二氧化碳压缩机温度联锁技改

杨瑞瑞

（晋能控股装备制造集团 天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

联锁控制是指被控对象通过简单的逻辑关系联系起来，使被控对象相互牵连并且形成联锁反应，从而实现一种自动保护的控制方式。这种现象常用于开关控制的场合，在工业现场中，尤其是在涉及安全控制的场合，运用比较广泛。当某一参数达到规定值或某一设备启、停或开、关时，联锁动作打开或闭锁对另一设备的控制。

联锁控制包括照明设施的联锁控制、生产设施的联锁控制和安全设施的联锁控制等。

1 CO2压缩

公司主要产品为大颗粒尿素和液氨等产品。尿素装置采用的是二氧化碳气提法生产装置。生产尿素需要的原料是二氧化碳气体和液氨，并且需要达到一定的压力和温度条件。给二氧化碳升压的动设备是往复式压缩机，共计有5 台。正常情况下3#压缩机为备机，当其它机组有故障或者检修的情况下3#运行。1#、2#压缩机为尿素一系列提供二氧化碳气体，4#、5#压缩机为二系列提供二氧化碳气体。

从合成氨系统的脱碳装置来的二氧化碳气体，压力为0.102 MPa ～0.105 MPa（A），温度为35 ℃，CO2含量≥98.5%（V/V）。经二氧化碳压缩界区的液滴分离器分离后，在压缩机一段出口与一定量的空气相混合，空气中氧气主要用于后工段高压设备的防腐和脱氢。在尿素的生产过程中，氧气可以在尿素合成塔、二氧化碳气提塔、高压洗涤器和高压甲铵冷凝器等设备表面形成一层致密的氧化膜，以防止尿素及甲铵液对设备的腐蚀。加入的空气量控制在进入二氧化碳气提塔之前的氧含量不小于0.75%（V/V）。二氧化碳压缩机选用往复式压缩机，其优点是效率比离心式压缩机高，调节气量时排气压力几乎不变。二氧化碳气体从二氧化碳压缩机三段出口进入脱硫装置，在此脱去二氧化碳气体中的杂质硫，确保脱氢反应器中的催化剂不会中毒失效。脱硫后二氧化碳气体返回压缩机的四段入口。最终二氧化碳气体被压缩到14.7 MPa ～15.7 MPa（A）进入高压二氧化碳加热器，在此将二氧化碳气体的温度提高到150℃后，进入装有钯铂催化剂的脱氢反应器，以燃烧二氧化碳气体中的可燃组份。脱氢的目的是防止高压洗涤器排出的气体发生爆炸。在脱氢反应器中，主要反应为2H2+ O2= 2H2O，脱氢后二氧化碳气体中含氢及其它可燃气体量＜50 ppm。脱氢后的二氧化碳气体经高压二氧化碳冷却器冷却到120℃后，进入气提塔底部。

二氧化碳压缩机设有中间冷却器和分离器，气体流程设有3 个回路，分别是一回一、三回一和五回一，以适应尿素生产负荷的变化，多余的二氧化碳气体由放空管排入大气。

2 压缩机仪表

仪表控制部分为两部分：一部分为现场仪表控制柜仪表，在压缩机现场集中显示压缩机的各项工艺参数指标。现场控制柜采用数显表显示各级工艺控制参数，供现场工艺操作人员监盘和记录，来保证二氧化碳往复式压缩机的正常运行；另一部分为中央控制室的集散控制系统（DCS）显示仪表。中央控制室部分仪表主要作为仪表信号趋势的采集和联锁动作的记录等。

说明：

1）所有压力变送器通过数显表，不仅在仪表盘上集中显示，而且另外输出一路标准的4 mA DC ～20 mA DC（四线制）电流信号送至控制室DCS 系统显示。

2）二氧化碳机组联锁逻辑，在现场就地控制柜内的PLC 控制系统实现。

表1 CO2压缩机仪表位号Table 1 CO2 compressor instrument tag number

3 仪表设计控制方案

3.1 允许启动条件

冷却水总管压力PS-902 大于0.2 MPa 和润滑油总管压力PS-1002 大于0.2 MPa 同时满足，而且没有仪表联锁停车信号发生时，即允许启动继电器带电，跳车继电器不带电时，仪表控制系统部分满足压缩机允许启动条件。

