個(gè)人簡(jiǎn)介：李國權（1971-），男，黑龍江巴彥人，學(xué)士，微電子自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)高級工程師，現任北京康吉森自動(dòng)化設備技術(shù)有限公司項目經(jīng)理。先后完成了中國石油華北石化公司二催、三催化控制系統改造項目、中海油富島化肥氨冰機控制系統應急改造項目、中原乙烯三機組控制系統改造項目及大慶石化公司化肥廠(chǎng)五大壓縮機組調速系統改造等項目。

    摘要：分析了由一套ITCC系統控制五臺壓縮機組存在的風(fēng)險，簡(jiǎn)單介紹了速度測量及速關(guān)組件的工作原理，總結了液壓控制系統改造的項目執行經(jīng)驗。

    關(guān)鍵詞：合成氨裝置；ITCC系統；速度測量；速關(guān)組件；經(jīng)驗

    1 項目概況

    大連大化合成氨裝置是早期引進(jìn)林德的化工項目，大連市政府為了建設旅游城市而進(jìn)行的重點(diǎn)搬遷改造擴建項目，由大連的甘井子區搬到瓦房店松木島化工區，由于運行多年，設備陳舊，壓縮機調速系統技術(shù)落后等問(wèn)題，在本次搬遷重建過(guò)程中，決定將原有裝置氮氣壓縮機、空氣壓縮機、合成氣壓縮機三臺壓縮機組的機調速系統，改造為液調速系統，以提高控制及可靠性，滿(mǎn)足機組控制的需要。同時(shí)，擴大生產(chǎn)能力，新上一臺空氣壓縮機及一臺氨冰機，但由于是搬遷項目，工廠(chǎng)停產(chǎn)多年，經(jīng)費緊張，原控制方案只好將五臺壓縮機組由一套ITCC控制系統完成。

    2 控制方案風(fēng)險分析

    大化集團合成氨廠(chǎng)為下游裝置提供空氣、氮氣及氨氣，動(dòng)力裝置有三臺機組：空壓機、氮壓機及新空壓機，在整個(gè)工藝流程的始端，合成氨裝置有兩臺:合成氣壓縮機及氨冰機，在整個(gè)工藝的末端。由一套ITCC控制系統控制以上五臺機組，風(fēng)險如下。

    2.1裝置檢修無(wú)法保證ITCC系統正常檢修

    空分裝置是為全廠(chǎng)設備供應空氣及氮氣等，有一部分空氣作為儀表風(fēng)供為全廠(chǎng)的調解閥等設備作為動(dòng)力，裝置檢修時(shí)，只有全廠(chǎng)裝置都停車(chē)檢修后，空分裝置才能停車(chē)檢修，同樣道理，裝置開(kāi)車(chē)時(shí)，空分裝置要先開(kāi)正常，為全廠(chǎng)供風(fēng)，況且在裝置檢修期間，有些設備檢修也需要空氣作動(dòng)力，檢修期間進(jìn)入密閉裝置更是需要通風(fēng)，這樣一來(lái)，空分裝置的空壓機、氮壓機等機組只可以進(jìn)行輪流檢修，而ITCC控制系統卻無(wú)法斷電，進(jìn)行正常檢修，這樣勢必影響ITCC控制系統的可靠性及穩定性，給控制系統埋藏隱患，若處理不及時(shí)，甚至可能會(huì )造成全廠(chǎng)的大面積停車(chē)。

    2.2開(kāi)車(chē)期間容易造成全廠(chǎng)裝置生產(chǎn)波動(dòng)

    開(kāi)車(chē)期間，空分裝置三臺機組已運行正常，而合成氣壓縮機及氨冰機還處于調試階段，如果處理不當，容易誤動(dòng)空分裝置三臺機組相關(guān)儀表，勢必會(huì )影響空分三臺機組的正常運行，造成全廠(chǎng)的生產(chǎn)波動(dòng)，甚至影響全廠(chǎng)的正常開(kāi)車(chē)，一套控制系統要運行十年以上，而這種開(kāi)車(chē)期間系統聯(lián)調造成空分裝置波動(dòng)的隱患和風(fēng)險是一直存在的。

