宁夏石化公司电仪部 宁夏银川 750026
摘要：三化肥45万吨/年合成氨装置空压机组, 介绍使用的ITCC 系统对其进行一体化集成控制的情况。
关键词：空压机组 ITCC 系统 防喘振 速度控制
宁夏石化公司三化肥装置建设于2012年，年产合成氨45万吨，是具有自主知识产权的国产化大化肥装置， 关键设备工艺空气压缩机机组（K1301）由杭州汽轮机和沈阳鼓风机集团公司联合制造，汽轮机轴功率为15577kW, 额定空气流量68000Nm3/h。该工艺空气压缩机（K1301）将经入口空气过滤器过滤后的空气经过四级压缩到4.33 MPa（A）、181℃ 后，进入一段转化炉对流段的第一工艺空气预热器（B1401 E02A）和第二工艺空气预热器（B1401 E02B）预热到约 500℃，再送入二段转化炉（R1401）上部与转化气进行燃烧，产生工艺气送往高低温变换单元，空气压缩机组一旦停车，会直接造成三化肥全装置停车。为确保空气压缩机平稳长周期运行，采用了先进了Trocon TS3000 控制系统，实现防喘振和联锁控制，目前系统运行平稳可靠。
1、Tricon TS3000 硬件结构原理
机组控制系统 (Integrated Turbine? Compressor Control，简称ITCC)是I/O信号，CPU，内部总线、I/O扩展总线全部三重化冗余和运行单一程序的容错控制系统。每个系统支路可以独立执行控制程序，并与其它两个支路并行工作，硬件核心是基于Tricon的三重模块容错（TMR）结构的控制器（图一），模块化设计，由主机架、扩展机架、电源模块、I/O模块、处理器模块和通讯模块组成。在处理器内部，一个32位的NS32GX32起着基本处理器作用，而其它两个处理器则管理着I/O和通讯子系统。NS32GX32的运行频率为25MHz，通信处理器80C152的运行频率为16MHz，数据速率为2Mbaud，而I/O通信处理器80C31运行频率为12 MHz，数据速率为375kbaud。每个处理器上有一个称作TRIBUS的高速专用总线系统来传递数据，并进行三取二表决，可自动修正数据，自动判断是否存在故障。现场传感器信号在输入模件中通通过彼此隔离，独立的三个通道，分别被送到三个主处理器中，处理器之间的总线TRIBUS按多数原则对数据进行表决，并纠正任何输入数据的偏差，此过程保证每个主处理器使用相同的数据表决。而主处理器的输出沿着三个通道被输出到输出模件，并在输出模件中再次进行表决和选择。
图一 三重模块容错（TMR）结构的控制器
2、 Tricon TS3000系统硬件、软件配置
Tricon TS3000系统的硬件包括1个主机架和1个扩展机架，其中32通道数字量输入DI卡（3503E） 2块，32通道数字量输出DO卡（3825） 1块，32通道模拟量输入卡（3721）3块，16通道模拟量输出卡（3805E）2块，8通道脉冲输入PI卡（3511） 1块 ,配有1台操作站和1个工程师站进行监控、编程、组态、故障诊断和事件记录（SOE）,通过主机架上的通讯卡（TCM4351B），使用MODBUS RS485实现与本特立3500、杭州和利时HOLLiAS MACS-K DCS系统通讯，辅操台配有空压机紧急停车按钮和复位按钮。
下位组态软件采用Tristation1131软件VERSION4.7.0 ,Trocon SOE软件VERSION4.0 和Trocon DDE软件VERSION4.3.0。上位监控画面软件采用InTouch VERSION10.4开发版，操作站采用InTouch VERSION10.4运行版。
