Tricon系統(tǒng)在催化重整汽輪機(jī)組上的應(yīng)用

張明星 許海梅 李 民

(中國(guó)石油克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834003)

為提高二次原油的加工能力，某石化公司建成投產(chǎn)了催化重整裝置，汽輪機(jī)組K-201是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備，因?yàn)闆](méi)有備機(jī)，因而它的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行是整個(gè)裝置長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。K-201機(jī)組的主機(jī)部分為BCL457-4型離心式壓縮機(jī)[1]，由一段七級(jí)組成，氣體為一段壓縮；K-201的原動(dòng)機(jī)部分為NG25/20/0型多級(jí)背壓式汽輪機(jī)。離心機(jī)與汽輪機(jī)之間用膜片聯(lián)軸器連接并共同安裝在公共底座上，同時(shí)由一套公共油站進(jìn)行潤(rùn)滑并提供控制油。

為了最大程度地保證機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行，采用了較先進(jìn)的Tricon綜合控制系統(tǒng)，與催化重整機(jī)組液壓油系統(tǒng)組成了完整的電子-液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將機(jī)組的調(diào)速控制[2]、故障診斷功能及機(jī)組緊急停車(chē)聯(lián)鎖保護(hù)功能等結(jié)合在一起，較好地完成了各種控制功能和聯(lián)鎖保護(hù)功能[3]。

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成①

某石化公司催化重整K-201汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速傳感器、Tricon系統(tǒng)、電液轉(zhuǎn)換器、油動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)汽閥及速關(guān)閥等組成，其中Tricon系統(tǒng)是核心部分，正常條件下Tricon系統(tǒng)在汽輪機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用，它將轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)汽閥閥位聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)閥位，并與其他調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合調(diào)節(jié)液壓油的變化，因此它在機(jī)組的運(yùn)行和異常狀態(tài)時(shí)起到隨時(shí)調(diào)節(jié)、監(jiān)控和保護(hù)的作用。

2 Tricon系統(tǒng)配置

2.1 三重冗余系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

Tricon是基于三重模件冗余結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)控制器，它將3路隔離且并行的控制系統(tǒng)(每一路稱(chēng)為一個(gè)分電路)和廣泛的故障診斷集成在一個(gè)系統(tǒng)中，用三取二表決(圖1)提供完善、無(wú)差錯(cuò)且不間斷的過(guò)程操作，不會(huì)因?yàn)閱吸c(diǎn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

圖1 三重冗余容錯(cuò)控制系統(tǒng)表決方式

傳感器信號(hào)在輸入模件中被分為隔離的3 路，通過(guò)3個(gè)獨(dú)立的通道分別被送到3個(gè)處理器中，主處理器之間的總線按多數(shù)原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，并糾正任何輸入數(shù)據(jù)的偏差，此過(guò)程保證每個(gè)處理器使用相同的表決數(shù)據(jù)完成應(yīng)用程序。

主處理器的輸出沿著3個(gè)通道被送到輸出模件，并在輸出模件中再次進(jìn)行表決或選擇。數(shù)字輸出的表決通過(guò)硬件“方形表決器”電路完成，而模擬信號(hào)則在模擬輸出選擇器中進(jìn)行選擇。表決電路中包含有總的反饋電路用于對(duì)輸出狀態(tài)做最后的校驗(yàn)并診斷潛在的故障。

Tricon系統(tǒng)對(duì)每個(gè)獨(dú)立的分電路、每個(gè)模件組件和每個(gè)功能電路都進(jìn)行廣泛的診斷，對(duì)操作錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)告。所有診斷信息的儲(chǔ)存在系統(tǒng)變量里或由LED和報(bào)警觸點(diǎn)指示。這些信息可以供應(yīng)用程序使用，以調(diào)整控制作用或直接進(jìn)行維護(hù)。所用故障元件(除通信卡外)都可進(jìn)行在線更換。

2.2 硬件配置

一個(gè)Tricon系統(tǒng)可最多包含15個(gè)機(jī)架，主機(jī)架(1號(hào))容納主處理器模件和最多6個(gè)I/O組；擴(kuò)展機(jī)架(2～15號(hào))每個(gè)可以支持最多8個(gè)I/O組，即一個(gè)Tricon系統(tǒng)可最多支持118個(gè)I/O組。某石化公司的催化重整裝置由一個(gè)主機(jī)架和一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架組成，設(shè)有兩套操作站(ESD工程師站和ESD操作站)，采用工程師站進(jìn)行編程和故障診斷，利用通信卡與DCS進(jìn)行通信。

