TRICON控制系统在大连大化集团合成氨装置压缩机组液压改造项目中的应用

北京康吉森自动化设备技术有限公司 李国权

1 项目概况

大连大化合成氨装置是早期引进林德的化工项目，是大连市政府为了建设旅游城市而进行的重点搬迁改造扩建项目，由大连的甘井子区搬到瓦房店松木岛化工区，由于运行多年，设备陈旧，压缩机调速系统技术落后等问题，在本次搬迁重建过程中，决定将原有装置氮气压缩机、空气压缩机、合成气压缩机三台压缩机组的机调速系统，改造为液调速系统，以提高控制及可靠性，满足机组控制的需要。同时，扩大生产能力，新上一台空气压缩机及一台氨冰机，但由于是搬迁项目，工厂停产多年，经费紧张，原控制方案只好将五台压缩机组由一套ITCC控制系统完成。

2 控制方案风险分析

大化集团合成氨厂为下游装置提供空气、氮气及氨气，动力装置有三台机组：空压机、氮压机及新空压机，在整个工艺流程的始端，合成氨装置有两台：合成气压缩机及氨冰机，在整个工艺的末端。由一套ITCC控制系统控制以上五台机组，风险如下。

2.1 装置检修无法保证ITCC系统正常检修

空分装置为全厂设备供应空气及氮气等，有一部分空气作为仪表风供为全厂的调解阀等设备作为动力，装置检修时，只有全厂装置都停车检修后，空分装置才能停车检修，同样道理，装置开车时，空分装置要先开正常，为全厂供风，况且在装置检修期间，有些设备检修也需要空气作动力，检修期间进入密闭装置更是需要通风，这样一来，空分装置的空压机、氮压机等机组只可以进行轮流检修，而ITCC控制系统却无法断电，进行正常检修，这样势必影响ITCC控制系统的可靠性及稳定性，给控制系统埋藏隐患，若处理不及时，甚至可能会造成全厂的大面积停车。

2.2 开车期间容易造成全厂装置生产波动

开车期间，空分装置三台机组已运行正常，而合成气压缩机及氨冰机还处于调试阶段，如果处理不当，容易误动空分装置三台机组相关仪表，势必会影响空分三台机组的正常运行，造成全厂的生产波动，甚至影响全厂的正常开车，一套控制系统要运行十年以上，而这种开车期间系统联调造成空分装置波动的隐患和风险是一直存在的。

2.3 系统扫描时间长，影响控制效果

控制系统的扫描时间由硬件I/O点扫描和程序处理等部分组成，五台机组由一套控制系统实现，卡件数量多，I/O点多，硬件扫描时间将加大，同样道理，软件逻辑大小也会相应加大，这会使系统整个扫描周期加长。改成两套控制系统，每套系统的I/O点相应减少，硬件扫描时间减少，软件逻辑处理花费的时间都会减少，这样会缩短系统扫描时间，提高系统响应速度，进而提高控制质量；系统的负荷低，延长使用寿命，确保系统的可靠性。

本着从控制系统可靠性出发，从用户的生产实际出发的原则，为了确保大化合成氨装置的长周期安全运行，决定将由两套ITCC控制系统实现五台机组的控制，按工艺装置分类，一套ITCC系统控制空压机、氮压机及新空压机；另一套ITCC系统控制合成气压缩机及氨冰机；两套ITCC系统组成一个控制网络，一台操作站可同时操作五台压缩机组，极大方便了用户的操作及维护。

3 系统结构及配置

空压机控制系统，实现空压机、氮压机及新空压机的控制，合成气压缩机控制系统实现氨冰机及合成气压缩机的控制。

图1 空压机控制系统图

图2 ITCC HMI 示意图

每套系统都配冗余TCM卡，两套控制系统通过交换机组成一个控制网络，工程师站可以分别访问两个控制系统。而且每个操作站都配有双网卡，与TCM卡实现冗余网络。五台机组的操作画面均在一个HMI画面内，这样就实现了一台操作站可同时操作五台机组。