3.2 联锁停车条件

当压缩机的电机轴承温度（TE301/TE302）任意一支大于80℃，主轴承温度（TE401/TE402/TE403/TE404）任意一支大于70℃，一级进气压力（PT-801）小于0.0015 MPa，润滑油压力（PT-1001）小于0.1 MPa 条件当中，任一条件满足时，压缩机就会联锁跳车停止。

3.3 仪表控制方案

3.3.1 各级进出口温度设计方案

现场温度仪表一次检测元件，是三线制的Pt100 双支铂热电阻，检测点安装在往复式压缩机的各级进出口缓冲罐上。仪表信号通过7×1.5 的KVVP 仪表控制电缆，延伸至现场仪表控制柜内的接线端子排上，一路接至现场仪表控制柜前的数显表上，供现场工艺操作人员监视和记录。另一路仪表信号通过8×3×1.5 的控制电缆送至中央控制室内的DCS 系统。

数显表上电后，需要按照说明书设置一些重要参数，比如显示的量程上限和量程下限，信号输入类型、报警值、联锁值以及触点方式等，具体的设置内容根据控制要求来完成。

3.3.2 主轴承、电机轴承温度设计方案

主轴承温度、电机轴承温度数显表的显示部分，与各级进出口温度传输一致，不同的是检测点位置不同，电机轴承温度检测的是电机负荷端和非负荷端的轴承温度。而主轴承温度是安装在压缩机大盖内的主轴上，均匀分布在主轴的4 个检测点上。

主轴承温度、电机轴承温度数显表除需要设置量程外，还需要重点设置报警值和报警触点输出方式（闭合）、联锁值和联锁触点输出方式（闭合）。当主轴承温度或者电机轴承温度数显表显示温度值超过所设置的报警值时，数显表的报警输出触点就会闭合，闭合信号就会传输到仪表控制柜内的PLC 输入端，经过PLC 程序判断和输出点闭合后，导至报警继电器线圈动作后，继电器触点就会闭合，这时仪表盘前对应的指示灯和报警铃就会相应发出信号，从而来提示现场工艺操作人员。

当主轴承温度或者电机轴承温度数显表显示温度值超过所设置的联锁值时，数显表的联锁输出触点就会闭合，闭合信号就会传输到仪表控制柜内的PLC 输入端，通过PLC 内的程序判断和输出点闭合后，导至联锁停车继电器线圈动作后，继电器触点就会断开，这时连接的电气控制回路就会断开，主接触器就会失电，运行的二氧化碳压缩机就会停止，从而起到保护压缩机设备的功能。

3.3.3 辅油泵的启停设计方案

油压变送器采用EJA 横河压力变送器，检测点安装在稀油站出口总管上。数显表采用自带外供24 VDC 的两线制型号，数显表输入类型设置为4 mA DC ～20 mA DC，量程和压力变送器量程范围设置一致。油压变送器通过2×1.5的控制电缆接到数显表对应的两线制端子上。

当油压系统工作正常时，往复式压缩机能够正常启动和运行。当油压低于0.15 MPa 时，油压数显表低报警输出触点闭合，闭合信号送至PLC 控制系统，通过程序判断后PLC 输出两路信号，一路是声光报警，另一路则启动辅油泵。当油压高于0.15 MPa 小于0.4 MPa 时，需要操作工手动消除报警。

当油压高于0.4 MPa 时，则通过安装在润滑总管上的油压开关PS1001 发生动作后把信号传递给PLC 控制系统，通过程序判断后PLC 输出报警，提醒工艺操作人员消除报警和手动停止辅油泵。

3.3.4 润滑油温度控制

在压缩机的运行过程中，油温是一项重要的控制指标。润滑油对轴承起润滑作用，减少摩擦力，同时带走摩擦产生的热量，还能起到冷却轴承的作用。当油温过高时，会降低油的粘度和降低油压，影响压缩机的润滑作用；当油温过低时，会使油的粘度增加，从而使轴承摩擦力增大，增加轴承的消耗，更为严重时还会发生机组振动。所以，油温必须控制在一定范围内。