主機(jī)架的第一個(gè)槽位為雙冗余電源卡，電源卡為上下分布，上邊的電源兼系統(tǒng)故障報(bào)警顯示；第二、三、四個(gè)槽位為3塊互為冗余的主處理器CPU卡；第五個(gè)槽位為通信卡；隨后的12個(gè)槽位，每?jī)蓚€(gè)為一個(gè)I/O邏輯槽位，即每相鄰兩個(gè)卡互為熱備。根據(jù)需要，任何類(lèi)型的模擬卡可隨意安放。

2.3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)編程運(yùn)行軟件TriStation 1131利用功能塊FBD語(yǔ)言編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)模擬量處理運(yùn)算及控制邏輯等功能。上位監(jiān)控系統(tǒng)軟件Intouch主要用于監(jiān)控畫(huà)面的組態(tài)，繪制有工藝流程圖畫(huà)面、控制回路的調(diào)節(jié)畫(huà)面、PID參數(shù)整定畫(huà)面、聯(lián)鎖投入/切除操作畫(huà)面并建立了趨勢(shì)組畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面。系統(tǒng)編程軟件Tristation1131用于ESD和機(jī)組綜合控制系統(tǒng)軟件的編程與組態(tài)。Intouch監(jiān)控組態(tài)軟件與編程軟件Tristation1131通過(guò)DDE Server程序連接，共同完成對(duì)機(jī)組的油路及氣路等的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，使操作人員能及時(shí)準(zhǔn)確地了解機(jī)組的控制環(huán)境，并依據(jù)工藝參數(shù)對(duì)各閥門(mén)進(jìn)行操作。

3 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制的典型應(yīng)用

3.1 啟機(jī)邏輯與啟機(jī)控制

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的啟機(jī)邏輯如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)啟機(jī)邏輯

反饋塊的目的是使輸出保持在“1”的信號(hào)狀態(tài)，按鈕斷開(kāi)時(shí)為“0”，通過(guò)反饋塊得到一個(gè)持久的“1”信號(hào)。啟機(jī)邏輯條件具體如下：

加反饋?zhàn)饔煤螅?/p>

汽輪機(jī)啟機(jī)的操作實(shí)質(zhì)就是汽輪的升速過(guò)程，它主要是通過(guò)DCS[4]控制來(lái)完成的。汽輪機(jī)升速調(diào)節(jié)過(guò)程如圖3所示。

在汽輪機(jī)所有啟動(dòng)條件滿足后，按下復(fù)位按鈕，將所有報(bào)警復(fù)位，在手動(dòng)狀態(tài)下啟動(dòng)汽輪機(jī)，并將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能畫(huà)面調(diào)出，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能畫(huà)面的啟動(dòng)模式中用鼠標(biāo)點(diǎn)中“升速”按鈕，汽輪機(jī)則以固定加速度升速。從圖3可以看到啟動(dòng)的控制過(guò)程：在DCS上發(fā)出開(kāi)車(chē)升速信號(hào)傳到Tricon系統(tǒng)后輸出4～20mA電流信號(hào)，電信號(hào)到達(dá)電液轉(zhuǎn)換器后將壓力油轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二次油壓信號(hào)，二次油壓作用于油動(dòng)機(jī)利用杠桿原理打開(kāi)調(diào)節(jié)氣閥，從而改變汽輪機(jī)進(jìn)氣量達(dá)到提升轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)汽輪機(jī)要越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速(4 143r/min)時(shí)，則在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(3 900～4 500r/min)汽輪機(jī)以更高的加速度快速通過(guò)，并且在此段轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)無(wú)法人為地使轉(zhuǎn)速保持不變。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到可控調(diào)速區(qū)，啟動(dòng)模式自動(dòng)轉(zhuǎn)變成運(yùn)行模式。此時(shí)可通過(guò)手動(dòng)輸入設(shè)定轉(zhuǎn)速或升降速按鈕在調(diào)速區(qū)內(nèi)對(duì)機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。需要注意的是，到達(dá)可控調(diào)速區(qū)后亦可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)就地儀表盤(pán)來(lái)操作。

