PSA 单元顺控时序错误分析与优化

赖红军 王志芳

（中国石油天然气股份有限公司独山子石化公司信息网络公司）

某天然气制氢装置变压吸附（PSA）单元采用变压吸附法从混合原料气（中变气+苯乙烯尾气）中提纯氢气。 PSA 气体分离技术依靠压力变化实现吸附与再生，因而再生速度快且能耗低，属于节能型气体分离技术。 该工艺过程简单且操作稳定，可对含多种杂质的混合气中的杂质实现一次脱除，得到高纯度产品。

PSA 装置部分由10 台吸附塔和4 台缓冲罐组成。 装置的10 个吸附塔中，有2 个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态。 其吸附和再生工艺过程由吸附、连续4 次均压降压、顺放、逆放、冲洗、连续4 次均压升压及产品最终升压等步骤组成。正常运行模式采用10-2-4 工艺流程 （10 表示10个塔运行，2 表示2 个塔吸附，4 表示4 次均压降压）。 此外，基于PSA 单元程序运行的稳定性，可以另外设定自动切除塔和自动恢复塔程控步骤，即当某个吸附器因阀门开关故障报警或压力偏差报警时， 则此台吸附器自动停止吸附并隔离，PSA 单元允许依据故障情况从10 塔最多切换到5 塔［1］，即10 塔→9 塔→8 塔→7 塔→6 塔→5 塔。

1 系统结构和顺控功能块

制氢装置采用CENTUM VP 系统，其顺控功能采用LC64 图、ST16 顺控表和_SFCSW 功能块的SEBOL 语言编程实现。 顺序控制表SequenceTable 和逻辑流程图LogicChart 组合， 可以组态完成非常复杂的逻辑判断和控制功能。 _SFCSW功能块采用IEC 标准， 所用的编程语言SEBOL是开放式语言，组态直观且程序简单易懂，可用流程图描述， 程序利用系统空闲时间（CPU Idle Time）分段解释执行，程序边解释边执行，CPU 时间占用很少。

由于PSA 单元的控制回路有56 条， 逻辑控制块600 余个，顺控程序复杂且较多采用交叉引用，逻辑严密且安全性要求很高，单一采用一种方法实现顺控难度较大，因此采用3 类逻辑组态工具组合实现该逻辑控制功能。

PSA 单元主要顺控模块包括： 主程序循环块、吸附塔切塔程序块和程控阀输出程序块。

主程序循环块实现PSA 单元的运行和停止选择， 控制整个吸附与再生过程按照设定时间、工艺步序和顺序实现。

吸附塔切塔程序块控制切塔与恢复操作，保证当某一吸附塔故障造成压力异常时，可切除故障吸附塔脱出工作线， 保证其余吸附塔继续运行。

程控阀输出程序块控制程控阀开关动作，按一定时序将24V（DC）开关控制信号送至电磁换向阀，实现程控阀门开关动作、阀位传感器的状态显示和监控［2］。

2 顺控程序异常与问题分析

该顺控程序投用近10 年来能够按照预定的程序执行，运行稳定可靠，满足工艺的各项要求。

自2019 年下半年以来， 连续出现几次恢复塔过程中解吸气混合罐窜压，塔压瞬间下降的情况［3］。

2.1 恢复塔过程压力波动

PSA 单元按计划执行B 塔恢复操作，此时B塔塔压0.19MPa，17:10:33 按下DCS 系统恢复塔按钮，17:12:56 程序根据B 塔压力选择逆放步序并入，此时E 塔应当从二均升进入一均升，但实际此时E 塔未进入一均升， 而是打开5#和7#两个阀，2s 后两阀关闭， 程序才开始执行一均升步序。 在此过程中E 塔向解吸气混合罐V-203 窜压，E 塔塔压由1.173MPa 降至0.63MPa。