组态软件Tristation1131软件和监控软件InTouch给组态工作带来极大的方便。Tristation1131软件提供的多种编程组态方式和功能模块化的组态方法使组态工作更加轻松，而且支持中文信息描述的输入和显示，同时提供全面的程序仿真功能，可以帮助我们对程序逻辑进行检查和模拟运行测试，还可以随时对程序进行一定的修改而不会中断整个系统的运行，Tristation1131具有SOE (Sequence of Events)事件记录功能，系统设有SOE块，所有输入、输出和内存点都可以由SOE记录下来。由于该系统的SOE可以精确到毫秒级，它对于事故追忆及分析提供了可靠的保证。与上位监控软件InTouch结合能实现全面的数据通讯，而InTouch能够全面的支持中文，为工艺操作人员提供全中文化的操作界面，深受三化肥工艺操作人员喜爱。
3、控制功能
该系统采用基于TUV认证SIL3级别TMR技术的TS3000压缩机控制系统，实现对空压机机组的控制和保护。控制系统的功能包括机组的参数监控、调速控制、防喘振控制，性能控制，超速保护，联锁保护以及顺序事件记录（SOE）等功能。
3.1防喘振控制
压缩机会发生喘振, 可能会严重损坏机组。防喘振控制目的是使工作点始终处于限定的范围内, 而不进入喘振区, 确保机组安全运行，保护范围为机组的整个工作范围。三化肥空压机组(K1301)设有高、低压缸，配备了2套原理相同的防喘振回路，防喘振曲线如图2 所示。TS3000 控制系统综合考虑压力(压比) 、流量、入口温度和各级间入口温度的补偿, 形成了一个设定值。该设定值随着上述各参数的变化而自动调节流量, 使空压机的工作点始终处于安全区域。正常运行时防喘振全关, 由于某种原因空压机发生故障, 工作点靠近控制线, 防喘振阀开始快速打开放空, 流量增加, 使工作点又离开控制线。只要故障存在, 工作点就始终在控制线左右移动, 但始终不会进入喘振区，故障消除后, 工作点将离开控制线, 恢复到正常位置。
图2 空压机的防喘振曲线
防喘振保护控制也不能过早地动作将防喘振放空阀打开，引起能量损失。为此控制方案必须精心设计, 通常人为地在喘振线右侧设定一条控制线, 其形状与喘振线一致, 两者相距5 %～8 %的流量量程值。该距离越小, 放空阀打开的机会就越少, 能量损失越少, 但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。该距离越大, 放空阀打开的机会就越大, 越能保证机组的安全, 但能量损失越大。防喘振控制是TS3000 控制系统的一个很独特的技术, 它依据机组的性能特性及喘振曲线, 并结合采用TRICONEX 独特的防喘振软件包及在机组控制方面的丰富经验来实现对各个机组的防喘振调节, 进而使机组工作于最佳工作点。防喘振控制器在人机界面上可以选择自动、半自动、全手动3 种工作模式，全自动时按照系统自动设定的方案来控制防喘振阀：手动时用户可输入需要的阀位值，半自动是手动输出与自动输出的一个高选值，如自动输出为50%，手动输出为60%，实际输出阀位为60%。.
在正常运行时, 若工作点突然移向喘振区, 喘振设定值徘徊功能将打开空压机防喘振阀放空， 如果机组突然发生喘振或联锁停车, 防喘振阀气路附件电磁阀失电动作, 防喘振阀快速打开。
3.2调速功能和超速保护功能
汽轮机调速在TS3000系统里完成, 设有6个转速探头, 其中1个转速信号传至汽轮机就地盘上的转速显示仪进行显示，2个转速信号经过PI模块处理后传至TS3000系统进入调速模块，经过运算输出4~20mA信号至伺服执行机构，伺服执行机构中的电液转换器将电流信号转换为相应的油压，调速油经错油门放大后，由油动机带动调节阀阀臂控制进汽阀门（调门）来调节蒸汽进汽量，以达到调节转速的目的，从而实现汽轮机自动启动、速度控制、临界转速避免、超速试验等功能。相比传统的调速系统，TS3000 控制系统通过专用的调速软件替代原有盘装电子调速器, 可以实现对汽轮机多种模式的程序调速控制。TS3000 控制系统将根据透平的启动曲线编制自动或半自动启动程序，汽轮机的速度控制有8种方式, 包括停机、允许启动、一阶暖机、二阶暖机、加速、运行、正常停车、超速试验等。