圖3 汽輪機(jī)升速調(diào)節(jié)過(guò)程示意圖

3.2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升到8 210r/min時(shí)，啟動(dòng)模式自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行模式(8 110～11 354r/min)。汽輪機(jī)在運(yùn)行模式下，即自動(dòng)狀態(tài)下，可通過(guò)改變其轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入的設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差時(shí)，這個(gè)偏差值在系統(tǒng)中進(jìn)行比較后輸出4～20mA信號(hào)去控制調(diào)節(jié)汽閥閥位，閥位動(dòng)作使設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差為0，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)定調(diào)節(jié)的目的。系統(tǒng)在運(yùn)行模式下的最大特點(diǎn)是，時(shí)時(shí)有效地克服或減弱外界干擾對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

4 系統(tǒng)聯(lián)鎖功能的實(shí)現(xiàn)

K-201機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)設(shè)計(jì)有12個(gè)條件，只要任意一個(gè)條件滿足，都會(huì)引發(fā)聯(lián)鎖停汽輪機(jī)組，重整裝置汽輪機(jī)組上眾多的報(bào)警聯(lián)鎖都有在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，它們的聯(lián)鎖控制過(guò)程都是一樣的，下面以軸振動(dòng)為例說(shuō)明聯(lián)鎖過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

軸振動(dòng)聯(lián)鎖邏輯如圖5所示。ZI11A振動(dòng)探頭測(cè)量正常，前置放大器輸出±10V(DC)信號(hào)，信號(hào)通過(guò)安全柵進(jìn)入Tricon系統(tǒng)的模擬輸入卡，再經(jīng)過(guò)處理器由數(shù)字量輸出卡至繼電器的端子13和14；振動(dòng)探頭信號(hào)正常，繼電器13、14端子失電，觸點(diǎn)1、9閉合，電磁閥2222、2223得電打開(kāi)，速關(guān)油路導(dǎo)通，速關(guān)閥打開(kāi)，3.5MPa蒸汽進(jìn)速關(guān)閥，機(jī)組正常運(yùn)行；振動(dòng)探頭故障時(shí)，繼電器13、14端子得電，觸點(diǎn)1、9斷開(kāi)，電磁閥2222、2223失電關(guān)閉，速關(guān)油路斷開(kāi)，速關(guān)油迅速泄油，速關(guān)閥迅速關(guān)閉，3.5MPa蒸汽進(jìn)裝置中斷，機(jī)組停機(jī)。

圖5 軸振動(dòng)聯(lián)鎖邏輯

5 系統(tǒng)SOE功能的實(shí)現(xiàn)

SOE(Sequence of Event)事件順序是指在每次掃描期間，ESD主處理器檢查所指定的，被稱(chēng)為事件的離散變量的狀態(tài)改變，當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，主處理器將變量的當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間作為SOE記錄存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)，SOE記錄可以轉(zhuǎn)換為SOE.LOG文件存入操作站的硬盤(pán)。SOE記錄按變量狀態(tài)改變時(shí)間的先后順序排列，非常有利于聯(lián)鎖動(dòng)作后的分析診斷，可在很短的時(shí)間內(nèi)查出引發(fā)聯(lián)鎖的原因。

6 系統(tǒng)故障診斷功能

當(dāng)系統(tǒng)有故障時(shí)，可以通過(guò)診斷面板查看并收集故障信息。如果是瞬態(tài)故障，系統(tǒng)可以恢復(fù)正常；如果是穩(wěn)態(tài)的故障，清除后還會(huì)出現(xiàn)，系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)正常。收集的故障信息可以發(fā)給Tricon公司的工程師，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)人員分析后將結(jié)果反饋給用戶(hù)，使用戶(hù)能及時(shí)找到問(wèn)題的解決方法。

7 結(jié)束語(yǔ)

Tricon機(jī)組集成綜合控制系統(tǒng)把機(jī)組的調(diào)速控制、緊急停車(chē)聯(lián)鎖及硬件故障診斷等功能集成到一套系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了二次原油加工催化重整裝置汽輪機(jī)組的集成綜合控制。由于采用了三重冗余容錯(cuò)硬件配置，使系統(tǒng)更加安全可靠，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定可靠且操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、安全平穩(wěn)的運(yùn)行的目標(biāo)，得到了工藝設(shè)備技術(shù)人員和操作人員的一致認(rèn)可。

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