硝酸装置四合一机组防喘振控制在SIS中的实现

钱芝忠 王深涛

（中国石油兰州石化公司电仪事业部）

中国石油兰州石化公司化肥厂稀硝酸装置的四合一机组为硝酸生产工艺的核心设备，由德国曼公司生产，机组由蒸汽透平、空压机、氧化氮压缩机和尾气透平组成。 蒸汽透平由中压蒸汽驱动，尾气带动尾气透平，使蒸汽透平和尾气透平做功带动空压机和氧化氮压缩机，为装置运行提供动力。 四合一机组中空压机、氧化氮压缩机设置了防喘振保护控制。

1 喘振的产生与危害

喘振是离心式压缩机的固有特性。 当压缩机吸入口压力或流量突然降低， 低于最低允许点后，压缩机内的气体由于流量发生变化会出现严重的旋转脱离现象，形成突变失速（气体在叶道进口的流动方向和叶片进口角出现很大偏差），这时叶轮不能有效提高气体压力，导致压缩机出口压力降低，但是系统管网压力没有瞬间相应地降低，气体从系统管网向压缩机倒流，当系统管网压力降至最低压缩机出口压力时，气体又向管网流动，如此反复，使机组与管网发生周期性的轴向低频大振幅气体振荡现象，称为喘振。

伴随喘振而来的是压缩机的巨大异常响声，还可看到气体出口压力和流量指示大幅波动，机身也会剧烈振动， 并带动出口管道和厂房振动。若不及时采取措施，压缩机将遭到严重破坏。

2 四合一机组防喘振控制原理

2.1 控制测点

参与氧化氮压缩机和空压机防喘振控制的测点信号见表1。

表1 氧化氮压缩机和空压机防喘振控制测点信号

（续表1）

2.2 原理说明

2.2.1 氧化氮压缩机

根据氧化氮压缩机入口压力p1与出口压力p2计算压缩比，经多段线模块转换为对应的防喘振设定值SXT1, 根据氧化氮压缩机入口流量计算出入口流量百分比PV1， 将PV1与SXT1的差值作为控制偏差。 压缩比计算式为：

压缩比=（p2+0.083）/（p1+0.083）/3.4×100%

氧化氮压缩机防喘振设定值转换表见表2。

表2 氧化氮压缩机防喘振设定值转换表

计算氧化氮压缩机入口流量百分比PV1：

其中，FT1为氧化氮压缩机入口流量。

机组正常运行时PV1应大于SXT1且PV1与SXT1差值在10%以上， 当PV1与SXT1差值在2%～10%时，机组运行进入报警区，当PV1与SXT1差值不大于2%时，防喘振保护动作。

2.2.2 空压机

根据空压机入口流量FT2计算出入口流量百分比（入口流量百分比=（FT2/15）×100%），经多段线模块转换为对应的防喘振设定值SXT2， 根据空压机出口压力计算出出口压力百分比PV2，将SXT2和PV2的差值作为控制偏差。

空压机防喘振设定值转换表见表3。

表3 空压机防喘振设定值转换表

计算空压机出口压力百分比PV2：

其中PT为空压机出口压力。

机组正常运行时SXT2与PV2的差值在10%以上，当SXT2与PV2差值在2%～10%时，机组运行进入报警区，当SXT2与PV2差值不大于2%时，防喘振电磁阀SV-50270失电，防喘振保护动作。

3 四合一机组防喘振控制在浙江中控TCS-900 SIS上的实现

硝酸装置四合一机组空压机和氧化氮压缩机防喘振控制采用的是ABB Protronic 500控制器，该控制器主要存在以下问题：

a. 控制器不冗余，供电为单电源，可靠性差；

b. 趋势和事件记录不完善，防喘振保护动作或设备故障后原因分析困难；

c. 价格昂贵，备件采购周期长，发生故障无其他替代方式， 会导致四合一机组无法开车运行；

d. 操作和维护不便。

利用装置完善SIS的机会，将四合一机组空压机和氧化氮压缩机防喘振控制由原控制器移入浙江中控的TCS-900 SIS。TCS-900 SIS的主要特点如下：

a. 采用全冗余的三重化（TMR）硬件容错表决（HIFT）结构模块，支持3-3-2-2-0（冗余）降级模式；

b. 采用五级2oo3D表决架构， 设置多级故障限制区；

c. 可应用于有安全完整性等级 （SIL3及以下）要求的关键过程安全控制场合，支持1ms分辨率SOE功能；

d. 支持在线热更换，支持双工作模式，实现卡件无扰动零时间切换；

e. 自诊断覆盖率大于99%，覆盖现场回路的故障诊断；

f. 趋势和事件记录功能齐全；

g. 采用双路冗余电源供电， 支持卡件热插拔。

改造方案为： 为提高防喘振控制的可靠性，对氧化氮压缩机入口流量FT-40209、氧化氮压缩机入口压力PT-40209、 氧化氮压缩机出口压力PT-40229、空压机入口流量FT-50209、空压机出口压力PT-50229各新增两台测量变送器， 在SIS实现三取中。改造后参与防喘振控制的测点信号见表4。

表4 改造后参与防喘振控制测点信号

根据上述改造方案设计的氧化氮压缩机防喘振组态逻辑如图1所示。

FT-40209mid与压缩比经多段线模块FXY转换的值进行减法运算，其差值小于10%大于2%时，SIS发出报警信息，差值不大于2%，或505最低转速信号SSL-20700A动作，都将触发防喘振保护动作，氧化氮压缩机防喘振电磁阀SV-40270失电， 防喘振阀全开。 空压机防喘振组态逻辑如图2所示。

图1 氧化氮压缩机防喘振组态逻辑

图2 空压机防喘振组态逻辑

FT-50209mid经多段线模块FXY转换的值与PT-50229mid进行减法运算，其差值小于10%大于2%时，SIS发出报警信息，差值不大于2%，或505最低转速信号SSL-20700A动作，都将触发防喘振保护动作， 空压机防喘振电磁阀SV-50270失电，防喘振阀全开。 SIS防喘振图如图3所示。

图3 四合一机组SIS防喘振图

4 结束语

改造完成后， 经与ABB Protronic 500防喘振控制器多次比对，SIS防喘振各项数据与控制器中各项数据基本一致。TCS-900 SIS的三重化冗余设计给压缩机安全稳定运行提供了保障，更加便于工艺操作和仪表人员维护，为机组安全、稳定、长周期、可靠运行提供了保证。