硝酸生產中的四合一機組的設計與應用

李玉昌，汪 黔，張玉華

貴州省息烽開磷化工裝備工程有限責任公司，貴州 貴陽 551109

0 引言

在化學工藝上可以了解到，利用氨氧化生產硝酸需要經歷三個化學反應過程：氨的氧化、氧化氮的氧化和亞硝酸氣體的吸收。根據化學方面的知識可以了解到，以上的三個化學反應都是較強的放熱反應，而且在加壓的條件下更有利于反應的進行。因此，可以通過化學反應放出的熱量和回收尾氣排放的能量來維持整個硝酸生產中氣體壓縮機的動力消耗，此外剩下的能量由蒸汽排出，以此來達到系統能量的平衡。通過壓縮機組合的概念，由此產生了“三合一機組”、“四合一機組”等的概念[1]。現在使用較多的一種壓縮機組是將驅動機蒸汽壓縮機和尾氣膨脹壓縮機與生產機空氣壓縮機和氧化氮壓縮機組合在一起，形成一個機組。通過這樣的組合，將它們的能量一起共用，能夠提高機械效率。另外一種機組情況就是用電動機或者燃氣壓縮機取代蒸汽壓縮機與空氣壓縮機、氧化氮壓縮機和尾氣膨脹壓縮機組合在一起，形成“四合一機組”的概念。ITCC系統是一套集壓縮機的透平調速控制、防喘振控制、抽氣控制、自保聯鎖邏輯控制為一體的綜合控制系統。

1 機組結構及數據

四合一機組的流程與布置主要是依賴于硝酸生產工藝的要求，四臺機器可以設計成同軸線同轉速或者設計成不同軸線不同轉速，其驅動機可以設在端頭，也可以設在端尾。硝酸四合一機組就是一個典型的能量自給自足型的機組，在各機組設計與選型中都必須遵循節能、環保、高效的原則。下面來具體介紹各部件的結構。

1.1 空氣壓縮機

在四合一機組中，空氣壓縮機主要是用來進行氨氧化和氮氧化的空氣壓縮，來實現空氣的升壓。在壓縮機的選型方面，由于綜合加壓工藝和雙加壓工藝的不同，升壓的幅度較低，一般多采用軸流式壓縮機。對于軸流部分的轉子葉片，一般采用反動式，這樣可以調節增壓的速度和效率的高低。為了適應氣流的波動，靜葉角度可以設計成部分可調和全部可調的形式，其調整的驅動器一般設置成液壓的形式。

1.2 氧化氮氣體壓縮機

四合一機組中的氧化氮壓縮機主要是用于將氨氧化反應生成的氧化氮氣體匯合氧化用空氣壓縮到吸收操作過程需要的壓力。為了滿足壓力要求，一般采用離心式壓縮機。對于氧化氮氣體壓縮機的氣流結構有一個注意的部分，盡可能減少死角。這是由于氧化氮氣體與空氣混合后在壓縮過程中，既有NO生成NO2的反應，又有N2O4的分解反應，而后者屬于吸熱，影響比較大。這樣不僅會導致實際的排氣溫度比理論計算的數值低，而且還會在金屬壁或者在死角處沉積銨鹽。由于銨鹽結晶的過程會使體積膨脹，這樣會造成腔體中隔板的變形，影響葉輪的旋轉。在葉輪的選擇方面，應該優先采用鑄造葉輪，以提高設備的抗腐蝕性。

1.3 尾氣膨脹壓縮機

在四合一機組中，尾氣膨脹壓縮機得作用主要有：一是回收硝酸生成過程排放尾氣的能量；二是為空氣壓縮機和氧化氮壓縮機提供一個驅動器[2]。根據實際的需要，可以將尾氣膨脹機設計成單級或多級膨脹，其葉輪可以設計成沖動型和反動型或者兩者混用。在膨脹機的進出口配有專門的調節閥，用此來調節氣量的變化，從而提高設備的效率。

1.4 蒸汽壓縮機

在四合一機組中蒸汽壓縮機為機組的正常運行提供了源動力，尤其是當設備開機啟動，尾氣膨脹機還不能工作時，蒸汽壓縮機為機組提供了所需能量的85%，這個在蒸汽壓縮機設計時，尤其的重要。蒸汽壓縮機的氣源一般都來自于硝酸生產過程中產生的熱源。

2 ITCC系統介紹

ITCC（Integrated Turbine Compressor Control system）系統是三重冗余綜合控制系統。該系統具有調速控制、防喘振控制、透平轉速超調保護、ESD聯鎖保護等功能[3]。ITCC系統的硬件核心是基于三重冗余容錯結構的控制器，數字量輸入信號在DI模塊中被分成3路，分別送給3個CPU，在CPU之中進行 “三取二”表決，分別通過3 條I/O總線送到DO模塊，在DO模塊中通過“方形表決電路”再次表決后, 輸出到現場執行器；模擬量輸入信號在A I模塊中也被分成3路信號，通過A /D轉換器轉換成12位的數字量，然后采用選中值的算法糾正分電路中的偏差，其中輸出信號經過選擇器之后，輸出到控制閥進行相應的控制。

ITCC系統和傳統DCS等控制系統相比，主要優點為：基于SIL3級可靠的硬件平臺、系統的擴性適應單機組或多機組控制、調速、防喘、負荷協調控制、靈活的機組控制軟件包，如機組公用軟件包、防喘振控制軟件包、調速軟件包。

