50万吨催化柴油加氢装置及机组ESD紧急停车系统

1．前言 紧急停车系统ESD，对石油化工生产装置或不采取措施将继续恶化的状态进行相应的保护，使生产装置进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可以接受的最低程度，以保证人员、设备、生产和装置的安全。ESD是适用于高温、高压、易燃、易爆等连续性生产装置的安全保护系统，为提高企业的经济效益，安全平稳、长周期地连续生产是至关重要的。“该动则动，不该动则一定不动”是ESD的明显特征。玉门油田分公司-炼油化工总厂50万吨/年催化柴油加氢改质装置上，对装置及机组ESD紧急联锁停车系统的要求,为了更好地提高机组控制系统的整体性、可用性、保证机组控制安全可靠，系统选用了MOORE 公司的QUADLOG双重化控制系统。　　2．系统配置及控制原理　　该系统是MOORE于1995年推出的一套专门为安全应用场合提供完善解决方案的可编程序电子控制系统，具有独特的、很强的自诊断功能，安全级别高达 TǙV AK6，能够方便实现于第三方DCS通讯，基于WINNT平台的开放系统，把连续控制、梯形逻辑、顺序控制、结构语言放在同一控制软件包中和安全PLC系统有机的相连，符合IEC1131国际标准的组态软件。其系统总图如图1:　　2．1硬件配置及功能说明：　　工程师站及操作站：选用2台DELL工作站作为该装置的工程师站及操作站，工程师站可以离线和在线组态、修改、设置参数及系统维护和操作功能，并作为操作站监控现场和调节操作。　　控制器及I/O卡：选用2对CCM+控制器和17对I/O卡件（模拟量输入卡件CAI、开关量输入输出卡件CDM、模拟量输入输出CAM 热电阻卡件RTD）组成该控制系统，每种类型I/O卡件具备双重化冗余容错功能，同时卡件具备对故障和信号出错的鉴别及处理功能，所有I/O卡件还具备对现场开路及短路等故障的鉴别及处理功能，每种类型卡件均能在线热插拔和更换，I/O通道和P+F隔离珊与现场的信号隔离相连。其冗余结构如下图：　　W505控制器：选用杭州汽轮机厂提供的伍德瓦特505E型控制器，分冷启动和热机启动两种SEQUENCE启动程序，第一阶段从零转速上升到暖机转速，每秒1%的阀位开度升速，暖机1刻种，第二阶段IDEL1从暖机转速上升到3000r/min，升速率10r/s,暖机1刻种，第三阶段IDEL2从3000r/min上升到7810r/min,升速率10r/s，其中转速从5500r/min 到 6000r/min过程中以50r/s穿过极限转速，最后达到可调转速，和ESD实现远传控制压缩机的转速及联锁保护，额定转速为10413 r/min。　　2．2控制系统功能：　　逻辑控制功能主要完成加氢装置的开停车联锁及机组部份的联锁与控制，具有高可靠性的实时故障诊断控制系统和完整的过程控制联锁功能。采用故障限制原则，使系统采用有效的安全措施将系统硬软件的故障对系统造成的影响限制在最小范围内。该装置组态包括：装置联锁部分、新氢往复压缩机部分、循环氢蒸汽透平离心压缩机部分。　　循环氢压缩机控制包括主副油泵的自启动切换，润滑油温度控制，轴温度、轴震动和轴位移双重冗余保护，干气密封联锁，转速调节，凝汽器水位调节以及启动联锁条件等；并设有手动操作台装有该机组复位、投自动、急停按钮、运行指示和联锁声光报警等；润滑油总管压力采用三取二逻辑联锁，压缩机入口压力采用1oo2D联锁。其部分逻辑功能块如下：　　往复压缩机和进料泵以及高压注水泵主要有油泵控制和轴温度保护控制及联锁，部分轴温度保护通过双支热电阻冗余到现场。　　2．3防喘振控制特点：　　压缩机都是设计在远离喘振状态下工作的。不过，操作中以外的变化会使压缩机在运行过程中吸入流量减少到一定值时，出现一种不稳定的工作现象，其吸入流量和出口压力会周期低频率大幅度的波动，并引起设备的强烈震动，这种现象被称为压缩机的喘振。