    2.3系統掃描時(shí)間長(cháng)，影響控制效果

    控制系統的掃描時(shí)間由硬件I/O點(diǎn)掃描和程序處理等部分組成，五臺機組由一套控制系統實(shí)現，卡件數量多，I/O點(diǎn)多，這樣，硬件掃描時(shí)間將加大，同樣道理，軟件邏輯大小也會(huì )相應加大，這樣系統整個(gè)掃描周期將會(huì )加長(cháng)。改成兩套控制系統，每套系統的I/O點(diǎn)相應減少，硬件掃描時(shí)間減少，軟件邏輯處理花費的時(shí)間都會(huì )減少，這樣會(huì )縮短系統掃描時(shí)間，提高系統響應速度，進(jìn)而提高控制質(zhì)量；系統的負荷低，延長(cháng)使用壽命，確保系統的可靠性。

    本著(zhù)從控制系統可靠性出發(fā)，從用戶(hù)的生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，為了確保大化合成氨裝置的長(cháng)周期安全運行，決定將由兩套ITCC控制系統實(shí)現五臺機組的控制，按工藝裝置分類(lèi)，一套ITCC系統控制空壓機、氮壓機及新空壓機；另一套ITCC系統控制合成氣壓縮機及氨冰機；兩套ITCC系統組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )，一臺操作站可同時(shí)操作五臺壓縮機組，極大方便了用戶(hù)的操作及維護。

    3 系統結構及配置

    空壓機控制系統，實(shí)現空壓機、氮壓機及新空壓機的控制，合成氣壓縮機控制系統實(shí)現氨冰機及合成氣壓縮機的控制。

                   

                                        圖1 空壓機控制系統圖

    每套系統都配冗余TCM卡，兩套控制系統通過(guò)交換機組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )，工程師站可以分別訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)控制系統。而且每個(gè)操作站都配有雙網(wǎng)卡，與TCM卡實(shí)現冗余網(wǎng)絡(luò )。五臺機組的操作畫(huà)面均在一個(gè)HMI畫(huà)面內，這樣就實(shí)現了一臺操作站可同時(shí)操作五臺機組。

                     

                           圖2 ITCC HMI 示意圖

    4 液壓系統改造

    4.1先進(jìn)的測速系統

    轉速是汽輪機極為重要的狀態(tài)參數，速度測量的精度直接影響調速系統的控制情況，它是汽輪機控制的重要因素，只有轉速的高精度檢測，才能確保汽輪機調速系統的精度，確保汽輪機組安全運行，測速系統由磁阻發(fā)訊器與TRICON ITCC控制系統（包括脈沖卡）構成，如圖3所示。

    磁阻發(fā)訊器是用來(lái)將被測轉速信號轉換為相應頻率信號的測量元件，由測速齒盤(pán)和測速傳感器構成，測速齒盤(pán)裝在汽輪機軸上。

                     

                                                圖1.1 測速系統

                                          圖3 測速系統構成示意圖

    4.2速度信號產(chǎn)生原理

    測速傳感器（探頭）采用磁阻無(wú)源探頭，以AI-tek為例，工作原理如下：

    無(wú)源磁阻測速傳感器由磁鐵、磁極及線(xiàn)圈三部分組成，磁力線(xiàn)順著(zhù)磁極方向，從磁極穿過(guò)磁極、線(xiàn)圈到傳感器的末端；然后返回到磁鐵的另一端。當含鐵物體靠近磁極時(shí)，磁場(chǎng)將加強，遠離磁極時(shí)，磁場(chǎng)將減弱；磁場(chǎng)強弱的突然變化，勢必在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電壓信號。如果采用與傳感器相匹配的物體作為測量目標，將會(huì )產(chǎn)生正弦波信號。測速傳感器將固定在轉速軸的齒輪作為測速目標，傳感器被安裝在離旋轉軸齒輪很近的地方，大約1mm間隙。當測速盤(pán)隨主軸旋轉時(shí)，各齒輪經(jīng)過(guò)傳感器，磁場(chǎng)的變化使傳感器內部產(chǎn)生感應正弦電壓信號。輸出電壓的大小取決于齒輪以多快的速度經(jīng)過(guò)傳感器、傳感器和齒之間的間隙以及傳感器的結構。典型的齒輪有30~120個(gè)齒，均勻地分布在其周邊。輸出頻率和軸的轉速及齒的數目成正比。

