提升空分装置压缩机组控制系统稳定性的总结

毛大军

（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021506）

0 引 言

空分装置属于公用系统，为企业的主生产系统提供氧气、氮气、工厂空气、仪表空气等，一旦出现故障，将导致生产系统被迫停运，给企业的生产经营带来巨大损失。呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）空分装置配有空压机和氮压机，2台均为离心式压缩机，共同使用1套Tricon控制系统实现综合控制。

金新化工空分装置运行初期，压缩机组Tricon控制系统曾出现过卡件故障、汽轮机转速波动大、油系统联锁逻辑设计不合理、电子超速保护系统模块故障等问题，这些问题给空分装置的安全、稳定运行带来巨大的影响，给主生产系统的长周期运行埋下了潜在隐患。

1 Tricon控制系统的技术特点

Tricon控制系统具有三重冗余结构（TMR）和冗错能力，是从主处理器到输入、输出卡件完全三重化的容错控制系统，并且可以实现1套系统控制多台压缩机。Tricon控制系统的配套设施有3500状态监测系统、电子超速保护系统等，主要实现机组转速控制、喘振控制、联锁保护、SOE（即事件顺序记录）等功能。Tricon控制系统的扫描速度非常快，系统执行时间一般约在40ms，但控制系统的执行时间受硬件I／O点数和软件逻辑的复杂程度影响较大。虽然Tricon控制系统支持多机组控制，但为了缩短扫描时间，加快系统响应速度，提高控制质量，并确保系统的可靠性，金新化工的1套Tricon控制系统最多只控制2台离心式压缩机组。

3500状态监测系统主要完成压缩机组轴系运行状态的实时监测，主要的监测参数有径向振动、轴向位移、键相转速等，这些参数通过报警、联锁逻辑对机组进行保护（振动／位移双点联锁输出→Tricon控制系统联锁条件触发后输出→联锁停机）。3500状态监测系统将机组状态报警、联锁输出至Tricon控制系统，最终由Tricon控制系统发出命令完成机组的保护；同时，3500状态监测系统的数据通信至Tricon控制系统，便于工艺人员监控。

电子超速保护系统是1套相对独立的系统，通过超速保护逻辑直接控制现场的停机电磁阀，是对机组采取的又一保护措施。空分装置原始配置的电子超速保护系统是Woodward公司生产的ProTech203，ProTech203监控3个独立的转速传感器，采用三选二的停机方式，每个单元的电源均是独立的，且与其他2个单元除选项继电器输出相连外，其他均是完全隔离的，确保不会因为3个单元中的任何一个模块发生故障而停机，ProTech203的输出与主控紧停、现场停机电磁阀相关联，主要用于高转速下Tricon控制系统失效时的机组强制停运。

空压机、氮压机的1＃停机电磁阀信号经Tricon控制系统DO通道继电器输出后，经过电子超速保护系统继电器（及主控紧急停车按钮与机柜中间接线端子）控制现场1＃停机电磁阀；2＃停机电磁阀信号经Tricon控制系统DO通道继电器输出后，（经机柜中间接线端子）直接控制现场2＃停机电磁阀。

2 压缩机组控制系统的潜在风险

2.1 控制系统运行环境不佳

电子设备的制造精度越来越高，对控制系统运行环境的要求也越来越严格。机柜室内温度变化过大将会影响卡件的正常使用寿命，室内卫生较差、灰尘堆积可能造成电路板短路；运行环境湿度过小将会在设备上堆积静电电荷，湿度过大则可能导致卡件受潮而出现故障。

据《控制室设计规范》（HGT20508—2014）第3.6.1条，机柜室室温宜为冬季（20±2）℃、夏季（26±2）℃、温度变化率＜5℃／h，相对湿度宜为40%～60%、湿度变化率＜6%／h；《电子信息系统机房设计规范》（GB50174—2008）第5.1.1条对于机房温度、相对湿度的要求见表1。

表1 电子信息系统机房技术要求（环境要求）分类

表1中A级机房指电子信息系统运行中断将造成重大经济损失的机房；B级机房指电子信息系统运行中断将造成较大经济损失的机房；不属于A级或B级的电子信息系统机房为C级。金新化工控制系统机房属于B级以上，机柜室运行环境温度应在（23±1）℃、相对湿度应在40%～55%，而金新化工地处北国边疆，昼夜温差达20℃，冬夏两季温差高达70℃，环境相对湿度较低，尤其是漫长的冬季。金新化工压缩机组控制系统2010年上电运行，长期的环境影响使得其电子元器件也出现了老化，机柜间各连接端子受振动的影响易松动，造成线路虚接。