3 T6300控制系統設計

T6300是羅克韋爾ICS Triplex公司的ITCC控制系統，T6300的應用程序采用IEC 1131 TOOLSET軟件編制，為提高控制系統運行的安全性，機組控制系統與DCS系統的控制單元之間相互獨立，并且分別安裝在不同的控制機柜內，機組控制系統獨立完成安全控制任務，與DCS系統互不影響。

控制單元（控制站）、操作員站都直接連接在系統的高速通訊網絡（冗余以太網）上。連接在網絡上的設備，可以在站與站之間進行數據交換，并且不分主站和從站。機組控制系統可通過標準OPC或Modbus口與第三方產品（如DCS、Bently 3500）通訊，并且支持光纖形式，重要信號參數（如聯鎖信號、壓縮機組負荷信號）則通過硬接線連接。機組機械保護系統Bently 3500的監視信號通過Modbus通訊從3500傳送到機組控制系統里，聯鎖信號通過硬接線從3500的輸出I/O端子接至壓縮機組控制系統。機組控制系統之間以及與主裝置DCS之間應有數據通訊，通訊安全可靠。壓縮機組調速控制系統能接受DCS（主裝置的控制系統）所給定的壓縮機負荷信號。

T6300系統軟硬件均通過IEC61508 SIL3級和TUV AK6級安全認證。T6300保證系統在內部出現故障的狀態下，仍能正確地執行程序。系統所有的模塊均能在線熱更換。這種設計使得T6300系統可以保持100%在線。T6300被用來處理各種實時的、復雜的、危險的生產過程，包括監測現場信號、執行邏輯運算、PID控制、輸出控制信號以驅動現場執行機構。這種高級的控制系統大大提高了四合一機組的安全性和可用性，下面將控制系統的設計做一下簡要的說明。

3.1 防喘振功能設計

如果工作人員對機組操作不當或設備管道故障，機組的壓縮機會發生喘振，這樣會嚴重損壞機組，影響機器的壽命。因此防喘振控制是機組中一個重要的安全控制。將防喘振控制切入到系統中，可以根據工作點運行的情況結合防喘振曲線，實時的控制喘振閥的動作。當喘振發生時，可以通過對入口補充回流量來解決問題。具體的方法是通過對應的防喘振閥門開始向打開的方向動作，使對應出口的壓縮氣體回流到對應的入口處，這樣通過增加入口的氣流來使機器回落到正常的工作區域內，這樣就達到了防喘振的目的。

該套ITCC系統對于防喘閥的控制除了手動與自動模式以外，還有一手動帶后備模式。當防喘閥處于手動帶后備模式時，則防喘閥處于手動控制狀態，ITCC系統將對操作點進行監測。在這種情況下，將操作點的值與系統根據現場參數計算出的喘振線進行比較，當操作點的值與喘振線的值接近時，ITCC系統將接管手動模式，這樣就會將喘振閥自動調節到一定的安全開度，防止喘振的發生。

3.2 ESD保護設計

緊急停車系統（ESD）其作用是當硝酸四合一的相關參數（如振動、溫度、壓力等）超過一定的限度時，能夠使機組立即停車以免造成嚴重的事故。在工業生產中，壓縮機組超速的原因一般是由于蒸汽壓縮機的壓力突然增加，導致壓縮機入口流量減少而引起原動機的超速。在壓縮機出現超速的情況下，可以通過關閉蒸汽壓縮機的蒸汽閥，以此來切斷壓縮機的動力來源，從而實現緊急停車。ITCC系統在此套壓縮機緊急停車超速保護方面做了雙重的保障。ITCC系統在壓縮機開機過程中，如果轉速在規定的時間內超過了臨界轉速的上限，則控制器就會發出緊急停車信號從而對硝酸機組進行緊急停車,同時，系統還安裝了獨立的WOODWARD203超速停車控制器，進一步提高了整個系統的安全性。

3.3 聯鎖邏輯設計

四合一機組是硝酸生產的核心設備，控制點復雜，如何開車、停車以及穩定的運行對于生產系統是相當關鍵的。T6300系統是一種故障安全型控制系統，當故障發生時，能夠實現安全的停車，聯鎖輸出具有切換至預先設置的狀態或聯鎖狀態功能。系統設計了超速聯鎖、臨界轉速聯鎖保護、喘振保護，通過內部程序來實現機組的聯鎖停車邏輯和開機啟動順序的控制。極大提高了系統的可靠性和可用性。

4 結論

硝酸四合一機組控制裝置自運行以來，系統運行穩定、安全、可靠，產量得到了明顯的提高，經濟效益十分顯著。ITCC操作站上裝有多種分析軟件包，通過對機組各測量數據進行分析，對設備運行情況和工藝指標控制情況進行分析，及時解決設備隱患，改善工藝控制指標，使硝酸生產裝置能夠有效可靠的運行。

[1]喬海星，于軍，薛麗菊.硝酸生產中的四合一機組[J].化工設備與管道，2000(5)：32-34.

[2]周聰勇，馬德潔.硝酸四合一機組的設計與應用[J].風機技術，2000(4)：21-23.

[3]邱晉剛.ITCC系統的應用與維護總結[J].中氮肥，2009(1)：47-50.