(zhuǎn)多次，均未找到原因。聯(lián)系廠方技術(shù)員進(jìn)行分析，進(jìn)入PLC程序中進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有一轉(zhuǎn)速信號(hào)在機(jī)組升速時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)與其它兩個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速比較，超過100時(shí)，PLC控制器就會(huì)發(fā)出停車指令。生產(chǎn)過程中出CPU卡故障，調(diào)速系統(tǒng)不能正常工作，機(jī)組跳車。

2)原因分析：調(diào)速系統(tǒng)中三個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)中的一個(gè)出現(xiàn)故障(SE1172_1)，與其他兩個(gè)轉(zhuǎn)速(SE1172_2、SE1172_3)偏差>50 r/min，觸發(fā)曼透平機(jī)組停車模式MODE 0，調(diào)速閥關(guān)到0%，隨后氮循環(huán)壓縮機(jī)VXI1431B高高聯(lián)鎖跳車。通過儀表人員對(duì)故障進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入SE1172_1隔離柵的接線出現(xiàn)松動(dòng)，處理后確認(rèn)故障排除。

3)解決方法：修改軟件組態(tài)，取消調(diào)速系統(tǒng)中三個(gè)轉(zhuǎn)速偏差故障聯(lián)鎖。同時(shí)對(duì)所有接線端子進(jìn)行檢查緊固，避免因端子松動(dòng)引起信號(hào)故障誤動(dòng)作跳車。

2 空分DCS溫度傳感器和卡件故障

1)故障現(xiàn)象：2015年3月13日 8∶08，空分因DCS溫度卡件故障，導(dǎo)致TI3954低低聯(lián)鎖動(dòng)作跳車。

2)原因分析：空分DCS溫度信號(hào)采集，采用橫河AAR145 16通道熱電阻輸入卡件，AAR145卡在使用幾年后，故障率高。當(dāng)卡件出現(xiàn)故障后，卡上的溫度信號(hào)波動(dòng)無規(guī)律可尋，有的信號(hào)顯示最大，有的信號(hào)顯示最小，有的又是偏高，有的又是偏低，整塊卡件上的信號(hào)均不正常。而空分溫度聯(lián)鎖較多，有的是溫度高高聯(lián)鎖，有的是溫度低低聯(lián)鎖。

3)解決方法：對(duì)空分DCS進(jìn)行升級(jí)改造，新增加節(jié)點(diǎn)(機(jī)架)ANB10D 1個(gè)，放置于原FCS機(jī)柜內(nèi)。原空余9個(gè)槽位，總共空槽17個(gè)。其中，模擬量輸入AAI143增加8塊，冗余AAI143配置增加2塊，冗余配置2塊需要兩個(gè)相鄰槽位。新增安全柵柜一面，所有溫度信號(hào)經(jīng)過溫度安全柵MTL5573轉(zhuǎn)換為4-20 mA 信號(hào)，再進(jìn)入模擬量輸入卡AAI143，聯(lián)鎖信號(hào)進(jìn)入冗余的AAI143。并對(duì)溫度安全柵進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，信號(hào)故障時(shí)輸出為最小(聯(lián)鎖高高跳車時(shí))或最小大(聯(lián)鎖低低跳車時(shí))。其中，原有溫度信號(hào)至新機(jī)柜盤間電纜材料，接線方式為多芯電纜中間端子排轉(zhuǎn)接，采用針形線鼻子壓接，要求接線端子及信號(hào)線線標(biāo)一一對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)清楚。

3 空分分子篩程控閥故障

1)故障現(xiàn)象：空分裝置在2023年1月15日23時(shí) 43 min 57 s，分子篩程控閥KV-2622打開后，又發(fā)生閥門關(guān)閉問題。由于KV-2621和KV-2627均已處于關(guān)閉位置，F(xiàn)V-1110在 23 h 44 min 03 s 全開，空壓機(jī)卸載。

2)原因分析：①空分分子篩程控閥使用時(shí)間已超過15年，三桿閥內(nèi)件銹蝕嚴(yán)重，開關(guān)閥門動(dòng)作遲緩，頻繁出現(xiàn)動(dòng)作超時(shí)報(bào)警(輸出與反饋信號(hào)不一致且時(shí)間超過 30 s)。當(dāng)KV2622關(guān)反饋信號(hào) 71 s 后消失，而并聯(lián)運(yùn)行 1 min 時(shí)間已到，程序開始下一步，關(guān)閉KV2621，但此時(shí)，KV2622又關(guān)閉，最終導(dǎo)致空分卸載。②閥門反饋只引入關(guān)反饋信號(hào)到DCS，開反饋信號(hào)為關(guān)反饋信號(hào)取反，不能正常反應(yīng)閥門是否開到位。③DCS聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)上存在問題，由于未能檢測(cè)到開饋信號(hào)，當(dāng)分子并聯(lián)運(yùn)行時(shí)間到后，檢測(cè)到KV2622關(guān)反饋信號(hào)消失，即判斷閥門已打開，順控程序走到下一步，程序關(guān)閉KV2621，此時(shí)如果KV2622不能正常打開，將引起空壓機(jī)出口超壓卸載。