4 液压系统改造

4.1 先进的测速系统

转速是汽轮机极为重要的状态参数，速度测量的精度直接影响调速系统的控制情况，它是汽轮机控制的重要因素，只有转速的高精度检测，才能确保汽轮机调速系统的精度，确保汽轮机组安全运行，测速系统由磁阻发讯器与TRICON ITCC控制系统（包括脉冲卡）构成，如图3所示。

图3 测速系统构成示意图

磁阻发讯器是用来将被测转速信号转换为相应频率信号的测量元件，由测速齿盘和测速传感器构成，测速齿盘装在汽轮机轴上。

4.2 速度信号产生原理

测速传感器（探头）采用磁阻无源探头，以AI-tek为例，工作原理如下：

无源磁阻测速传感器由磁铁、磁极及线圈三部分组成，磁力线顺着磁极方向，从磁极穿过磁极、线圈到传感器的末端；然后返回到磁铁的另一端。当含铁物体靠近磁极时，磁场将加强；远离磁极时，磁场将减弱。磁场强弱的突然变化，势必在线圈中产生感应电压信号。如果采用与传感器相匹配的物体作为测量目标，将会产生正弦波信号。测速传感器将固定在转速轴的齿轮作为测速目标，传感器被安装在离旋转轴齿轮很近的地方，大约1mm间隙。当测速盘随主轴旋转时，各齿轮经过传感器，磁场的变化使传感器内部产生感应正弦电压信号。输出电压的大小取决于齿轮以多快的速度经过传感器、传感器和齿之间的间隙以及传感器的结构。典型的齿轮有30～120个齿，均匀地分布在其周边。输出频率和轴的转速及齿的数目成正比。

采用此种测速方式，可实现转速的精确测量，现场操作柱配有转速表，方便实现现场对机组转速的控制。

4.3 速关组件

速关控制装置是汽轮机保安系统和控制系统的集合。它将原来该系统中单个部套组合在一起。以克服管路繁多、安装复杂的缺陷，在运行中也避免了监控困难和产生漏油着火的事故，增加了汽轮机运行的可靠性和安全性。

速关控制装置能实现汽轮机正常启动与停机、电动与手动紧急停机、速关阀在线试验和危急遮断器自动挂钩等。为了增加安全性，速关控制装置还设置了电动紧急停机的冗余系统。

以上功能分别由基本模块、冗余模块、启动模块来实现。

高压油从“P”进入基本模块，在基本模块壳体内分为五路。

图4 油路原理图

第一路经手动停机阀（2274）进入停机卸荷阀（2030、2031），克服弹簧力使阀处于关闭状态。正常运行时，通向停机卸荷阀的速关油不泄油。

第二路油经调节油切换阀（2050）变为调节控制油成为电液转换器供油。

第三路通向手动阀（1830）转变为速关油，进入速关阀。

第四路进入冗余模块，成为该模块的电磁阀2227的高压油源。

第五路也进入冗余模块，成为该模块的电磁阀2225和切换阀2061的高压油源。

4.3.1 危急遮断跳闸

扳动调节系统中危急保安装置（2210）的手柄或者危急遮断器跳闸，以及轴向位移达到不允许值时，此时危急保安装置（2210）进油口被封闭，这时速关油和回油口“T”接通，速关油排放到油箱，速关阀快速关闭。同时，速关控制装置中调节油切换阀（2050）动作切断了调节油源，调节油排放到油箱，使调节汽阀迅速关闭。

4.3.2 手动紧急停机

操纵手动停机阀（2274），使控制油与回油接通，卸荷阀（2030）由于控制油压力下降迅速开启，这时速关油与回油接通，速关油压力下降使速关阀迅速关闭。同时，调节油切换阀（2050）动作切断调节油源，调节油排放到油箱，使调节汽阀讯速关闭。

4.3.3 电动紧急停机

电磁阀（2225）接受信号电源（手动或远程自动），根据用户需要，可以设计为常开（NO）状态或常闭（NC）状态。

在常开（NO）状态时，电磁阀不带电，高压油经电磁阀通向停机卸荷阀（2030）活塞中，油压力克服弹簧力使阀处于关闭状态。当接通电源信号后，电磁阀动作并切断通向停机卸荷阀（2030）的控制油源，这时控制油与回油接通，卸荷阀开启，速关油泄压，速关阀迅速关闭。同时，调节油切换阀（2050）动作切断调节油源，调节油排放到油箱，使调节汽阀迅速关闭。

