TS3000系统在空分机组上的应用及联锁优化

陈胜昌

（山东宝舜化工科技有限公司，山东 菏泽 274000）

某公司120 万吨煤基多联产项目是以煤为原料生产甲醇及下游相关产品，气化装置采用GE 水煤浆气化技术，项目配置两套空分装置，单套空分制氧能力为4.5×104Nm3/h。两套空分装置采用杭氧全低压分子筛吸附净化、空气增压透平膨胀机制冷及内压缩供氧的工艺技术，其中空压机和增压机是由德国曼透平制造，汽轮机由杭汽制造，为一拖二式机组。自2014 年开车以来，因单点仪表故障联锁多次跳停，经联锁优化后，非停次数明显降低，提高了机组的可靠性和可用性。

1 机组控制系统发展

大型空分装置中有大量压缩机组的应用，从机组的类型上一般会包括离心式/轴流压缩机、蒸汽透平机、增压机等。其中，涉及到的仪表控制主要包括防喘控制、调速控制、负荷调节、机组联锁及过程监控等。

传统的控制方式一般是靠多种分离控制原件或系统来实现的。例如，调速通过盘装调速器，防喘依靠盘装调节器，机组的联锁功能使用独立的SIS 或用DCS 完成，有的甚至配传统的继电器，过程监控则依靠DCS 系统等实现；在HMI（人机界面）上也是各有各的风格，实现的功能也不相同。故存在以下不足：①在控制系统内部，各控制模块之间需要交换数据来实现解耦控制，且各控制器之间采用通讯方式会造成速率延迟。所以，不能采用高级的控制算法来解决机组控制的解耦问题；②用户的技术人员要学习不同的控制系统，多控制模块造成的培训内容多而繁琐，要熟悉和掌握各控制功能模块的操作和维护；③每一套压缩机组都需要一套完整的控制系统，产品采购、费用成本较高；④各压缩机组厂家控制系统不统一，独立的控制模块多而杂，造成后期维护工作量大；⑤需要供应商提供售后服务，情况有时会变得复杂，如现场控制系统出现故障，需要召集各厂家同时解决故障，难以做到整体协调。

TS3000 是集蒸汽透平速度控制及抽气控制、压缩机防喘振控制、性能控制、解耦控制、分离器液位控制等，以及自保护联锁逻辑控制为一体的集成综合控制系统。该系统是三重化冗余容错设计，具有很长的平均无故障运行时间，可靠性高。TS3000 系统硬件基于三重化冗余容错技术，达到TUV AK6 和SIL3 安全等级，符合SIS 系统的要求，所以完全可以把装置的联锁整合到ITCC 系统中，该控制策略在机组控制上得到了广泛应用。

2 TS3000系统设计与实现

在每套空分装置的3 大机组和装置联锁点各配置一套系统，共两套系统。两套空分装置操作站共设置3 台，3台ITCC 操作站可以对每个系统进行操作，操作站上设有流程画面、报警画面、调速画面、防喘振画面、实时趋势/历史趋势画面、起停机画面等。操作站在功能上完全相同，并且可互为备用，任何一台操作站出现故障，可以通过其它操作站进行操作。设置两台工程师站兼SOE 站，完成编程组态、软件下装、SOE 数据采集的功能，并能通过打印机打印出来。辅操台每套ITCC 系统各设置一台（用于机组），共两台，辅操台上设有紧急停机按钮、操作按钮、BYPASS 开关、报警灯屏等设备。TSI 系统采用本特利3500系统，信号通过Modbus 通讯与TS3000 相连，跳车信号通过硬接线方式与TS3000 相连，控制原理如图1 所示。

2.1 控制站的配置

TS3000 基于三重模件冗余容错（TMR）结构的容错控制器，TS3000 系统有3 个主处理器，每一个主处理器的CPU 为32 位、50MHz，16M RAM，工作方式为3-2-1-0 或者3-2-0。其32 位浮点协处理器的使用，得到了德国独立安全认证机构TUV AK6（SIL 3）级的安全认证；系统中所有的I/O 信号都要经过硬件的三取二表决；控制站的硬件和软件具有高可靠性和容错性；控制站具备顺序控制、批量控制和一般连续控制功能，具备顺序事件记录的功能，包括机柜、处理器、IO 卡件等[1]。

图1 控制系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the control system

2.2 网络设置

系统通过冗余的TCM4351B 通讯卡的RS－232/ 485冗余接口与DCS 系统、3500 系统进行串行通讯，执行MODBUS 的通讯协议。DCS 系统为主站，TS3000 系统为从站，当与3500 系统通讯时，TS3000 为主站。系统通过冗余的TCM4351B 通讯卡的以太网通讯口与上位机构成冗余的通讯网络，通过开放的以太网协议与上位操作软件和编程组态软件进行通讯，完成相应的编程组态工作和运行操作，在单个网络失效的情况下，不影响系统的正常运行。

3 机组联锁设计

采用TS3000 系统后，联锁功能在TS3000 中实现。机组联锁主要有：三大主机温度和振动、位移、转速等轴系联锁。制造厂设计时，基于设备安全的考虑基本为单点联锁，但在实际运行中存在仪表自身故障的原因，造成机组误停的情况较为常见，因此在实际运行中对联锁方案都会开展不同程度的优化工作。

3.1 温度联锁

温度在选型上基本会选择单点双支型，即除了正常使用点外还有一个备用点，所以温度联锁基于实际考虑主要有两种优化方式：

1）采用二取二方式，即与备用支测点组成二取二。该方式存在诸多争议，最主要的异议是认为两个测点在同一个保护管内属于同源取点，不能反映实际测点温度，但是做二取二的目的是要排除温度点自身的故障，而并非测实际温度情况。某公司采用此方式后运行稳定，未发生相关的事故事件，避免了多次误停。

2）采用温度突变自动联锁切除的方式[2]，主要分析了温度故障机理和温度响应时间，并通过软件功能实现。目前，火力发电厂各类机泵等应用较为常见。

图2 轴系联锁方案Fig.2 Shafting interlocking scheme

3.2 轴系联锁

机组的轴系联锁主要是振动、位移、转速等，除转速、位移外，振动主要还是采用单点联锁。某公司轴系监测采用本特利3500 系统，振动、位移等信号进3500 系统，在3500 系统内实现逻辑运算和判断，通过继电器卡输出跳车信号至TS3000 系统[3]，原理如图2 所示。

该联锁方案存在两个不足之处：①单点联锁存在误动风险高；②联锁切除只能在TS3000 系统中，而且切除的话，相当于两条联锁均全部切除。经过讨论后，优化成以下方案，如图3 所示。

该方案优点是：

1）将X 向、Y 向振动组态成“与”的逻辑，可以减少非正常停机次数，降低了误动作的风险，提高经济效益。

2）优化后的各个保护点，通过独立的继电器通道输出到TS3000 系统，增加了联锁的可靠性，提高了机组的安全性。

图3 联锁优化方案Fig.3 Interlocking optimization scheme

3）优化后的方案，同时也提高了仪表维护人员的可操作性，降低了维护风险。

4 结束语

TS3000 机组综合控制系统是目前国内应用最广泛，技术先进、成熟的综合控制系统，集控制和ESD 功能于一体，通过对单点联锁的优化改造，极大提升了机组的可靠性和仪表的可维护性。