深冷法制氧裝置優(yōu)化運行研究

劉福明， 姜 超， 羅建偉， 武 廣

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

工業(yè)氣體氧氣生產(chǎn)中一般可獲取的氧氣產(chǎn)品有：工業(yè)O2、高純度O2和醫(yī)用O2等。設(shè)備制取O2的辦法一般是利用空分技術(shù)，個別工業(yè)中采用電解水或其他方法也可獲取O2，冶金行業(yè)是通常采用空分制氧，具有代表性的空分制氧技術(shù)有：深度冷凍法（深冷法）、變壓吸附法和膜分離法等。

1 制氧裝置現(xiàn)狀介紹

1.1 設(shè)備配置

某公司現(xiàn)有的制氧設(shè)備為3 套21 000 m3/h 深冷空分裝置和1 套公輔設(shè)備，可生產(chǎn)的產(chǎn)品有O2、液氧、N2、液氮、Ar 和液氬。O2產(chǎn)量為15 萬m3/h，N2產(chǎn)量為17 萬m3/h，Ar 產(chǎn)量為4 700 m3/h。

1.2 工藝結(jié)構(gòu)

深冷制氧工藝流程：空壓機將原料空氣進行壓縮、冷卻及液化后，液態(tài)空氣進入分子篩純化系統(tǒng)進行篩分凈化，凈化后的空氣被分為兩路送至分餾塔，利用O2、N2和Ar 不同的沸點，通過重復(fù)蒸發(fā)、冷凝進行精分餾[1-2]，最終得到O2、N2和Ar 產(chǎn)品。

設(shè)備當(dāng)前采用的DCS 控制系統(tǒng)[3]是PKS R101 DCS 系統(tǒng)，整個系統(tǒng)通過共享服務(wù)器和C/S 的架構(gòu)實現(xiàn)監(jiān)控。DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 制氧裝置DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 問題分析

設(shè)備當(dāng)前控制系統(tǒng)為C/S 架構(gòu)，服務(wù)器不能停機做檢修，服務(wù)器統(tǒng)一監(jiān)控3 套空分設(shè)備和1 套公輔設(shè)備，一旦發(fā)生故障，會直接影響所有設(shè)備的監(jiān)控工作。服務(wù)器長期運行得不到有效的維護檢修，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)如下問題：

1）系統(tǒng)程序不能備份。

2）修改程序或增加程序后，裝載時會出錯，存在風(fēng)險。

3）服務(wù)器工程數(shù)據(jù)庫部分測點、流程圖數(shù)據(jù)丟失。

另外，制氧裝置系統(tǒng)自運行以來，陸續(xù)增加了氬泵、數(shù)據(jù)采集裝置等，利用了預(yù)留的I/O 接口，現(xiàn)在系統(tǒng)的I/O 接口被全部占用，沒有余量。

2 制氧裝備系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 系統(tǒng)優(yōu)化方案

針對某公司制氧裝置DCS 控制系統(tǒng)目前存在的問題，對原有DCS 系統(tǒng)進行分離升級優(yōu)化改造，將原有的控制系統(tǒng)一分為二，降低問題集中的風(fēng)險。更換升級分離得到的2 套系統(tǒng)的冗余模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊，解決老舊系統(tǒng)無備件、兼容性低的問題。進一步擴展I/O接口，解決I/O 接口無余量的問題。改造優(yōu)化工作內(nèi)容包括：

1）對系統(tǒng)進行分析和升級。

2）新增加1 對冗余服務(wù)器及操作站等配套裝置，安裝最新版應(yīng)用軟件，配置2 000 個I/O 接口授權(quán)。

3）分離原系統(tǒng)中的2 套C200 冗余控制器，形成可獨立工作的DCS 系統(tǒng)。

4）更換升級系統(tǒng)硬件，采用最新版冗余控制器、冗余模塊和容錯以太網(wǎng)模塊，替換原有相應(yīng)部分，并對分離后的系統(tǒng)進行平臺升級。

分離升級優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 分離升級優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 方案實施

結(jié)合生產(chǎn)中空分設(shè)備檢修工作的安排以及實際生產(chǎn)組織情況，方案實施時先對3 號空分設(shè)備進行優(yōu)化改造，然后，再對公輔設(shè)備進行分離升級。按上文優(yōu)化方案對3 號空分進行升級，升級過程中更換了C200 冗余控制器、R M冗余模塊和FTEB 容錯以太網(wǎng)模塊等部分。完成分離升級工作后，拆下3 號空分設(shè)備上的新板卡，安裝回原卡并進行升級。升級完成的板卡可在公輔設(shè)備系統(tǒng)升級時再次利用。

3 制氧裝備優(yōu)化系統(tǒng)方案工業(yè)應(yīng)用和經(jīng)濟性分析

3.1 工業(yè)應(yīng)用

根據(jù)上文闡述的優(yōu)化方案，對某公司3 套空分制氧裝備進行改造，改造工程分3 個步驟進行：前期準(zhǔn)備、優(yōu)化改造施工和結(jié)果測試。