在常闭（NC）状态时，电磁阀带电，高压油经电磁阀通向停机卸荷阀（2030）活塞中，油压力克服弹簧力使阀处于关闭状态。当切断电源信号后，电磁阀动作并切断通向停机卸荷阀（2030）的控制油源。这时控制油与回油接通。卸荷阀开启，速关油泄压，速关阀迅速关闭。同时，调节油切换阀（2050）动作切断调节油源，调节油排放到油箱，使调节汽阀迅速关闭。

4.3.4 速关阀在线试验

速关阀在线试验阀（1845）是三位阀，平常不工作时阀滑处于中间位置。当旋转速关阀在线试验阀（1845）手轮时，试验油经“H1或H2”接口流向速关阀“H”接口，油压使试验活塞产生一个压力，试验活塞将推动阀杆活塞——弹簧模块沿关闭方向移动一个试验行程，然后反方向旋转试验阀（1845）手轮，阀滑恢复到中间位置，试验活塞的油与回油接通，这时速关阀恢复到正常工作位置。

速关阀在线试验时，逆时针旋转试验阀手轮使“H1”接口通油检查一个速关阀，顺时针旋转试验阀手轮使“H2”通油检查另一个速关阀。用户只有一个速关阀时，可选用其中一个接口。

4.3.5 冗余模块

（1）组成：

电磁阀（2226）；

停机卸荷阀（2040）。

（2）功能：

电动紧急停机。

（3）作用原理：

进入冗余模块的高压油是从基本模块内部供给的。高压油经电磁阀（2226）进入停机卸荷阀（2040），克服弹簧力使阀处于关闭状态。在正常运行时，通向停机卸荷阀的速关油不泄油。速关油是由启动模块引入的。

电动紧急停机时，电磁阀（2226）接受信号电源（手动或远程自动）。根据用户需要可以设计为常开（NO）状态或常闭（NC）状态。

在常开（NO）状态时，电磁阀不带电，高压油经电磁阀通向停机卸荷阀（2040）活塞中，油压力克服弹簧力使阀处于关闭状态。当接通电源信号后，电磁阀动作切断通向停机卸荷阀（2040）的控制油源，这时控制油与回油接通，卸荷阀开启，速关油泄压，速关阀迅速关闭。同时基本模块中调节油切换阀（2050）动作切断调节油源，调节油排放到油箱，使调节汽阀迅速关闭。

在常闭（NC）状态时，电磁阀带电，高压油经电磁阀通向停机卸荷阀（2040）活塞中，油压力克服弹簧力使阀处于关闭状态，当切断电源信号后，电磁阀动作切断通向停机卸荷阀（2040）的控制油源，这时控制油与回油接通，卸荷阀开启，速关油泄压，速关阀迅速关闭。同时，基本模块中调节油切换阀（2050）动作切断调节油源，调节油排放到油箱，使调节汽阀迅速关闭。

电液转换器接收控制系统4～20mA信号，将调节切换阀（2050）的调节油转换成 0.15～0.45MPa的二次油压，输出到错油门，控制伺服机构，进而控制主汽门开度。

液压改造后，机组操作灵活，基本实现了零转速自动启机，使压缩机转速得到了精确控制，达到了万分之五的控制精度。

5 结语

对于任何项目，需首先对整个项目控制方案进行分析，评估项目执行风险，制定相应的方案或补救措施，尤其对于液压改造的项目更应做好评估工作，前期应配合液压供应商做好前期测绘工作。在整个项目执行阶段，做好供应商的供货质量管理、施工方案审核以及施工过程质量管理等工作，确保项目按计划实施，认真熟悉原控制系统的控制方案，将原系统的精华及用户的操作习惯融合到TRICON控制系统中，同时做好用户仪表工程师及操作人员的技术培训工作。在项目执行过程中，充分调动用户技术人员的积极性，积极参与到控制方案制定及组态过程中，使他们在项目实施过程中，逐渐了解TRICON控制系统，为今后的系统维护奠定基础，使项目顺利实施有了可靠保障。