催化主风机防喘振误动作原因分析与解决方案

李忠博

（中国石油锦州石化公司，辽宁锦州121000）

重油催化装置主风机组是供给再生系统烧焦主风及烟气能量回收的重要设备，机组运行、控制和保护与装置的安全、效益息息相关［1］。主风机易受喘振的伤害，严重时喘振会发展为逆流而造成严重的生产事故，所以主风机的防喘振控制技术成为机组控制保护的研究重点［2］。如果防喘振控制系统误动作，会导致催化再生器主风量大幅波动，造成催化剂在反应器—再生器系统内流化异常，严重影响工艺条件，甚至导致装置停产。

1 防喘振控制系统

某石化公司催化装置主风机组是由烟气轮机、轴流式压缩机、电动机同轴连接而成。ITCC机组控制系统采用美国TRICONEX公司的TS3000系统，硬件核心是基于3重模件冗余容错（TMR）结构的容错控制器，3个主处理器和I/O模件完全3重化，系统中所有I/O信号都要经过硬件的“3取2”表决，系统具有很高的可靠性和稳定性［3，4］。

TRICONEX公司的TS3000系统压缩机防喘振控制采用专用的控制功能模块，用于压缩机喘振曲线的绘制，压缩机操作点的计算、压缩机安全裕度的计算与调整［5］。控制器根据主风机入口喉部差压和出口压力共2个参数，运用动态防喘振控制算法进行主风机防喘振控制，使机组具有最大的运行空间，在保证机组安全运行前提下提高运行效率。而且这种方法不会因为进气温度、压力、分子量等参数的变化而对防喘振控制产生影响。

TS3000系统防喘振技术的基本功能：

（1）如果由于某种原因而发生喘振，喘振安全边界会自动重新调整。

（2）工作点突然移向喘振区，设定点徘徊功能将打开放空阀。

（3）控制器有适配增益和快开、慢关功能。

（4）使用软或硬手动控制功能有助于安装、故障检测与测试。

（5）当工作点接近喘振线时，阀门预置特性打开放空阀泄压进行调整。

（6）若联锁停车，用开关量信号打开放空阀。

在防喘振画面坐标系里有机组工作点位置，工作点状态和3条折线的显示。

坐标系横坐标：2个喉部差压PdT-1405A和PdT-1405B（量程0-22kPa）高选后的量程百分比。

坐标系纵坐标：2个出口压力PT-1406A和PT-1406B（量程0-400kPa）高选后的量程百分比。

防喘振调节方式：有手动、自动2种方式。手动方式：手动调节阀门的开度，阀门开度不受控制器输出影响，仅当主风机联锁或安全运行时，阀门开度强制100%开阀。自动方式：工作点进入实际防喘振线左边，在自动位置时，PID自动调节开阀。工作点进入实际防喘振线右边，在自动位置时，PID自动调节关阀。无论上述哪种操作方式防喘振阀都具有快开慢关特性。3催化3机组防喘振阀为2个阀门，分程控制器开度0～50%对应FIC1401A的开度0～100%；控制器开度50%～100%对应FIC1401B的开度0～100%。

3 事故经过与原因分析

3.1 事故经过

2018年1月24日7点04分，主风机出口压力PT-1406A由正常压力274.4 kPa缓慢升高，7点27分升高至327 kPa，而入口喉部差压PdT-1405A/B一直为10.5 kPa无变化，此时主风机工作点进入喘振区，由于防喘振控制回路一直投用为自动状态，因此，放空阀FV-1401A和FV-1401B依次打开，1再、2再主风量随即波动，1再主风量由正常值10.8×104Nm3/h，最低降为6.5×104Nm3/h。2再主风量由3.3×104Nm3/h，最低降为2.8×104Nm3/h，触发主风流量低报警，到7点28分19秒FV-1401A全开，7点32分06秒FV-1401B全开。操作员立即与主操作室联系，根据反应用风量及压力关闭2台放空阀的前后手阀。在此过程中，放空阀反复打开8次，根据控制逻辑每次又部分关回，主风机出口压力、出口流量频繁大幅波动，造成生产波动。

3.2 原因分析

观察历史趋势发现，1月24日早7点04分到7点27分，主风机出口压力PT-1406A指示异常上升，而另1个具有独立引压的测量点PT-1406B一直比较平稳，而防喘振逻辑为2取高，有1个测量点过高就会导致防喘振控制器判断主风机工作点进入喘振区，在自动状态下就会指令放空阀打开。

发生故障时，主风机出口压力PT-1406A和PT-1406B指示不一致，首先检查PT-1406A/B压力变送器的仪表接线、安全栅及DCS通道，结果均正常。接着对PT-1406A变送器进行排凝，发现没有介质排出，怀疑引压管堵塞，然后将PT-1406A拆下，发现膜盒里有杂质和冰碴，在不受压的情况下仪表指示仍不回零，说明变送器膜盒已变形损坏。立即更换PT-1406A压力变送器，并对2台变送器的引压管进行充分排凝，回装新变送器后2台仪表均指示正常。

根据检查结果分析得出事故原因有4点：

（1）主风机仪表在防喘振控制逻辑中2取高方式存在不足。原设计出于对仪表断线、虚接等故障会导致指示变小甚至回零的考虑，在防喘振逻辑中，对主风机出口压力和喉部差压分别设置2台测量仪表，并做2取高逻辑后，再计算出机组的工作点。但是2取高逻辑不能解决仪表指示异常升高的问题，一旦其中1台仪表因故障指示升高，使工作点进入喘振区，则会导致防喘振误动作；

