大型空分装置控制系统常见问题及处理

2023-02-02杨跃

云南化工 2023年12期

杨跃

(云南大为制氨有限公司设备技术部，云南沾益 655338)

某大型空分装置2007年建成投用，氧气正常产量为 52000 m3/h，采用林德公司的空分专利技术，关键设备主要有德国曼透平公司制造的三合一机组(由汽轮机X1171、主空压机C1161与氮循环压缩机C461组成)和由杭汽汽轮机X1771与沈鼓压缩机C1761组成的氮产品压缩机机组，最大产氧量为 54000 m3/h。

空分DCS系统使用横河CENTUM VP，机组的压缩机综合控制系统(ITCC)和紧急停车系统(ESD)采用施耐德公司的TRICONEX TS3000，并通过厂家成套配置有独立的机组超速保护系统和调速系统[1-2]。

空分装置主要任务是将空气压缩后经纯化、深冷分离出高纯度的氧气和氮气，以及液氮产品，为煤气化及合成氨装置提供高纯度的氧气、氮气和液氮产品，同时提供全厂正常和事故及开车用仪表空气，并且提供装置开停车和事故系统置换用氮气。空分控制系统如果在运行过程中出现问题，使机组卸载或停车，均会引起煤气化合成氨装置停产[3-4]。

1 空分调速系统故障

1.1 空分机组调速控制系统硬件故障

1)故障现象：空分曼透平三合一机组调速控制采用西门子S7-400 PLC系统，氮产品压缩机组采用伍德沃德505调速控制器，由制造厂家成套配制。在使用6年后的2013年4月4日，空分氮产品压缩机跳车，原因为505调速器故障无输出。2013年11月12日，PLC控制系统出现问题，导致空分曼透平三合一机组停车，故障灯亮，无法正常启动。

2)原因分析：由于装置试车和前期运行期间环境较差，机柜间窜入有腐蚀性气体，对电子元器件有伤害，使用到一定时间后电子元器件故障频发。

3)解决方法：①封堵机柜间所有进出线口，包括线槽电缆口；②尽量封堵机柜电缆进线口；③在机柜内通入洁净的仪表空气，使机柜内保持微正压；④由于调速系统硬件故障，更换备件需要重新软件设置和下装，故障判断和修复处理需要的时间较长。为了避免类似情况再次发生，在装置停车检修期间对空分机组调速系统进行了升级改造，取消原厂家成套的S7-400 PLC调速系统和伍德沃德505调速控制器；在原空分ITCC系统TS3000中增加两块脉冲信号输入卡，并进行软件组态，由空分ITCC实现空分曼透平三合一机组的调速和氮产品压缩机组的调速。

1.2 转速故障

1)故障现象：在开车过程中，当升速到 3000 r/min 时，机组自动停车。反复开车冲转多次，均未找到原因。联系厂方技术员进行分析，进入PLC程序中进行检查，发现有一转速信号在机组升速时出现波动。当与其它两个点的转速比较，超过100时，PLC控制器就会发出停车指令。生产过程中出CPU卡故障，调速系统不能正常工作，机组跳车。

2)原因分析：调速系统中三个转速信号中的一个出现故障(SE1172_1)，与其他两个转速(SE1172_2、SE1172_3)偏差>50 r/min，触发曼透平机组停车模式MODE 0，调速阀关到0%，随后氮循环压缩机VXI1431B高高联锁跳车。通过仪表人员对故障进行排查，发现进入SE1172_1隔离栅的接线出现松动，处理后确认故障排除。

3)解决方法：修改软件组态，取消调速系统中三个转速偏差故障联锁。同时对所有接线端子进行检查紧固，避免因端子松动引起信号故障误动作跳车。

2 空分DCS温度传感器和卡件故障

1)故障现象：2015年3月13日 8∶08，空分因DCS温度卡件故障，导致TI3954低低联锁动作跳车。

2)原因分析：空分DCS温度信号采集，采用横河AAR145 16通道热电阻输入卡件，AAR145卡在使用几年后，故障率高。当卡件出现故障后，卡上的温度信号波动无规律可寻，有的信号显示最大，有的信号显示最小，有的又是偏高，有的又是偏低，整块卡件上的信号均不正常。而空分温度联锁较多，有的是温度高高联锁，有的是温度低低联锁。