3)解決方法：定期檢修空分分子篩程控閥內(nèi)件，出現(xiàn)問題及時(shí)處理；將分子篩進(jìn)出口程控閥KV2621/KV2622/KV2627/KV2628的開反饋信號(hào)引入DCS系統(tǒng)，并修改相關(guān)聯(lián)鎖邏輯。只當(dāng)閥門的開命令與開反饋信號(hào)一致時(shí)，順控程序才會(huì)走到下一步，完成分子篩的切換，否則，程序一直等待，不會(huì)關(guān)閉閥門導(dǎo)致空壓機(jī)卸載。

4 ITCC/ESD卡件故障

1)故障現(xiàn)象：2017年7月2日，空分裝置ITCC/ESD系統(tǒng)3625 DO卡無輸出，空壓機(jī)卸載。

2)原因分析：該DO卡之前出現(xiàn)有一個(gè)支路故障報(bào)警，當(dāng)再次出現(xiàn)別的故障報(bào)警后，由于采用三選二裁決，導(dǎo)致DO輸出失電。而空分ITCC聯(lián)鎖采用故障安全模式，輸出失電引起防喘振電磁閥動(dòng)作，防喘振閥彈開導(dǎo)致空壓機(jī)卸載。

3)解決方法：對(duì)空分重要的DO卡件采用雙卡冗余熱備，當(dāng)一塊卡件出現(xiàn)故障報(bào)警后，自動(dòng)切換到備用卡件；將硬件報(bào)警信號(hào)引出到上位機(jī)監(jiān)控畫面上進(jìn)行顯示，定期檢查卡件硬件報(bào)警情況，出現(xiàn)報(bào)警及時(shí)檢查處理。

5 空分控制系統(tǒng)聯(lián)鎖誤動(dòng)作問題

1)故障現(xiàn)象：2013年12月20日，空分在正常生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場(chǎng)儀表突然波動(dòng)，達(dá)到聯(lián)鎖設(shè)定值，引起空分裝置停車。

2)原因分析：①現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)干擾，如在現(xiàn)場(chǎng)在檢查儀表接線使用對(duì)講機(jī)通話、使用電焊或啟動(dòng)大功率的電氣設(shè)備；②儀表信號(hào)接線松動(dòng)或接觸不良；③屏蔽線接地不良；④現(xiàn)場(chǎng)儀表或卡件通道出現(xiàn)故障。

3)解決方法：①聯(lián)鎖動(dòng)作增加1～2 s 的延時(shí)，當(dāng)達(dá)到聯(lián)鎖值保持1～2 s 后，聯(lián)鎖才會(huì)動(dòng)作停車。②增加溫度測(cè)點(diǎn)和壓力變送器并接入控制系統(tǒng)中，采用二選二聯(lián)鎖，只有兩個(gè)信號(hào)均達(dá)到聯(lián)鎖設(shè)定值時(shí)聯(lián)鎖才動(dòng)作。

6 空分電源故障

1)故障現(xiàn)象：2014年3月15日，空分裝置UPS故障，無220VAC電源輸出，機(jī)組就地控制柜和電磁閥失電，空分膨脹機(jī)、氮產(chǎn)品壓縮機(jī)停車。

2)原因分析：空分裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)組就地控制柜與電磁閥采用220VAC供電，與DCS和ITCC供電系統(tǒng)不同，沒有采用冗余供電，當(dāng)電源一旦出現(xiàn)故障時(shí)就會(huì)停車。

3)解決方法：采用施耐德 AP7724 ATS雙電源自動(dòng)切換開關(guān)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行改造。AP7724雙電源切換開關(guān)先接入來自兩路不同UPS的電源，然后將AP7724的電源輸出接到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組就地控制柜和電磁閥。當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障無輸出或失電時(shí)，可瞬間自動(dòng)切換到另一路電源進(jìn)行供電，保證現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組就地控制柜與電磁閥正常工作。

7 結(jié)語

空分控制系統(tǒng)經(jīng)過改造后，運(yùn)行穩(wěn)定，沒有再次出現(xiàn)類似的故障，因此降低了空分非計(jì)劃誤動(dòng)作停車的風(fēng)險(xiǎn)和損失。