氧气透平压缩机仪控系统改造

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氧气透平压缩机仪控系统改造

$ a) D; I+ u" ~& L8 P, v% n7 E. G+ T! x唐文焕　刘向侠　梁亚霖

) P$ K+ A' ~! P+ R& O0 p3 @本文作者唐文焕先生，哈尔滨气化厂仪表车间主任、工程师；刘向侠女士，助理工程师；梁亚霖先生，浙大中控技术有限公司工程师。

  _. }6 V! g, ]/ A 关键词：氧气透平压缩机　DCS　控制
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   哈尔滨气化厂使用的氧气透平压缩机(以下简称氧压机)是杭州制氧机厂80年代初期生产的TY-167/0.2-30.4-V型透平氧压机，为双缸十级水平剖分式离心压缩机。氧压机原仪控系统也是由杭州制氧机厂配套的，根据高压氧压机的特点，配置了较为完善的自动化系统，自1992年氧压机试车生产以来，基本上达到连续稳定运转的要求，特别是在开始的几年，仪控系统故障率很低。但随着运行时间不断延长，系统故障率逐渐升高，已经发生几起误停车事故，直接影响了全厂的安全稳定长周期运行。为了解决以上问题，气化厂决定用浙大中控的JX-300X分散控制系统对氧压机仪控系统进行改造。
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% m/ Y; T% W. K4 h! ]一   工艺特点描述
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1.    氧压机简介

    低压氧气由入口导叶进入压缩机，经各个气缸的压缩、冷却后，在出口达到较高的压力，再经高压旁通阀和高压放空阀调节到所需的压力。两级压缩机的进出口都有密封装置，有氧气、氮气和氧氮混合气密封。密封气的压力与气缸内的压力保持一定的差值，以免润滑油进入气缸内部或溢出。密封不好会造成润滑效果不佳，使相关部位温度升高，机件磨损严重，加速设备老化，增加不安全因素。
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4 K' `  s- q9 {2 Z8 X) `5 ~/ ?压缩机各段进出口气体温度及各运转部位的温度正常与否是反映压缩机运转状态好坏的重要标志，而各摩擦部位温度的高低，与安装和润滑情况的好坏有关。因此在压缩机的温度控制中，要密切关注压缩机各部位的温度变化，如机壳、电动机、气缸内氧气以及转轴等任意一处温度超出高高限，就必须停掉压缩机，以免毁坏压缩机和发生危险。气缸内氧气温度高时，还需打开与低压氧气进口处并联的紧急灭火氮气进口，同时关掉氧气。

正常生产中，压缩机运行稳定，振动很小。然而在异常情况下，振动会变得很大，影响正常生产，严重时会使压缩机“飞车”，损坏设备，危及人身安全，因此就需要监测压缩机轴承的振动情况，当轴的位移超过高高限时，须关压缩机。
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3 X' |+ w) \8 D2.    工艺流程
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氧压机的工艺特点：空分装置生产出的低压氧气经氧压机压缩到3.0Mpa，然后送往造气分厂，作为气化剂参与煤气生产。由于压缩介质为高纯度(99.8%)的氧气，同时考虑煤气生产的连续性特点，要求氧压机必须安全、稳定、长周期运行，同时对氧压机的操作和监控也提出了很高的要求，主要有以下几点：

6 i* Q$ x' X  X$ E& e(1)操作必须远离现场，实现遥控自动操作。
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(2)要求完整的安全保护系统。

/ |% V8 Y6 K" Q( @/ R(3)系统可靠性要高，确保氧压机连续运转。


3.    旧仪控系统结构及现状   

2 T' Q1 |2 L8 P  ]5 F# P4 s. J氧压机原仪控系统是由杭州制氧机厂配套的，设置了装在控制室的通道式仪表盘2台，装在现场机傍盘1台，就地仪表架1台。随着运行时间不断延长，系统故障率逐渐升高，其中IKH报警给定器和继电器问题最多，已经发生几起误停车事故，从而直接影响了全厂的安全稳定长周期运行。
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二   DCS改造方案

为了解决以上问题，气化厂决定对氧压机仪控系统进行改造。从氧压机对仪控系统的要求不难看出，仪控系统重点在联锁保护、启/停车程序控制及自动调节部分。根据目前自控技术发展状况及产品的成熟性，气化厂决定选用具有控制灵活、可靠性高、操作简单等特点的分散控制系统(DCS)，替代常规仪表控制系统。
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1.    DCS系统构成
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a. 实现功能

(1)氧压机联锁保护控制。
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2 T: T) _; l5 w4 Q  ~$ {; x(2)氧压机自动启车程序控制。
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(3)氧压机手动启车控制。

, M6 {6 ]0 }) {(4)氧压机正常停车程序控制。

(5)重故障状态下喷氮保护控制。

(6)5个简单调节回路。
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b. 系统规模(3套氧压机)