2.2 并塔过程压力波动

PSA 单元H 塔的4#阀完成检修后，在恢复操作过程中，按下DCS 系统恢复塔按钮（PSA 恢复塔操作属于自动过程，程序会根据塔压选择合适步序并入）6min 后， 程序自动选择在逆放步序并入H 塔，H 塔并入瞬间F 塔压力异常下降 （图1）， 解吸气混合罐压力在6s 内由0.043MPa 上升至0.084MPa（图2）。 解吸气混合罐压力升高导致解吸气火嘴前压力上升至联锁值0.020MPa，解吸气切断阀联锁关闭，导致转化炉炉膛负压在4s 内由-200Pa 降至-400Pa，触发转化炉炉膛负压低低联锁，造成转化炉联锁停炉。

图1 并塔瞬间出现的窜压情况

图2 解吸气混合罐压力变化趋势

3 原因分析与整改方案

3.1 原因分析

上述两次操作造成的生产波动现象大致相同。 排除程控阀、调节阀、安全阀和误操作的可能性后，进一步分析阀门趋势，发现两次故障均出现在执行均升阶段的吸附塔塔数恢复瞬间，造成冲洗阀打开。

对PSA 系统控制程序进行多次仿真测试，观察阀门状态， 发现DCS 在扫描执行主循环程序（图3）、阀门输出的_SFCSW 块（图4）和切塔恢复程序（图5）时，出现了一个扫描周期内（1s）未执行完毕的情况。 分析其具体原因为：PSA 主循环程序（DR0014）、阀门输出（DR0016）和切塔恢复 程 序 （DR0017） 分 别 在 不 同Drawing 图 的_SFCSW 块里实现， 而_SFCSW 功能块是在空闲时间内同时开始执行的。

图3 PSA 主循环程序

图4 阀门输出逻辑块

图5 切塔恢复程序

DCS 在扫描执行主循环程序_SFCSW 块和阀门输出_SFCSW 块时，由于程序块内语句众多（主程序块467 行语句， 阀门输出程序块423 行语句），系统在空闲时间内边解释边执行，不能保证在一个扫描周期内全部完成，造成程序中断点不一致，读取中间寄存器的数值不在同一个扫描周期，进而导致程序的时序和步序错误，程控阀接收错误的指令打开。 仿真情况如图6 所示。

图6 仿真测试并塔瞬间窜压情况

3.2 整改方案

针对该故障出现的隐蔽性和偶发性， 结合DCS 中_SFCSW 块的固有执行特点，提出两个解决方案［4］：

a. 在阀门输出程序_SFCSW 块中增加判断条件，执行恢复塔程序时，禁止已经执行均升阶段的塔打开冲洗出入口阀门。 该方案可以解决均升阶段的塔在塔数恢复瞬间冲洗阀打开2s 的偶发性问题。

b. 调整_SFCSW 功能块结构，将无法在一个扫描周期内执行完成的_SFCSW 块拆分成小逻辑块，人为增加程序执行时间差，在切塔和恢复2s 后（各塔序号和分步序计算完成后）再扫描执行阀门输出块，彻底解决存在的扫描时序问题。

上述方案都需要在装置检修窗口期实施程序修改，暂不具备整改条件。 为此，制定切并塔操作优化预案： 程控阀开关故障尽快排查解决，尽量只切一个塔，待恢复塔（塔压0.40～0.65MPa）从9 塔恢复到10 塔顺放阶段，可避免塔恢复过程出现冲洗阀打开的情况；如果在8 塔恢复至9 塔过程再次出现冲洗阀打开的情况，控制解吸气混合罐去转化炉的压力控制阀开度，使解吸气瞬间高压通过解吸气放空调节阀放空，降低去转化炉的瞬间高压。

4 结束语

CENTUM VP 系统_SFCSW 功能块在PSA顺控逻辑的实际应用结果表明，_SFCSW 块结合ST16、LC64 等功能块， 具备整体解决方案的能力，虽然在程序执行过程中出现时序错误，但经过对_SFCSW 块程序执行机制的分析研究，通过合理设计跳步和暂停，避免了该类错误。 同时指出了可以在装置检修窗口期实施程序修改的具体方案。