DCS控制系统在空分系统上的应用问题探讨

摘要文章主要针对DCS控制系统在空分系统上的应用问题进行分析，在分析系统的工艺流程的基础上，论述了系统配置，最后重点就系统的热工检测和控制问题进行分析，希望对于今后的DCS控制系统在冶金行业中应用具有一定帮助。

关键词DCS控制；空分系统；自动控制；冶金行业

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0089-02

当前，冶金行业生产规模越来越大，相应的对于氩气、氮气和氧气等气体的需求也日益增高，本企业为了更好能够促进节能减排、优化生产，采用了新型的空气分离设备，并且把较为成熟技术的透平机组应用带氮压机、氧压机和空压机中[1,2]。现结合实际情况，就整个制氧工程相关问题，包括筹建、组织和调试等方面进行相关探讨。

1工艺流程

在此新型空分机组系统中，其组成可以看为纯化系统、空气平透机压缩机系统、分馏系统、增压膨胀系统和气体压缩输送系统等。

首先，空气中的机械杂质及尘埃的去除则是通过空气过滤器，再进入相应的空气透平压缩机系统；在水冷塔的冷水及循环冷却水作用下，压缩后空气在空气冷却塔内进行热量交换而实现降温作用，而后进入相应的分子筛纯化系统；切换使用两只分子筛吸附器，相应的乙炔、二氧化碳、水分以及其他碳氢化合物等有害杂质都能在分析筛纯器内进行，而后进入分馏塔系统。

对于在三股净化后的加工空气来说，其中一股可以作为系统的仪表气源；增压透平膨胀机的增压机增压则是靠另外一股的引入而实现，进入主换热器之前需要经过水冷却器冷却，然后可以从换热器中部进行抽出操作，经过膨胀机的膨胀作用而进入上塔；对于进入主换热器的第三股来说，冷却则是由被返流产品气体的作用，然后再饱和温度之后可进入下塔。

对于液空、液氮在下塔精馏获得来说，应该先经过过冷器，然后送入上塔而进行相关的精馏。主换热器复热的作用下，污氮出气、氮气和氧气则是由上塔精馏获得，然后送出冷箱。透平氧压机压缩到2.5 MPa的氧气送入到管网；中压氮透压缩的并入低压管网的氮气到2.5 MPa。其中，在分析筛化系统作用下，使得污氮气成为再生气源；另一部分污氮气则和富余的纯氮气进行汇合，然后在预冷系统的水冷塔冷却循环水作用下而冷却。

从上塔中部抽出相应的氩馏分，为了把氧组份有效去除，并进行送入粗氩塔的操作，在粗氩冷凝器中冷凝大部分的粗氩，可以作为相应的粗氩塔的回流液。对于分为两段的粗氩塔来说，为了保证运行连续，中间的工艺过程的连接则是依靠一台流程氩泵连接，另一部分的气态粗氩就进入精氩塔，以便进行更好的分离。

2系统配置

在系统的控制方案中，其原则为“集中监视操作为主，就地监视操作为辅”，其中，共有5台工业控制机在整套的DCS中，3台作为操作员站、2台作为数据服务器，工程 师站可以操作员站中的1台。冗余控制方式采用在通信模块和控制站中。

在上述的2台服务器中，能够实现相互切换和相互冗余的功能，其中，所有数据的集中监视和管理都能够通过系统所采用的采集空分系统而实现，包括相关的SOE事件管理、日志管理和报警管理等。另外，上述管理模块能够对于系统内的其他站点进行事件信息、实时数据以及历史记录等相关服务，另外，相关的数据服务还能为其他的管理系统和控制系统所提供。

对于工程师站的功能来说，其工作为程序下装、组态修改以及程序编制等，相对应的内容主要有参数配置、控制算法、图形绘制、报表组态、数据库编辑等。另外，工程师站还能进行相关的操作员站、现场控制站的数据下装和增量下装，服务器、过程I/0模块的配置组态等内容。

在操作员站，主要实现工艺过程进行精细控制，通过岗位人员观察生产过程中空分系统各个部分工艺参数等，进行整个空分过程的监控。

系统实现数据采集和过程控制的设备则是现场控制站（I/O站），能够进行相关的各种T程单位的变换、采集现场工艺数据、控制开关量和模拟量的输出、各种逻辑控制和报警联锁的算法等。还能够把系统网络将数据进行相关到数据服务器的处理工作。

在DCS系统控制结构中，控制网络和系统网络则是两个层次，能够有效把操作员站、工程师站、现场控制站、打印站和服务器进行连接，过程I/O模块与现场控制站的通信的完成主要是通过控制网络。

3系统的热工检测和控制

集中DCS系统控制在本套设备中采用，并能有效记录操作过程。系统的历史趋势能够记录实际操作过程，并可以进行相关的分析和处理，还包括超工艺值的自动联锁保护、报警和操作参数的连续记录等功能[3]。

1）在流量控制方面，其能够有效确定系统设计和实际运行参数间的吻合程度，是系统的主要控制手段之一，能够有效进行物料衡算，因此，相关的压力和温度的补偿都在DCS中进行，系统中流量控制方式主要有：膨胀空气流量、氩气流量、氯气流量、低温水流量、氧气流量、常温水流量和总加工空气流量等。

2）在温度测量方面，主要包括远传电阻温度显示和就地温度显示两种，由于具有比较高的要求的制氧的温度测量，在就地温度显示方面，这就应该在工艺管道或者设备外壳上安装双金属温度计，例如在机组的油温就地显示等；对于远传热电阻温度来说，为了保证温度测量的安全性和准确性，则一般通过双支测量应用在冷箱内温度电阻，通过铂热电阻直接测量。