1 V" q  a* H* U; C0 D& Z(1)模拟量输入点(AI)：190点。包括温度、压力、流量等信号，供系统构成指示或调节回路。
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$ i" r/ M6 {$ `  {, X(2)模拟量输出点(AO)：12点。控制就地调节阀信号。
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4 h6 U! V- e9 p7 c(3)开关量输入点(DI)：96点。包括电动机运行反馈、阀位反馈、压力开关等信号。
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(4)开关量输出点(DO)：54点。包括电磁阀控制、去电气装置等信号。

c. DCS系统选型

在选型时，本着以下几条原则进行：

7 ^9 H( L5 P  K: g4 |8 }(1)可靠性原则
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要求系统本身要有很高的可靠性，同时要求制造商有可靠性设计和可靠性生产保证措施。
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/ X2 x0 h& A5 s* Z/ @(2)实用性原则

) X- |, F" F" f: x实用性是指系统具有本装置中所有要求的功能。
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' N9 h# L5 _' ?* z' e' ]8 Z(3)先进性原则
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6 x1 U  ^% W( zDCS技术发展很快，选型时，在满足前两项要求的前提下，选最先进的系统。
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' }6 D' c( i3 d0 C(4)经济性原则
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对DCS系统要求较高的性能价格比。

本着以上原则，比较国内外几家产品，最终选用了浙大中控的Supcon JX-300X系统。

d. JX-300X系统构成
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! A( ~9 @: c$ F0 {1 s7 @0 iJX-300X系统基本组成包括：工程师站(ES)、操作站(OS)、控制站(CS)和通信网络Scnet II。总体结构分3层：

. f) E, q+ C4 l6 q( S" }( p9 W(1)生产管理层：供工厂管理人员使用，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。
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, {5 t) S, M8 C, V(2)过程控制层：用于控制室的过程控制操作，主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，历史数据存取、优化过程处理等。
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(3)现场控制站：用于现场数据采集处理和执行各种控制指令。

根据现场实际情况，我们只选用了过程控制层和现场控制站两层结构。

, \& K" B; x& P. B: t3 K其系统结构如图1所示：


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2.    DCS联锁原理描述及程序框图
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: e2 r, E; a! `9 ya. 联锁程序总框图(见图2)
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- T6 _8 U% \+ g  u% g( w' m' qb. 紧急停车控制部分
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$ o* z- K! {6 `/ K0 t, |此部分位于辅助操作站，包括紧急停车按钮、氧气入口阀F1119开关控制回路、高压放空阀F1104和高压旁通阀F1105全开控制回路4部分。紧急停车按钮信号不经过DCS系统直接送变电所氧压机停车回路。

2 p3 d7 q, d8 E" M' V) g7 N8 F* Z) U& Z此部分作用是在DCS系统失灵情况下，能保证氧压机紧急停车，使各项压力不超过设计标准，以达到保护氧压机的作用。

c. 压出阀控制系统

9 ?9 e' O: F$ H氧压机压出阀F1102采用ZDZ型直行程电动调节阀，它通过操作界面的“Fvo-1102”和“Fvc-1102”两个按钮来发出阀F1102开关指令，经过隔离继电器J10、J11控制电动机正反转，同时，将阀门的反馈信号0~10mA输入DCS系统，并在操作界面上显示阀门开度。
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为防止阀门开关过度，我们利用F1102全开全关反馈信号XC-1102、XO-1102，用Scx语言实现F1102阀全开全关互锁程序，程序内容如图3所示。
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在实际运行中，阀F1102全关(XC-1102=ON)或开阀按钮“FVO-1102”闭合，关阀按钮自动断开，关阀命令不起作用；阀F1102全开(XO-1102=ON)或关阀按钮“FVC-1102”闭合，开阀按钮自动断开，开阀命令不起作用。
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d. 热电阻断路保护

测温检测元件为铠装热电阻。为防止因热电阻断线或接触不良引起误动作，我们采用以下两个办法实现热电阻断路保护：

7 @- v) G/ n; J3 x0 Z. i(1)通过判断电阻变化率的方法来判别是否断路
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此方法在组态时，利用Scx语言编写保护程序来实现，现以TIAS-1119点为例加以说明，如图4所示。
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(2)对模拟量输入质量码进行判断
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4 V- c% ~  a; ^7 v/ `  M; Z在JX-300X中，位号数据有许多种数据成员和函数成员，其中质量码(Flag)采用位定义，所以可以通过质量码与某个成员的相关数值进行“与”操作的方法来获得该信号是否处于报警状态。若测量点与变送器之间的线路短路或断路，导致信号超量程开路报警，那么通过质量码的D11位就可以判断出来。
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& \$ n2 w3 b5 i3 l; j% {0 p# o; ]通过采取以上两种方法，热电阻在发生断路或接触不良时，系统会自动解除联锁并通过位号颜色判别出故障点，从而避免发生误停车。此外，在各温度点组态时，利用模拟量输入信号点设置的滤波功能，消除外界干扰。

# ?0 z0 w/ u! t# R3 ]2 J" k! [) |三   结束语
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: J6 _# b# n3 {" W8 y+ k; O4 g氧压机仪控系统改造后，一次试车成功，并一直运转到现在，没有发生因仪控系统故障而造成氧压机停车，确保了总厂的连续稳定生产。而基于中文Windows NT开发的实时监控软件用户界面友好，运行稳定，智能化程度高，操作简单，完全满足工艺操作要求，最适用于本装置。

来源：《世界仪表与自动化》

0 [) `& M9 C. J8 l5 f" i5 _出版日期：2002年8月