（2）由于主风机防喘振控制方案采用的是TRICONEX公司动态防喘振技术，防喘振线是由多条斜率不同的直线连接成的1条折线，将机组工作区划分为喘振区和安全区，而主风机的工作点位置由主风机出口压力（工作点纵坐标）和喉部差压（工作点横坐标）决定，无法对仪表测点设置常规的高/低报警，因此当主风机工作点向喘振区移动时，只能通过SIS系统运算，自动提前打开防喘振阀，来防止机组喘振。一旦防喘振阀打开，会对再生器主风量产生影响，造成生产波动。因此，目前缺乏对仪表测点设置合理的报警方式，以防止防喘振误动作的发生，降低对正常生产的影响；

（3）主风机出口压力测量点引压管为水平方向引出，不符合《石油化工仪表工程施工技术规范》中第10.2.5条规定：“压力测量宜选用直接取压方式，测量液体压力时取压点宜高于变送器，测量气体时则相反”，主风机出口管线介质为压缩空气，如果取压点位置不低于变送器，易引起引压管内杂质积累、介质冻凝等问题。因此，变送器在安装方式等方面存在问题和隐患；

（4）由于空气经过轴流机压缩后水蒸气饱和度增加，在压力引出管处易冷凝积存，管线中的铁锈在此堆积，冷冻后堵塞引压管，甚至导致变送器膜盒变形，仪表指示异常。由于主风机位于厂房内，因此仪表未进行保温，存在管理方面的问题。

4 解决方案

4.1 防喘振控制逻辑完善

原防喘振控制方案中，将主风机入口流量(主风机入口喉部压差)和出口压力，分别转化为各自的量程百分比作为防喘振线的横、纵坐标，利用TS3000防喘振技术来计算机组当前工作点，判断是否发生喘振。主风机出口压力有2个有独立引压的测点，分别为PT-1406A和PT-1406B，安装在主风机出口管线垂直管段上。为了防止引压管堵塞或仪表断线导致仪表信号指示偏低，因此，在防喘振逻辑中，将主风机出口压力做2取高逻辑后，再进行运算作为防喘振点的纵坐标。同理，主风机入口喉部压差PdT-1405A和PdT-1405B（非独立引压），做2取高逻辑后，再进行运算作为防喘振点的横坐标。这种方案虽然能避免仪表指示异常偏低，但是如果由于某种原因导致其中1个仪表指示异常偏高（如仪表冻凝），则仍无法避免防喘振误动作，因此2取高逻辑存在一定隐患。

基于该问题，提出应该用3取中逻辑代替2取高，得到仪表中间值后再进行防喘振运算。采用该方案时，现场需增加1个独立测点，同时修改SIS组态。主风机出口压力的取压点位于主风机出口管线的垂直向上的直管段，可在管线的同一水平面上取3个独立引压，作为3取中逻辑的取压点。对于主风机入口喉部差压，由于负压是取在主风机机壳上，正压是主风机入口管线上的引压点，因此，负压侧不具备增加独立测点的条件。

4.2 报警功能完善

为了实现防喘振动作前预警，根据喘振现象分析，喘振发生前，入口流量或出口压力变化明显，导致工作点向喘振区移动，因此提出设置喉部差压的变化率报警。方法是在INTOUCH组态软件中，打开标记名字典，找到需要设置报警的标记名，然后点击“详细和报警”，在“变化率”报警栏进行勾选，并设置变化率报警值。这样，当喉部差压有异常变化时，操作员可以提前发现并及时处理。

4.3 变送器安装方式完善

原变送器引压为水平方向引出，空气介质容易在引出管处冷凝积存，管线中的铁锈等杂质也会在此堆积，在极端天气时，有可能介质冻凝后堵塞引压管，导致仪表故障。因此，提出将变送器安装方式改为向上短安装，避免介质的凝结和积存。

4.4 现场管理完善

加强仪表保温，按照敞开式厂房进行防冻管理，为仪表配置伴热，或者利用管路热量进行保温。加强对参与联锁或者重要控制回路的仪表要加强巡检，对仪表定期排凝，疏通引压管及冲洗变送器膜盒，保证不发生冻凝、线路故障等问题。

5 结束语

（1）分析某石化公司催化装置主风机防喘振误动作的原因，指出防喘振逻辑中仪表2取高方式的不足，即不能避免仪表指示异常升高带来的防喘振误动作问题；由于防喘振逻辑采用的是动态防喘振技术，主风机的工作点位置由主风机出口压力和喉部差压共同决定，无法单独对仪表测点设置常规的高/低报警；变送器引压管水平安装不符合仪表安装规范，易导致引压管内积液；对于在封闭式厂房内的仪表，特别是参与联锁或者重要控制回路的仪表忽视了保温伴热问题。

（2）在机组防喘振逻辑中，将主风机出口压力由2取高方式改为3取中，提高防喘振逻辑的可靠性；将喉部差压设置变化率报警功能，出现异常波动时提前报警；将变送器引压由水平安装改为向上短安装，防止积液；对厂房内参与联锁和控制仪表加强保温伴热，消除冻凝隐患。整改完成后，主风机防喘振系统至今运转正常，未发生误动作情况。因此，以上措施为防止类似装置防喘振误动作，提供了可行的预防措施。