    采用此種測速方式，可實(shí)現轉速的精確測量，現場(chǎng)操作柱配有轉速表，方便實(shí)現現場(chǎng)對機組轉速的控制。

    4.3速關(guān)組件

    速關(guān)控制裝置是汽輪機保安系統和控制系統的集合。它將原來(lái)該系統中單個(gè)部套組合在一起。以克服管路繁多、安裝復雜的缺陷，在運行中也避免了監控困難和產(chǎn)生漏油著(zhù)火的事故，增加了汽輪機運行的可靠性和安全性。

    速關(guān)控制裝置能實(shí)現汽輪機正常啟動(dòng)與停機、電動(dòng)與手動(dòng)緊急停機、速關(guān)閥在線(xiàn)試驗和危急遮斷器自動(dòng)掛鉤等。為了增加安全性，速關(guān)控制裝置還設置了電動(dòng)緊急停機的冗余系統。

    以上功能分別由基本模塊、冗余模塊、啟動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現。
    高壓油從“P”進(jìn)入基本模塊，在基本模塊殼體內分為五路。
    第一路經(jīng)手動(dòng)停機閥（2274）進(jìn)入停機卸荷閥 (2030、2031)，克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。正常運行時(shí)，通向停機卸荷閥的速關(guān)油不泄油。
    第二路油經(jīng)調節油切換閥（2050）變?yōu)檎{節控制油成為電液轉換器供油。
    第三路通向手動(dòng)閥（1830）轉變?yōu)樗訇P(guān)油,進(jìn)入速關(guān)閥。
    第四路進(jìn)入冗余模塊，成為該模塊的電磁閥2227的高壓油源。
    第五路也進(jìn)入冗余模塊，成為該模塊的電磁閥2225和切換閥2061的高壓油源。

                     

                                                 圖4 油路原理圖

    4.3.1危急遮斷跳閘

    扳動(dòng)調節系統中危急保安裝置（2210）的手柄或者危急遮斷器跳閘，以及軸向位移達到不允許值時(shí)，此時(shí)危急保安裝置（2210）進(jìn)油口被封閉，這時(shí)速關(guān)油和回油口“T”接通，速關(guān)油排放到油箱，速關(guān)閥快速關(guān)閉。同時(shí)，速關(guān)控制裝置中調節油切換閥（2050）動(dòng)作切斷了調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關(guān)閉。 

    4.3.2手動(dòng)緊急停機

    操縱手動(dòng)停機閥（2274），使控制油與回油接通，卸荷閥（2030）由于控制油壓力下降迅速開(kāi)啟，這時(shí)速關(guān)油與回油接通，速關(guān)油壓力下降使速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時(shí)，調節油切換閥（2050）動(dòng)作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥訊速關(guān)閉。 

    4.3.3電動(dòng)緊急停機

    電磁閥（2225）接受信號電源（手動(dòng)或遠程自動(dòng)），根據用戶(hù)需要，可以設計為常開(kāi)（NO）狀態(tài)或常閉（NC）狀態(tài)。
在常開(kāi)（NO）狀態(tài)時(shí)，電磁閥不帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2030）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當接通電源信號后，電磁閥動(dòng)作并切斷通向停機卸荷閥 （2030）的控制油源，這時(shí)控制油與回油接通，卸荷閥開(kāi)啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時(shí)，調節油切換閥（2050）動(dòng)作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關(guān)閉。

    在常閉（NC）狀態(tài)時(shí)，電磁閥帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2030）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當切斷電源信號后，電磁閥動(dòng)作并切斷通向停機卸荷閥（2030）的控制油源。這時(shí)控制油與回油接通。卸荷閥開(kāi)啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時(shí)，調節油切換閥（2050）動(dòng)作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關(guān)閉。