在自动启动模式下, 根据启动曲线的升速率, 汽轮机将自动从零转速升到最小转速或额定转速。另外, 还将组态使汽轮机迅速越过临界转速的控制。在半自动启动模式下, 机组操作人员可使汽轮机在零转速到最小工作转速之间的任何转速下停留, 一旦达到最小工作转速, 操作人员可将转速进一步提高到要求的工作转速。在对汽轮机进行调速控制的同时，汽轮机另外3个转速信号进入专用的超速保护装置(TRICONEX TurboSentry? Overspeed Protection ) 进行运算, 超速保护器由三个独立的CPU块组成，将三路速度输入信号实现三取二逻辑，得到的超速停机触点信号输入TS3000系统与其他信号参与进一步逻辑运算, 对机组进行超速保护。
3.3耦合控制
耦合控制是由空压机速度控制器和喘振控制器协同工作的, 对于空压机这样由透平驱动的压缩机, 转速的增高和降低可以改变压缩机的出口流量、入口压力、入口流量和出口压力等参数。正常情况时这种相互作用可以满足一定的转速下维持一定流量的要求, 同时使机组工作点处于防喘振控制线的右侧。但在出现不正常情况时, 相互作用会发生矛盾, 造成系统不稳定。在这种情况下, 为保护机组不发生喘振, 两个控制器的耦合作用将失效, 即进行解耦控制, 将优先选择防喘振控制。
3.4联锁保护功能
TS3000 控制系统是故障安全型控制系统, 当机组内发生故障时, 能按照故障情况用安全的方式停机, 联锁输出具有切换至预先设置的状态或联锁状态的功能。系统具有完善的硬件、软件故障诊断及自诊断功能, 一旦机组发生停车，自动按时间顺序在工程师站上显示故障地址、物理位置和性质, 硬件能诊断到I/ O 模块的通道一级。
机组联锁主要包括允许启动，允许盘车，油泵和凝液泵自启动，机组停车。机组联锁包括抽汽压力低低，排汽压力高高，润滑油总管压力低低，速关油压力低低、压缩机段间分离器液位高高、超速保护。汽轮机、压缩机和增速机轴瓦温度，振动，位移高高。联锁信号选用故障安全型，即正常为1故障为零。现场停车电磁阀正常带电，故障失电。空压机组的轴振动、轴位移监测采用BENTLY 3500振动位移监测系统, 透平，高、低压缸的轴瓦分别安装4支振动探头，2个轴位移测量探头, 在BENTLY3500系统内将轴振动、轴位移的模拟信号转换成高高报警的数字信号, 并对轴振动轴位移高高报警的数字信号进行二取二的运算,对结果进行“与”的运算后, 高高报警联锁跳车信号送至TS3000系统参与联锁逻辑。
在汽轮机速关阀（主汽门）的调速油管路上串联二个跳车电磁阀，当有联锁条件触发时，TS3000系统发出停车跳闸信号，跳车电磁阀动作，将去速关阀的调速油泄掉，速关阀靠本身弹簧的力量迅速关闭，切断中压断蒸汽进入，汽轮机停车。
4结束语
该TS3000 控制系统于2014 年10 月 投用, 在2017年10月空压机组试车及试生产过程中, 在空压机启动、运行、保护等方面表现出良好特性。该系统具有逻辑功能强大，实现起来灵活，没有过多的硬接线，故障率低，并将机组调速控制、防喘振控制、联锁逻辑控制等整合为一体，给操作人员提供了直观、丰富、醒目的信息和灵活、方便、快捷的操作手段，提供了方便的诊断方法和事故追忆功能，大大提高了装置的管理和控制水平，用户反映控制系统稳定可靠, 人机界面友好。
参考文献：
[1]翁维勤．孙洪程，过程控制系统及工程【M]，化学工业出版社，1995
[2]刘志云ITCC系统在大型空分设备空压机组中的应用。
作者简介：陈建中（1966-）男，汉族，江苏省张家港市人，工程师，主要从事仪表维护工作。
论文作者:陈建中
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/6
标签：机组论文; 转速论文; 汽轮机论文; 联锁论文; 系统论文; 控制系统论文; 空压机论文; 《防护工程》2019年第1期论文;