3)解决方法：对空分DCS进行升级改造，新增加节点(机架)ANB10D 1个，放置于原FCS机柜内。原空余9个槽位，总共空槽17个。其中，模拟量输入AAI143增加8块，冗余AAI143配置增加2块，冗余配置2块需要两个相邻槽位。新增安全栅柜一面，所有温度信号经过温度安全栅MTL5573转换为4-20 mA 信号，再进入模拟量输入卡AAI143，联锁信号进入冗余的AAI143。并对温度安全栅进行组态设置，信号故障时输出为最小(联锁高高跳车时)或最小大(联锁低低跳车时)。其中，原有温度信号至新机柜盘间电缆材料，接线方式为多芯电缆中间端子排转接，采用针形线鼻子压接，要求接线端子及信号线线标一一对应标识清楚。

3 空分分子筛程控阀故障

1)故障现象：空分装置在2023年1月15日23时 43 min 57 s，分子筛程控阀KV-2622打开后，又发生阀门关闭问题。由于KV-2621和KV-2627均已处于关闭位置，FV-1110在 23 h 44 min 03 s 全开，空压机卸载。

2)原因分析：①空分分子筛程控阀使用时间已超过15年，三杆阀内件锈蚀严重，开关阀门动作迟缓，频繁出现动作超时报警(输出与反馈信号不一致且时间超过 30 s)。当KV2622关反馈信号 71 s 后消失，而并联运行 1 min 时间已到，程序开始下一步，关闭KV2621，但此时，KV2622又关闭，最终导致空分卸载。②阀门反馈只引入关反馈信号到DCS，开反馈信号为关反馈信号取反，不能正常反应阀门是否开到位。③DCS联锁程序设计上存在问题，由于未能检测到开馈信号，当分子并联运行时间到后，检测到KV2622关反馈信号消失，即判断阀门已打开，顺控程序走到下一步，程序关闭KV2621，此时如果KV2622不能正常打开，将引起空压机出口超压卸载。

3)解决方法：定期检修空分分子筛程控阀内件，出现问题及时处理；将分子筛进出口程控阀KV2621/KV2622/KV2627/KV2628的开反馈信号引入DCS系统，并修改相关联锁逻辑。只当阀门的开命令与开反馈信号一致时，顺控程序才会走到下一步，完成分子筛的切换，否则，程序一直等待，不会关闭阀门导致空压机卸载。

4 ITCC/ESD卡件故障

1)故障现象：2017年7月2日，空分装置ITCC/ESD系统3625 DO卡无输出，空压机卸载。

2)原因分析：该DO卡之前出现有一个支路故障报警，当再次出现别的故障报警后，由于采用三选二裁决，导致DO输出失电。而空分ITCC联锁采用故障安全模式，输出失电引起防喘振电磁阀动作，防喘振阀弹开导致空压机卸载。

3)解决方法：对空分重要的DO卡件采用双卡冗余热备，当一块卡件出现故障报警后，自动切换到备用卡件；将硬件报警信号引出到上位机监控画面上进行显示，定期检查卡件硬件报警情况，出现报警及时检查处理。

5 空分控制系统联锁误动作问题

1)故障现象：2013年12月20日，空分在正常生产过程中，现场仪表突然波动，达到联锁设定值，引起空分装置停车。

2)原因分析：①现场仪表信号干扰，如在现场在检查仪表接线使用对讲机通话、使用电焊或启动大功率的电气设备；②仪表信号接线松动或接触不良；③屏蔽线接地不良；④现场仪表或卡件通道出现故障。

3)解决方法：①联锁动作增加1～2 s 的延时，当达到联锁值保持1～2 s 后，联锁才会动作停车。②增加温度测点和压力变送器并接入控制系统中，采用二选二联锁，只有两个信号均达到联锁设定值时联锁才动作。

6 空分电源故障

1)故障现象：2014年3月15日，空分装置UPS故障，无220VAC电源输出，机组就地控制柜和电磁阀失电，空分膨胀机、氮产品压缩机停车。

2)原因分析：空分装置在设计时，机组就地控制柜与电磁阀采用220VAC供电，与DCS和ITCC供电系统不同，没有采用冗余供电，当电源一旦出现故障时就会停车。

3)解决方法：采用施耐德 AP7724 ATS双电源自动切换开关对供电系统进行改造。AP7724双电源切换开关先接入来自两路不同UPS的电源，然后将AP7724的电源输出接到现场机组就地控制柜和电磁阀。当一路电源出现故障无输出或失电时，可瞬间自动切换到另一路电源进行供电，保证现场机组就地控制柜与电磁阀正常工作。