和利时DCS在林德空分装置上的应用

黄根涛，杨卫强

（杭州和利时自动化有限公司，杭州 310016）

0 引言

空分装置在现代煤化工中占有重要地位，在煤化工装置生产中的应用主要分为两个方面：①各系统产品不同的装置如煤制油、煤制气等化工装置链中工业气体的综合应用；②各种型号气化炉氧气的供应。林德集团是全球领先的气体和工程集团，其工艺需求、控制方案在国外大型空分装置中具有代表性和借鉴性。

1 项目概述

某煤化工企业煤制甲醇项目空分装置是由林德杭州设计工程公司设备总承包，单套空分装置氧气产量70000Nm3/h。装置的DCS 系统采用杭州和利时自动化有限公司MACS6+K 系列产品，软件版本MACSV6.5.3，硬件为K 系列产品。DCS 系统在FAR 中，共有7 个IO 控制站，55 台机柜；CCR1 中有网络柜1 台，操作员站7 台，历史站2 台，工程师站1 台。

2 工艺介绍

空分装置由空气压缩、预冷、分子筛吸附净化、空气增压、气（液）相膨胀制冷、空气精馏分离提取等部分组成。采用内压缩流程、规整填料精馏塔、全精馏无氢制氩工艺。气（液）体膨胀机、工艺流程泵厂家为法国CRYOSTAR，压缩机组（汽轮机、空压机、增压机）厂家为德国SIEMENS。

装置负责向全厂各生产装置和公用工程辅助设施提供压力等级高低压的氧气、氮气及0.8MPa 的仪表气和工厂风。

3 关键控制点

◇ 对于多工艺参数影响的调节回路采用多控制回路控制。如对界区输送气体产品回路：流量、压力、温度控制器的输出经低选功能块处理后，输出至调试阀，以保证供气参数安全。气体膨胀机的增压机回流阀采用喘振控制器、转速控制器、保护回路的输出，经高选功能块处理后，输出至回流阀。

◇ 依据液体泵厂家提供的气蚀曲线实现了液体泵的气蚀保护，液体泵的互为备用逻辑实现泵转速、回流阀开度的无扰动切换，最大程度保护了工艺平稳。

◇ 空压机导叶流程的控制在DCS 系统中完成，压力控制器和流量控制器的输出经低选功能块处理输出至空压机导叶，完成进入塔内空气量的调节。压力控制为单回路控制器，其中流量控制为串级回路控制，以氩馏分含氧含量或上塔中部温度为主回路，流量控制为辅回路。其中，氩馏分含氧含量控制输出或上塔中部温度控制输出可选等百或比例输出。

◇ 装置所有工艺联锁故障输出，采用首出功能记录发生故障原因项，便于查找故障。

图1 CO2分析仪报警抑制逻辑Fig.1 Alarm suppression logic of CO2 analyzer

图2 CO2分析仪自动切换通路逻辑1Fig.2 Logic 1 of automatic switching path of CO2 analyzer

4 典型控制方案实例

1） 分析表测量通路切换回路

分析仪表配置大小量程测量通道，用于测量正常工况和非正常工况介质含量；并设置多个被测介质通路，用于测量多点位置同种介质含量。通过介质通路配置切换电磁阀，实现DCS 系统远程切换介质通路。本文以CO2分析表的功能逻辑为例。

CO2分析 表 有0PPM ～5PPM 和0PPM ～20PPM 两个测量通道，需测量进冷箱空气CO2含量、主冷CO2含量、粗氩冷凝器CO2含量的3 个测量点介质中CO2含量。功能实现根据分子筛时序自动切换，通过以高（低）量程，实际测量CO2含量实际数值比较方式自动切换对应CO2分析变量进冷箱空气CO2含量（81_3001_15_A30）、主冷CO2含量（81_3001_26_A30）、粗氩冷凝器CO2含量（81_4101_16_A30）量程。

依据分析仪数据通道故障、分析故障、维护开关状态、校验状态、通路切换过程逻辑判断分析仪表测量有效状态检测。在CO2含量测量无效状态报警和非正常工况下抑制粗氩冷凝器CO2含量采样点高报警；进冷箱空气CO2含量、主冷CO2含量高报警抑制同理。