2.2 调速系统设计不充分

汽轮机上共有6支磁感应转速探头，3支进ProTech203电子超速保护系统，专门用于压缩机组的超速保护；另外3支探头直接或间接进入Tricon控制系统参与转速控制，探头分布如图1所示。可以看到，参与转速调节的3个信号中，SE01662和SE01663的信号直接进入Tricon控制系统的脉冲输入卡件，SE01661则先经就地转速表转换成4～20mA模拟量信号后再送至Tricon控制系统，与SE01662、SE01663一起选取中值参与汽轮机的转速控制，而SE01661信号经就地转速表转换输出后进入Tricon控制系统模拟量输入卡，有约30r／min的偏差，不利于汽轮机的转速控制。

图1 汽轮机转速探头分布示意图

2.3 重要设备未定期更换、升级

金新化工压缩机组控制系统运行时间较长，关键设备、重要卡件未进行升级或更换。如ProTech203电子超速保护系统和Tricon控制系统模拟量输入卡3700A目前已停产，无法购买与之相同型号的备件。

2.4 重要卡件未冗余

Tricon控制系统上所有的I／O卡件均未冗余，一旦出现关键数据对应的通道故障或者卡件失效，就会触发联锁动作，如2013年11月16日发生过因合成气压缩机组Tricon控制系统上的1块DO卡件失效导致合成氨装置停车的事故。对至今金新化工压缩机组控制系统卡件的故障率进行统计（见表2），DO卡的故障率最高。

表2 Tricon控制系统卡件故障率统计

2.5 卡件上的仪表测点布局不合理

原始设计对控制系统的稳定性考虑不足，Tricon控制系统中三选二的模拟量输入点设计在了同一块卡件上。其中，3500状态监测系统中，空压机、氮压机的振动、位移均为双点联锁，但每一对测点均在同一块3500状态监测卡件上组态，一旦卡件出现故障，将可能触发系统联锁停机，给系统运行带来风险。

2.6 联锁设计不完善

开车程序中，机组运行到某一状态个别阀门才会解除闭锁，在每次系统停运检修后重启时需手动复位，否则程序无法执行下一步操作。压缩机的辅助设备含多台机泵，如盘车电机、顶升油泵、油雾风机、冷凝液泵、润滑油泵、事故油泵等，润滑油泵的稳定运行对油压控制有直接影响，原始设计靠润滑油压低联锁信号自动启动辅油泵，一旦主油泵停运，油压会瞬间降低，若辅油泵启动不及时，会导致压缩机联锁停机。

3 优化方案及解决措施

3.1 改善控制室内的环境

日常注意检查控制室内环境温度、湿度，保证设备处于最佳工作状态；定期打扫室内卫生；人员离开时及时锁好门窗，避免无关人员进入。

注重日常巡检、维护管理，发现问题立即处理，及时将隐患消除在萌芽状态，使系统长期处于正常工作状态；每年停机检修时，及时开展机柜内部的除尘、清灰工作，对机柜间连接的每一处地方进行检查、确认，并对接地系统的阻值进行测量，保证接地系统可靠。

3.2 重新设计转速输入方式

就地转速表主要用于现场开车或压缩机组正常运行后的巡检查看，工艺人员在开车过程中均为远程操作，Tricon控制系统及超速保护系统上均有转速显示，因此就地转速表的重要性相对不高，为使汽轮机的转速调节更加稳定，将现场SE01与SE02、SE03探头的信号一并引入Tricon控制系统的脉冲输入卡，经逻辑运算后直接参与汽轮机的转速控制，现场转速显示则通过Tricon控制系统的模拟量输出卡来实现，只需要安装1块价格相对便宜的模拟量输入的数显表即可。以氮压机为例，转速控制优化前，SIC01661、SIC01662、SIC01663分别为6728r／min、6754r／min、6754 r／min；转速控制优化后，SIC01661、SIC01662、SIC01663均稳定在6591r／min。

3.3 更换、升级重要设备

将原系统上9块3700A模拟量输入卡全部更换为升级版的3721卡，并将ProTech203电子超速保护系统升级为ProTechGⅡ电子超速保护系统，更换下来的3700A卡件、ProTech203电子超速保护系统作为合成氨、尿素等装置压缩机组控制系统的备件。升级后的每个ProTechGⅡ系统模块同时支持24VDC和220VAC供电，系统组态中设置电源故障报警，一旦某路电源出现故障，将及时提醒维护人员检查处理。