    4.3.4速關(guān)閥在線(xiàn)試驗

    速關(guān)閥在線(xiàn)試驗閥（1845）是三位閥，平常不工作時(shí)閥滑處于中間位置。當旋轉速關(guān)閥在線(xiàn)試驗閥（1845）手輪時(shí)，試驗油經(jīng)“H1或H2”接口流向速關(guān)閥“H”接口，油壓使試驗活塞產(chǎn)生一個(gè)壓力，試驗活塞將推動(dòng)閥桿活塞——彈簧模塊沿關(guān)閉方向移動(dòng)一個(gè)試驗行程，然后反方向旋轉試驗閥（1845）手輪，閥滑恢復到中間位置，試驗活塞的油與回油接通，這時(shí)速關(guān)閥恢復到正常工作位置。

    速關(guān)閥在線(xiàn)試驗時(shí)，逆時(shí)針旋轉試驗閥手輪使“H1”接口通油檢查一個(gè)速關(guān)閥，順時(shí)針旋轉試驗閥手輪使“H2”通油檢查另一個(gè)速關(guān)閥。用戶(hù)只有一個(gè)速關(guān)閥時(shí)，可選用其中一個(gè)接口。

    4.3.5 冗余模塊

    （1）組成
    電磁閥 （2226）
    停機卸荷閥（2040）
    （2）功能
    電動(dòng)緊急停機
    （3）作用原理
    進(jìn)入冗余模塊的高壓油是從基本模塊內部供給的。高壓油經(jīng)電磁閥（2226）進(jìn)入停機卸荷閥（2040），克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。在正常運行時(shí)，通向停機卸荷閥的速關(guān)油不泄油。速關(guān)油是由啟動(dòng)模塊引入的。

    電動(dòng)緊急停機時(shí)，電磁閥（2226）接受信號電源（手動(dòng)或遠程自動(dòng)）。根據用戶(hù)需要可以設計為常開(kāi)（NO）狀態(tài)或常閉（NC）狀態(tài)。

    在常開(kāi)（NO）狀態(tài)時(shí)，電磁閥不帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2040）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當接通電源信號后，電磁閥動(dòng)作切斷通向停機卸荷閥（2040）的控制油源，這時(shí)控制油與回油接通，卸荷閥開(kāi)啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時(shí)基本模塊中調節油切換閥（2050）動(dòng)作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關(guān)閉。

    在常閉（NC）狀態(tài)時(shí)，電磁閥帶電，高壓油經(jīng)電磁閥通向停機卸荷閥（2040）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當切斷電源信號后，電磁閥動(dòng)作切斷通向停機卸荷閥（2040）的控制油源，這時(shí)控制油與回油接通，卸荷閥開(kāi)啟，速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥迅速關(guān)閉。同時(shí)，基本模塊中調節油切換閥（2050）動(dòng)作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關(guān)閉。 

    電液轉換器接收控制系統4~20MA信號，將調節切換閥（2050）的調節油轉換成 0.15~0.45MPa的二次油壓，輸出到錯油門(mén)，控制伺服機構，進(jìn)而控制主汽門(mén)開(kāi)度。

    液壓改造后，機組操作靈活，基本實(shí)現了零轉速自動(dòng)啟機，使壓縮機轉速得到了精確控制，達到了萬(wàn)分之五的控制精度。

    5 項目執行經(jīng)驗總結

    對于任何項目，需首先對整個(gè)項目控制方案進(jìn)行分析，評估項目執行風(fēng)險，制定相應的方案或補救措施，尤其對于液壓改造的項目更應做好評估工作，前期應配合液壓供應商做好前期測繪工作。在整個(gè)項目執行階段，做好供應商的供貨質(zhì)量管理、施工方案審核以及施工過(guò)程質(zhì)量管理等工作，確保項目按計劃實(shí)施，認真熟悉原控制系統的控制方案，將原系統的精華及用戶(hù)的操作習慣融合到TRICON控制系統中，同時(shí)做好用戶(hù)儀表工程師及操作人員的技術(shù)培訓工作。在項目執行過(guò)程中，充分調動(dòng)用戶(hù)技術(shù)人員的積極性，積極參與到控制方案制定及組態(tài)過(guò)程中，使他們在項目實(shí)施過(guò)程中，逐漸了解TRICON控制系統，為今后的系統維護奠定基礎，使項目順利實(shí)施有了可靠保障。