以下逻辑为通路切换时序，在NO2含量分析仪、CO2含量分析仪工作状态下，冷箱开关投运后联锁CO2分析仪表通路切换投入自动模式，在通路切换自动模式下分子筛吸附器A 冷吹步结束前10min，投入81_3001_15_A30（进冷箱空气CO2含量）通路，关闭81_3001_26_A30（主冷CO2含量）或81_4101_16_A30（粗氩冷凝器CO2含量）通路，直至分子筛切换步到逻辑开81_3001_26_A30（主冷CO2含量）通路，之后81_3001_26_A30、81_4101_16_A30、81_3001_15_A30 3 个通路按每30min 依次顺序切换通路，至分子筛吸附器B 冷吹步结束前10min 投入81_3001_15_A30（进冷箱空气CO2含量）通路，通路切换周期循环。

2） 膨胀机组的增压机喘振

由于膨胀机组叶轮的飞速旋转，带动同一轴上的增压机叶轮的转动，增压机叶轮压缩通过增压机叶轮的气体对膨胀机组的转速进行抑制。但在一定的转速下，当增压机回流阀关得过小时，进口流量小到一定数值，增压机的工作点进入喘振区，造成增压机工作不稳定而产生振动。所以，回流阀在进入喘振区前需自动打开，增加增压机的负荷使膨胀机组减速，避免增压机喘振。图3 为CRYOSTAR厂家提供的增压机喘振曲线图。

图3 CRYOSTAR厂家提供增压机喘振曲线Fig.3 Surge curve of supercharger provided by CRYOSTAR manufacturer

膨胀机组厂家一般给出增压机的喘振曲线，将增压机运行区域分为安全运行区域和喘振区域。

流量调节器是喘振控制器：SP 值设定为常数100，PID控制一直投入自动状态；PID 作用方式为反作用。调节器PV 值计算公式如下：

其中，△P1——实际流量差压；P 出1——实际出口压力；P 入1——实际入口压力；△P0——喘振曲线流量差压；P 出0——喘振曲线出口压力；P 入0——喘振曲线入口压力；K——安全系数。

运行曲线如图4 所示。

3） 液体泵的无扰切换控制及气蚀保护逻辑

深冷低温液体泵是内压缩流程空分工艺流程的工艺泵和生产泵，在空分装置运行中起着重要的作用，低温液体泵的运行状况直接关系到整套空分装置是否能够稳定运行及装置出现故障状态时，后备系统是否能够连续供应气体。以塔气系统液氧泵为例，表述液体泵的功能保护逻辑。

a）无扰动切换功能

图4 增压机喘振运行画面Fig.4 Surge operation picture of supercharger

表1 CRYOSTAR液氧泵气蚀参数表Table 1 Cavitation parameters of CRYOSTAR liquid oxygen pump

切泵条件：一台泵在加载工作状态，另一台泵在随转状态；无联锁信号触发、工艺条件满足且自动切换按钮投入。

切泵逻辑功能：加载泵停车或者卸载时，另一台惰转工作状态的泵自动完成加载，且上一台泵的转速、回流阀开度及其手操、气蚀PID 工作状态自动传递给自动加载的泵，保持液体泵的出口工况稳定。

b）气蚀控制功能

气蚀产生很高的冲击应力，如果发生在液体泵叶片的表面，其金属材料会因反复受到冲击应力而被侵蚀。在液体泵的运行过程中需避免气蚀，防止设备受到损坏。

以下以典型的CRYOSTAR 公司的液体泵为例介绍。液体泵气蚀曲线为每台液体泵的固有曲线，由液体泵厂家提供，液体泵气蚀保护曲线必须严格按照液体泵厂家提供的对应的液体泵参数填写，见表1。

图5 液氧泵气蚀保护曲线Fig.5 Cavitation protection curve of liquid oxygen pump

根据以上液体泵厂家提供的数据绘制出转速与液体泵进出口差压对应关系的气蚀曲线，通过对比实时液氧泵出入口压差与气蚀高低限（设定偏差为-0.01）完成液氧泵气蚀高低限报警。气蚀控制器PV 值为实时液氧泵出入口压差，SP 为气蚀高限，（气蚀高限-气蚀低限）×K，控制器为正作用，控制器工作模式为自动。

5 结束语

和利时的HOLLiasS-MACS6 系统已在林德公司70000 Nm3/h 空分装置上得到实际应用，实现了工艺包的控制需求，保障了装置安全稳定运行。单套装置中自动回路投运率为98%以上，自动回路的稳定控制和设备的安全运行为空分装置的稳定运行提供了保障，并为后续快速变负荷系统投运提供了工艺投运基础。为国产DCS 系统在国外空分装置厂商的特大型空分装置上应用提供项目实施经验。