3.4 冗余关键卡件

空分装置压缩机组控制系统除8312电源卡、3008CPU卡、4351B通信卡是冗余配置外，其余均为单卡运行；Tricon控制系统机架上的每个I／O插槽分左、右槽，主要用于卡件故障时在线更换。若在线冗余，系统会不停地扫描卡件的激活状态，降低卡件的使用寿命。结合近几年系统的实际运行状况并考虑卡件的重要性，将3511脉冲输入卡、3805E模拟量输出卡及模拟量输入卡中涉及关键仪表点的卡件进行了冗余。

针对故障频发的3625DO卡，梳理统计出空压机和氮压机共有14个关键重要的DO点，对关键重要的DO点进行了冗余组态，这些点分别设计在了第二机架第五槽（C2S5）和第三机架第六槽（C3S6）的3625DO卡件上；同时，为了布局美观、便于查找问题，重新对C2S5和C3S6槽上的DO点进行了布局调整，与C2S5和C3S6槽的第1～14个通道全部一一对应。另外，对C3S6槽3625DO卡件进行了硬件冗余，C3S6槽与C2S5槽3625DO卡件的14个关键重要通道进行了再次冗余，相当于每个关键重要的DO通道都有9重冗余，极大地降低了因卡件故障造成的跳车风险，确保无论哪块卡件出现故障，这14个DO点都能正常工作。同时，据优化后的DO通道布局，完成机柜内部线的更改及冗余通道的连接，将原通道与冗余通道经继电器输出至端子排的地方短接，实现控制点的冗余。

3.5 合理布局每一块卡件上的仪表测点

现场同一位置设计3个仪表检测点，意味着该参数的重要程度很高，或对设备、工艺管线的保护要求高，或一旦出现故障危险程度高。为提高空分装置压缩机组状态监测系统的稳定性和安全性，将Tricon控制系统中三选二的模拟量输入点重新设计在不同的卡件上，即对3500状态监测系统进行优化改进，把每一对振动、位移点放在不同的卡件上，并按照优化后的设计重新组态、完善联锁逻辑，修改3500状态监测系统至Tricon控制系统的通信组态，更改3500状态监测系统的外部接线，确保任意一块监测卡件出现故障都不会导致机组停机。

3.6 优化压缩机主、辅油泵联锁逻辑

对空压机、氮压机启机程序的逻辑功能进行优化，使控制阀的闭锁条件自动解除，避免因疏忽、维护不及时等影响启机过程，同时也减少了启机环节无意义的操作步骤。

金新化工每年都会有数次外部故障引起的晃电，一旦因晃电或油泵故障导致主油泵停运，压缩机很有可能因油压低而联锁停机。SOE事件顺序记录功能，在时间刻度上可以精确到毫秒级，对快速分析和查找设备故障原因起着至关重要的作用，充分利用SOE记录事件的准确性可以得出主油泵突然停运后辅油泵启动至油压恢复正常的时间。为此，对空压机润滑油泵进行切换试验，结合SOE记录数据，得知油泵停运至润滑油压低报警的时间为4.5s，当主油泵停运后，2.7s控制油压低联锁动作，即辅油泵还未启动系统已经联锁停机。从机泵运行风险及紧迫性方面分析，将辅油泵自启动的油压联锁值适当提高，可降低油压低联锁停机的风险，但不能确保百分之百的可靠，于是，金新化工采取了对压缩机主、辅油泵的启动联锁进行优化——增加空压机和氮压机主油泵无运行信号时自启动辅油泵的联锁逻辑（见图2），如此一来，当主油泵停运时，辅油泵只需0.2s即可自启动。由联锁逻辑优化完善后SOE记录可知，增加主油泵运行信号联锁逻辑后，辅油泵自启动比油压低联锁自启动快4.3s，而且同样是单台油泵运行，整个油路系统不会超压，油路系统的压力更加稳定、可靠，对抗晃电等外部因素影响有非常好的效果。

图2 优化后的氮压机润滑油泵联锁逻辑图

4 结束语

金新化工针对空分装置运行初期压缩机组Tricon控制系统存在的问题，实施了汽轮机转速控制优化、更换和升级重要设备、关键卡件冗余、合理布局卡件上的仪表测点、重新布局和组态3500状态监测系统、优化压缩机主油泵和辅油泵联锁逻辑等优化改进，并制订了改善控制室内环境的制度和措施，从而有效降低了硬件、关键重要卡件故障导致的压缩机组跳车风险，极大地提升了压缩机组控制系统的稳定性和安全性，为空分装置的长周期、稳定运行提供了保障。