3.1.1 前期準(zhǔn)備

備份當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、流程圖等關(guān)鍵工作信息。升級冗余服務(wù)器，對系統(tǒng)進行功能性測試。準(zhǔn)備硬件配件，完成接線，確保各設(shè)備上電正常運行。

3.1.2 優(yōu)化改造施工

首先，規(guī)劃建立3 號空分設(shè)備和公輔設(shè)備獨立的DCS 控制系統(tǒng)，確認(rèn)功能后從原系統(tǒng)中分離出來。然后，對系統(tǒng)進行軟、硬件的升級，使用最新版本的軟件系統(tǒng)，新增2 臺冗余服務(wù)器、4 臺操作站及配套件等硬件結(jié)構(gòu)。對原系統(tǒng)硬件模塊進行升級，更換新的C200 冗余控制器、R M冗余模塊和FTEB 容錯以太網(wǎng)模塊等部分，并對系統(tǒng)平臺進行升級。

3.1.3 結(jié)果測試

優(yōu)化改造后，對系統(tǒng)各項功能進行測試，確保無誤后，投入運行。主要進行以下幾項功能測試：

1）測試流程圖界面：正常運行制氧裝置，流程圖界面能正確并流暢地顯示運行參數(shù)，如流量、壓力、液位和設(shè)備狀態(tài)等，表明流程圖界面正確、無誤。

2）測試參數(shù)設(shè)定功能：實際運行設(shè)備，自定義運行參數(shù)，調(diào)節(jié)設(shè)備運行狀態(tài)。設(shè)定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)生產(chǎn)狀態(tài)。經(jīng)測試，參數(shù)設(shè)定正確有效。

3）測試報警功能：報警功能包括設(shè)備運行工藝參數(shù)的限位報警、聯(lián)聯(lián)鎖報警和運行異常報警等，通過觀察設(shè)備運行過程及報警信息，報警功能正確無誤。

4）測試記錄、備份功能：記錄、備份功能用于記錄操作人員的操作信息、備份設(shè)備運行數(shù)據(jù)，方便信息追溯，經(jīng)試用觀察，記錄、備份功能正確無誤。

3.2 經(jīng)濟性分析

某公司制氧裝置DCS 控制系統(tǒng)分離改造之前，由于服務(wù)器不能停機檢修，長期運行已積累諸多問題。其中，程序問題、流程圖數(shù)據(jù)問題尤為突出。在生產(chǎn)過程中，程序故障頻繁出現(xiàn)，程序無法備份、修改程序后裝載不成功，流程圖數(shù)據(jù)出錯，平均解決時間為48 h。由于個別配件版本老舊，問題無法徹底解決，故障隱患仍然存在。每套設(shè)備產(chǎn)量按O2：21 000 m3/12 h、N2：21 000 m3/12 h 和Ar：750 m3/12 h 計算，直接損失約312 萬元。另外，由于3 套空分設(shè)備和1 套公輔設(shè)備共用1 套控制系統(tǒng)，無法獨立停機檢修，其中1 臺發(fā)生停車事故，其余設(shè)備也得同時停機，系統(tǒng)再次啟動恢復(fù)生產(chǎn)至少需要12 h，直接損失約52 萬元。以上成本損失尚未計維修相關(guān)費用。

對DCS 控制系統(tǒng)分離升級改造后，分為相互獨立的2 套系統(tǒng)，1 號、2 號為1 套，3 號、公輔為1 套。2套系統(tǒng)可獨立工作，也可同時工作。

首先設(shè)計了3 號空分和公輔設(shè)備的控制系統(tǒng)，確認(rèn)功能后，再從原系統(tǒng)分離，獨立做系統(tǒng)升級，并未造成設(shè)備全面停機。對于分離升級完成后的系統(tǒng)，在為期6 個月的試運行階段，服務(wù)器在一備一用的狀態(tài)下進行檢修維護，排除了若干問題，避免了停機事故的發(fā)生，維護按4 h 計，另系統(tǒng)停機后完全啟動需12 h，粗略估計可節(jié)約70 萬元。此外，對空分設(shè)備和公輔設(shè)備制定了嚴(yán)格的1 次/月的維保計劃，維保時一備一用，不耽誤生產(chǎn)進程。在試運行期間，2 號設(shè)備因發(fā)生故障停機一次，停機至維修完成投入使用整個過程中，未影響3 號空分和公輔設(shè)備的運行，未影響生產(chǎn)運行，則至少可節(jié)省52 萬元。

4 結(jié)語

針對某公司制氧裝置配置情況、工藝流程以及DCS 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的具體問題，提出相應(yīng)的解決方案。設(shè)計制氧裝置分離升級優(yōu)化方案，將原有1套系統(tǒng)分離為2 套獨立的系統(tǒng)，并對系統(tǒng)軟硬件進行升級或更新，解決風(fēng)險集中、I/O 接口余量等問題。實施分離升級改造方案，并對改造完成后的系統(tǒng)進行功能測試與試運行，優(yōu)化后的系統(tǒng)具有較較好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。