每台离心式或轴流式压缩机都有一个最大压头和最小流量的极限，超过这个极限，压缩机将会发生喘震。　　压缩机喘振控制在工艺操作过程视为次要的，但作为压缩机的保护装置则是主要的，防止这种有害现象发生是压缩机控制系统最重要的任务之一。为避免喘振，必须改变操作，或者降低出口流体的阻力，或者增加压缩机的流量。但喘振往往产生得非常快,因此必须应用专门的控制技术及时开启喘振阀,来防止喘振发生。　　要想防止压缩机喘振的发生，就要知道压缩机运行时它的喘振点在哪里，才能确定一个合适的喘振控制裕度，再根据喘振发生的特点通过一些特定的控制来控制防喘振的发生，保护机组安全稳定地运行。一般离心式压缩机喘振控制系统的基本原理图见图3，采用Pd/Ps和C•h/Ps做喘振线，其基本形状为抛物线，而采用Pd/Ps和（C•h/Ps）2做图时得到的喘振线则在工作点附近基本呈直线形状。　　由厂家提供的压缩机预期性能图和数据表得出压缩机正常工况下的喘振线如上右图4，通过气体状态方程将绝对状况曲线转化为实际状况曲线。P1 V1/ T1=P2 V2/ T2　　由流量与差压的关系：Q2=C△h/ρ, ρ= PsM/ZRTi　　该机组喘震线方程为：Pd/Ps=a+b＊△h/Ps　　式中：Pd——出口压力，Kpa；Ps——入口压力，Kpa；C——常数（由孔板尺寸决定），m2；△h——孔板差压（与流量的关系式为Q2=h），Kpa; Ti——入口温度；Z为压缩因数，R为气体常数，M为分子量；ρ——密度；a、b为喘振线系数，由机组特性决定。　　通过厂家提供的压缩机预期性能图和数据表确定a,b 的值，得到压缩机喘振曲线，然后向右移动10%的余量，即为压缩机的防喘振设定曲线，构成PID压缩机防喘振调节回路。我厂在实际的调试中以5%的余量设为紧急开启线，然后通过3次1%的余量调整的逐步逼近，最后得到近似的实际喘振线。该喘振调节系统最主要的目的是有效地调节压缩机的流量已满足各种工艺过程的操作要求；其次，在各种正常和非正常的工艺条件下保护压缩机也是十分重要的。　　2．4过程控制及SOE功能：　　系统带有SOE功能，I/O卡件给CCM+控制器提供事件顺序能力，在每次扫描期间，控制器检查所指定的被称为事件的离散变量的状态改变。当一个事件发生时，控制器将变量的当前状态和时间协签存储在缓冲区内，以便组态提取事件顺序。SOE的识别时间间隔为≤1ms，SOE的事件记录存储时间为不少于6个月，并可实时存贮在硬盘的历史中，并可通过打印机打印出来。　　2．5 MODUBUS通讯功能：　　CCM+控制器与DCS通过RS－232/485接口与DCS系统进行通讯，通过系统组态，将部分有用的数据实时传递给DCS，方便车间操作人员通过DCS监视大型机组的运行状况。　　2．5 机组诊断：　　分析压缩机机组故障诊断的特点，对压缩机机组引入模糊集合概念和模糊控制思想，通过维修专家的头脑中构成的故障现象模型，进行实际比较和综合运行情况的评定，建立压缩机机组故障诊断模型，应用于实际的机组控制系统的诊断过程，能有效的减少人为因素的主观影响，使得故障诊断准确、快速。　　通过对压缩机机组故障诊断的分解情况，应用模糊数学的基本原理，选定典型故障原因及故障现象，确定为论域。然后分析故障与原因之间的多种对应关系，确定各种现象与原因之间的权系数，确定模糊关系矩阵。再通过系统的组态，使压缩机的诊断系统模块融入到机组保护系统中间，确保大型机组安全、稳定的运行。　　3．总结:　　通过对压缩机机组的控制系统的组态和调试，以最佳控制方案，使压缩机机组在非满负荷的工况下，效率最高，操作范围宽，设备安全，具有足够的灵活性和可靠的防喘振保护系统。然后通过熟悉掌握工艺过程和压缩机的操作性能，对压缩机机组故障进行分析和研究，确定压缩机机组诊断系统，从而使压缩机控制系统达到最佳化和最优化。 　 作者单位：中石油西北油田炼油化工总厂自控中心 　地址：甘肃酒泉市油田基地大楼1108　735200　Email：majidong1998@yahoo.com.cn