雷文书
(贵州赤天化股份有限公司,贵州赤水564707)
赤天化股份有限公司合成氨主体装置是20世纪70年代从美国引进的Kellogg B型设备,采用天然气原料、烃类蒸气转化工艺,原设计合成氨产能为1kt/d。该公司不断通过节能增产改造,使装置产能增加到1.22kt/d。
该装置DCS采用Centum-XL系统,于1996年投用,经过十多年的运行,设备不断老化,多次出现通信和卡件故障,严重威胁合成生产工艺的稳定运行。为彻底解决运行安全隐患,该公司于2011年完成了该装置DCS改造工作。
系统改造的总体思路是以原Centum-XL系统的自编文件为设计基础,保持并扩展原有功能,增加系统冗余,方便工艺操作,并兼顾系统扩容。采用CS3000控制系统,对原有DCS进行升级改造。改造范围涉及所有控制站(I/O柜)、操作站、工程师站、端子柜和安全栅,并自主设计施工图,将现场信号通过新增加的端子排引入新的CS3000控制站。
为满足系统开放性、便于优化控制和维护的要求,在系统结构设计中采用以下设计思路:
a)系统功能成套完整,系统硬件可保证长周期运行并具有较高的可靠性。
b)系统具备完备的冗余功能,任何部分I/O均可根据需要做成全冗余(无须改变系统结构),对插件、软件、机箱空槽留有足够的余量。
c)系统的各种插卡应能在线热插拔、更换。冗余设备必须能在线自诊断、出错报警、无差错切换。系统必须具有完善的硬件、软件故障诊断及自诊断功能,自动记录故障报警,并能提示维护人员进行维护。
d)连接到总线系统的各个部件和其连接的任一控制站的故障,不会影响其他站之间的信号传输,当任一控制站连接或脱离总线系统时,不会影响其他站之间的信号传输[1]。
e)DCS需配备与其他子系统的冗余通信接口,以实现与各子系统的通信。
控制系统主要包括6台操作站(HIS)、1台工程师站(EWS)、3套现场控制站(FCS)和1台OPC服务器。合成氨装置DCS的总点数为1 300多点。Modbus通信卡件有2个。系统向上与工厂信息管理网相联,向下对装置内PLC进行监控。
合成氨装置工艺复杂,控制要求较高,具有多种复杂的控制回路,笔者在该系统上实现了一些较复杂的控制方案,在此举几例典型的控制方案加以说明。
为了保证锅炉高压汽包的安全稳定运行,设计了一个以汽包液位为主调参数,以蒸汽量和给水量为副调参数的典型三冲量液位调节系统。三冲量控制方案如图1所示。
a)在开、停车或系统不稳定时,可以改为单参数调节。由于在DCS中采用了顺序控制,单参数LC1001和三参数LC0001不被选中时,其SV=PV,且不被选中的输出始终跟踪被选中的输出。这样,只要改变SW0006的开关位置,即可改变控制参数(SW=1为单参数,SW=3为三参数),而不需要进行平衡操作。
b)为了克服假液位的影响,该系统采用三冲量调节,以液位调节器LC0001为主调节器,以BF0001为副调节器,在FX0007中将给水的测量值减去蒸汽的测量值,其差值作为BF0001的输入,作为测量值。其输出经SW0006选择后送去控制104J或104JA的转速,从而控制给水量,保证汽包液位的稳定。
c)为了操作方便,使BF0001总保持在“CAS(串级)”状态,LC0001总保持在“AUT”状态,而且当单参数控制时,LC0001的SV=PV。在三参数时,LC1001的SV=PV。因此,从“1”—“3”切换时,无需进行SV与PV的平衡。
图1 三冲量控制方案
该调节系统是以总碳体积流量、蒸汽体积流量组成的双闭环、双向跟踪、定比逻辑定量调节系统,是一个具有限制负荷变化和安全优先、逻辑定量功能的比值调节系统,以实现蒸汽与总碳体积流量的双向跟踪。该调节系统能保证增加负荷时,先增加蒸汽再增加原料气,减小负荷时先减原料气再减蒸汽的工艺要求;在负荷不变的情况下,实现当原料气量减少或蒸汽量增加时能通过本身副环来克服系统的波动,具有较好的自适应和克服内扰的能力。而当原料气量增加或蒸汽量减少时,除本身副环自调外,同时还相应地增大蒸汽量和减少原料气量来稳定水/碳比值,并保证水/碳比不小于设定值,达到安全可靠的要求,即该系统在实现双向控制的同时还保证了系统安全可靠性。
该系统是按经过校正后的实际水/碳比值进行调节的,原料气和蒸汽体积流量均按体积流量校正公式进行补偿校正。然后系统按实际总碳体积流量和蒸汽体积流量进行比值调节。
合成氨装置应用CS3000顺控表功能实现的安全联锁保护系统共53套,现以甲烷化炉温度联锁系统为例予以说明。
由于甲烷化反应是强放热反应,因而甲烷化炉设有5个高温联锁测量点。在意外情况下,任意两点温度达到联锁值时,能自动进行高温联锁,将甲烷化炉切除,从而对设备及催化剂起到保护作用。
笔者参与了赤天化合成DCS升级改造的全过程,为进一步做好改造工程项目提出几点建议:
a)一套大型DCS的使用周期在15a左右,建议配置一套培训系统,既可作为备件又便于作为检修维护人员的相关测试和培训系统。
b)由于是改造项目,用户对原系统和控制线路是最熟悉的,用户的工程技术人员应参与系统组态和施工图设计的全过程,既培养了系统维护人员,又利于完善工程项目。
c)DCS调试对于确保该系统安全稳定、准确可靠运行是至关重要的,而FAT/SAT又是测试、验收的两个重要阶段和步骤。应严格进行各项系统功能测试、稳定性测试、可用性测试、回路联试,并尽可能多做试验,为今后的维护积累经验。
d)模拟量输入AAI143卡件使用横河公司的端子板时,只能在卡件上改变跳线的位置以适应2线/4线制信号,系统运行时不方便。配合使用菲尼克斯,wago或者魏德米勒专门针对横河推出的端子板,就可以直接在端子板上跳线。
e)支持HART协议的卡件都带有-H的后缀,并配软件包LFS2710,而使用支持Barin协议的卡件需向横河公司申请。
f)对于重要联锁信号,可配置SOE开关量输入模块和相应软件包,其采集时间可精确到0.5ms,以便事故分析。
g)根据需要配置CS3000系统的软件包。建议在工程师站配1个长趋势软件包,在操作站上根据需求配1~2个该软件包。CS3000的趋势在操作站上不能手动输入,可以从下拉菜单处选择当前的TR00**中的仪表进行重新组合。如果工艺需要在任意的位号间选择组合,则需定购专家趋势软件包LHS4510。
该系统顺利地完成了工程的招标、设计、施工、调试、开车等阶段,DCS和各类调节系统、顺控联锁系统等运行稳定可靠,各主要控制参数的控制质量、平稳率都比以往有很大提高,为装置的安全、稳定运行打下了坚实的基础。
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