二氧化碳压缩机油箱温度是通过两支电接点温度计来控制的，安装在油箱侧面偏底部位置，一支是供油温度TIS-601 启动加热器；另一支是供油温度TIS-602 停止加热器。通过螺丝刀可以旋转调整两支电接点温度计的接触点，启动加热器温度计设置在20℃，停止加热器温度计设置在40℃。把两支加热器的温度计触点，接到仪表控制柜内对应的两个继电器控制回路中，启动加热器用常开触点与停止加热器的常闭触点串联在电气加热器的二次回路中，这样就能实现油温的自动控制。

4 主轴承温度和电机轴承温度联锁技改

4.1 改造前的现状及存在问题

在CO2压缩机正常运行情况下，所有仪表设备或电气元件都有可能发生故障，或者运行不稳定的情况发生。Pt100 热电阻温度计在检测回路中传输的是电阻信号，如果回路中有虚接的情况发生时，数显表显示的温度值就会增大。当电机轴承温度（电机前轴温度TE301 和电机后轴温度TE302）或者主轴承温度（TE401/TE402/TE403/TE404）任一指示波动，而且当指示波动达到数显表设定的联锁值后，会造成联锁误动作，导致CO2压缩机停车。这样整个尿素装置就会减负荷，使尿素产品减产，给公司造成一定的产品和经济损失。

4.2 改造的目的

消除因仪表原因运行不稳定，或者一次仪表故障引发的误停车事故，保证二氧化碳压缩机安全稳定长周期运行。

4.3 主要改造的内容

图1 仪表技改前回路图Fig.1 Circuit diagram before instrument technical renovation

二氧化碳压缩电机轴承温度、主轴承温度联锁技术改造，是通过一次温度检测元件（双支Pt100 温度计），把送DCS 控制系统的仪表信号通过增加智能隔离式安全栅（型号：XBX5918B）和昆山数显表（型号XMZDBH-64200200，Pt100）来实现温度二取二联锁。温度分配器把信号分为两路信号，一路把信号送至DCS 中控显示，另一路送至新增的数显表，把新增数显表的输出触点和原有的数显表的输出触点串联起来，这样就组成了温度联锁二取二的效果，就能避免因温度计波动造成压缩机停车的后果（见技改后回路图）。这是通过增加硬件来实现二取二联锁的。

另外，还有一种方法，通过修改PLC 程序来实现，把PLC 内部程序的输出点（Q 点）修改为延时输出块来实现，通过延时来消除因仪表信号波动而导致的事故发生。延时的时间根据工艺的实际情况来确定。

在这里只对压缩机的主轴承和电机轴承温度做了联锁技改，这是因为在实际的生产过程中，一方面是压缩机检修比较频繁，由于检修人员的意外作业会造成仪表线路上的故障，而且当线路上有虚接的情况时，温度回路缺陷不容易被查找；另一方面是压缩机本身运行振动就会比较大，也会造成仪表设备的故障，例如一次检测元件接线盒内螺丝松动，穿线管电缆皮磨损现象等。这两种现象都会造成仪表的温度指示波动。如果是有联锁的回路指示波动，就会发生压缩机误跳车的事故。而且在实际的生产和仪表运行过程中，压缩机跳车后数显表都显示正常，故障现象都不明显，有时候都未发现任何异常现象。当发生这种情况时，根据自己的工作经验判断，往往是温度联锁的可能性比较大。

在压力变送器的回路中，传输的是4 mA DC ～20 mA DC 电流信号。如果有虚接、断路和接地的情况现象时，通过仪表盘的监视，很容易发现。所以在实际工作中，温度是最简单的检测回路，真正有问题时，却很不容易判断。

图2 仪表技改后回路图Fig.2 Circuit diagram after technical renovation of the instrument

5 小结

通过修改电机轴承和主轴承温度联锁达到了预期的效果，避免了因现场温度一次仪表（Pt100）温度计或者线路故障后，导致CO2压缩机联锁跳车的后果，从而能够保证CO2压缩机长期、稳定地运行。

二氧化碳压缩机为5 台，经过小技改并且调试后，温度指示和联锁动作正常，和预期效果一致，能够消除温度波动，导致二氧化碳压缩机误跳车的效果。