3）在主要液位控制方面，进入系统和离开系统的物料平衡通过液位控制反应，能够有效体现系统的物料平衡问题，都是利用自动控制方式。其主要内容有：主冷凝蒸发器液位、下塔液位、精氩塔蒸发器液位、水冷塔液位、润滑油油位控制、浦氩计量筒掖位、空玲塔液位、精氢塔冷凝器液位等。

4）在分析控制方面，主要有自动在线分析和分析盘手动分析两种，分析过程中，要求分析点接至固定的分析仪表盘，其中，4～20 mA电流由分析仪表数据输出并可以送到DCS显示，与相应的对应流量计配合使用，能有有效保证操作的正确性和安全性。

其中，手动分析方面，主要有膨胀空气露点分析、氧气出上塔分析、下塔渣空分析、主冷液氧分析、氯气出上塔分析、下塔氮气分析等；在自动在线分析方面，主要有精氩含氟量分析、氩气出分馏塔台量分析、氨气出分馏塔纯度分析、氧气出分馏塔纯度分析、二氧化碳含量分析、污氯出分馏塔纯度分析、粗氩含氧量分析、主冷液氧总碳及乙炔含量分析等

5）在进行空分装置的冷量平衡控制，对于稳定运行的基础的装置的冷量平衡来说，则是利用膨胀机、等温节流效应等熵膨胀提供装置冷量。在过剩的冷量下，在要求物料平衡的条件下，会导致上升的主冷液位，就容易出现纯度破坏而造成液泛情况；对于不足的冷量，则会导致产量降低，负荷减少，使得液位下降，设备安全也会受到由于总碳浓缩的影响。具体措施就是通过调节膨胀量来实现装置的冷量平衡。

6）在主要压力控制方面，对于系统非常重要的压力控制来说，主要包括内容有：氧压机出口压力调节、精氩塔压力、污氮送出压力控制、空冷塔压力调节，空压机出口压力自动调节，循环水总管压力、润滑油油压、精氩塔冷凝器压力、用户氧、氮、氩压力调节等。

4主要控制系统功能分析与思考

1）空气预冷控制系统。

水冷塔液面和空冷塔的自动调节则是在空气预冷系统中实现，还包括相关的联锁停车、水泵的起动条件判别、还有相关的显示水流量参数以及报警等功能。

2）空压机机组控制系统。

在空压机机组控制系统中，采用机组最基本的工艺控制，即0.52 MPa表压恒压控制，另外，为了机组安全运行，还包括相应的事故联锁保护停车控制、自动加载起动、防喘振控制等。

endprint

3）空气纯化系统控制。

卧式双层床结构的纯化器在本套系统中采用，可以把空气中的一些碳氢化合物、二氧化碳、乙炔、水分等清除干净，利用交替工作的两个分子筛，获得干燥且无有害杂质的空气。一般来说，分子筛切换系统切换周期能在四个小时内完成，均压、冷吹、加温和泄压则构成每个周期，其中，利用14个电磁阀开关能够完成每个过程中的控制，因此，能够延长系统寿命，通过减少电磁阀使用开关频率。

4）分馏塔控制系统。

在此分馏塔系统中的控制内容主要包括：精氩塔及各氩塔的液面、压力及阻力调节，主冷液氧中碳氢化合物成分分析及报警，纯度监测报警联锁，产品氧气、氮气的流量自动调节，有关操作点的纯度分析等。

5）增压膨胀机控制系统。

在此膨胀机系统的控制中的内容有：起动、事故联锁停车，起动条件判别，增压空气含水量监测报警，油泵的起动条件判别及联锁，增压端防喘振调节等。

6）透平氮压机控制系统。

氮透的中控室联锁停车和自动起动，密封气压力的自动调节，出口压力和防喘振调节等能在透平氮压机控制系统中实现。

7）透平氧压机控制系统。

对于时序控制的透平式氧压机来说，其过程具有一定高度复杂性，主要包括保安氮气阀、混合气体排放阀、氧气出口阀、高压旁通阀、中压旁通阀、氧气放空阀、排烟风机、油泵、氧气进口阀、进口导叶和主断路器等，上述控制都是按照一定时序完成。在氧透的控制程序则是进行安全生产的重要前提，尤其要做好相应的启动和停车程序。

8）调压站控制系统。

实际需求非常复杂，这就要求调压站系统中李永乐两套系统通过光缆联网以及一套DCS系统，这样能够实现数据在调压站子站与主控制系统中的联通，满足域间通信要求。其中，在调压站控制系统中，主要包括相应的制氧机组到球罐之间的氧、氮、氩温度、流量测量以及压力补偿等，还包括相关的去特钢氧、氮、氩的调节等。

5结束语

本文主要针对DCS控制系统在空分系统上的应用问题进行分析，应该充分解决制氧空分技术的多耦合、大滞后的问题，保证自动化控制技术的顺利应用，能够更好地提高产品提取率，改善精馏控制系统稳定性，从而更好保证氮压机、氧压机、空压机的三大透平机组的安全运行。

参考文献

[1]吴向军，连世伟，邱发春，等.空分系统空压机控制思路的探讨[J].中国科技纵横，2010（24）.

[2]李源，李明，马玲，等.空分系统增压机DCS控制系统的设计与实现[J].环球市场信息导报，2013（4）.

[3]李源，马玲，李明，等.I/A Series在莱钢60000m3/h空分系统中的应用[J].自动化应用，2013（6）.

作者简介

蒋金波，男，汉族，浙江磐安人，本科，专业为过程装备与控制控制。

endprint