空壓機(jī)干燥塔監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

王愛民，鐘凱誠(chéng)

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津300459)

1 干燥塔的工作原理

無(wú)熱再生式干燥塔有左右兩塔，正常運(yùn)行時(shí)，一塔進(jìn)行干燥操作，另一塔進(jìn)行再生操作。干燥塔內(nèi)裝有干燥劑，靠干燥劑的吸水性將通過(guò)干燥塔的氣體中的水分吸附，達(dá)到干燥空氣的目的，這一過(guò)程稱為干燥過(guò)程。壓力下降的干燥空氣，經(jīng)膨脹后在與吸附水分飽和的吸附劑接觸時(shí)，吸附劑中的水分向再生空氣轉(zhuǎn)移，這一過(guò)程式稱為再生過(guò)程[1]。根據(jù)圖 1所示的干燥塔流程，通過(guò)再生流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)，大約 15%的出口干燥空氣被用來(lái)再生干燥劑。標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)熱再生干燥塔按美國(guó)全國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)規(guī)定的 10min循環(huán)設(shè)計(jì)：干燥 5min，再生 4min 20s，升壓 30s，降壓 10s。

表1 干燥塔10 min循環(huán)工作梯形圖Tab.1 Ladder diagram of 10-minute cycle work of drying tower

從表1可以看出干燥和再生過(guò)程中，左右兩塔的進(jìn)氣閥和再生閥的位置，左塔進(jìn)氣閥對(duì)應(yīng)圖1中③，左塔再生閥對(duì)應(yīng)⑨，右塔進(jìn)氣閥對(duì)應(yīng)④，右塔再生閥對(duì)應(yīng)⑩。當(dāng)干燥塔內(nèi)與管道同壓的 5min干燥期間，另一塔的干燥劑進(jìn)行再生，再生塔的壓力為大氣壓。

圖1 干燥塔流程圖[2]Fig.1 Flow chart of drying tower[2]

2 存在的問(wèn)題

平臺(tái)干燥塔沒有工作異常報(bào)警功能，若現(xiàn)場(chǎng)人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)影響干燥塔的處理效果，造成儀表氣露點(diǎn)過(guò)高，在低溫時(shí)儀表氣中水分凝露，影響氣動(dòng)閥門的控制靈敏度和精度，進(jìn)而影響流程的穩(wěn)定性，甚至造成關(guān)停。

平臺(tái)干燥塔曾出現(xiàn)過(guò)進(jìn)口和再生閥、電磁閥全部關(guān)閉的情況，導(dǎo)致后端儀表氣急速下降，由于現(xiàn)場(chǎng)人員反應(yīng)及時(shí)，迅速切換至備用干燥塔，避免了平臺(tái)停產(chǎn)。如果能增加干燥塔運(yùn)行狀態(tài)反饋功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控干燥塔實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是否與 PLC發(fā)出的指令一致，當(dāng)出現(xiàn)不一致時(shí)，立即輸出聲光報(bào)警，提醒人員及時(shí)進(jìn)行處理，避免生產(chǎn)流程受到影響。

3 改造過(guò)程

干燥塔新增工作異常報(bào)警功能主要檢查 2個(gè)方面：首先，監(jiān)測(cè)雙塔的進(jìn)口閥和再生閥的反饋閥位是否與控制器的輸出指令一致；其次，監(jiān)測(cè)干燥塔的實(shí)際壓力是否與程序控制的壓力一致。

由于平臺(tái)干燥塔控制器為廠家封裝產(chǎn)品，無(wú)法對(duì)原程序進(jìn)行編輯擴(kuò)展，增加相應(yīng)報(bào)警功能。通過(guò)新增西門子S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)干燥塔異常時(shí)輸出相應(yīng)故障報(bào)警，并探索使用該西門子控制器代替原控制器，實(shí)現(xiàn)干燥塔的干燥和再生控制。

3.1 改造思路與措施

新增干燥塔的閥門狀態(tài)異常報(bào)警原理如圖 2所示。從干燥塔原控制器中將雙塔的進(jìn)口閥和再生閥的4路控制信號(hào)引入到新增西門子 S7-200 PLC中，將閥位的反饋信號(hào)同樣引入新增PLC中，經(jīng)過(guò)對(duì)比，如果出現(xiàn)異常即輸出報(bào)警。

圖2 改造原理圖Fig.2 Schematic of transformation

新增干燥塔工作壓力異常報(bào)警，在干燥塔上新增壓力開關(guān)，監(jiān)測(cè)干燥塔在干燥過(guò)程中是否能正常升壓，在再生過(guò)程中是否能充分泄壓，向新增PLC中實(shí)時(shí)反饋干燥塔內(nèi)的壓力狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)不符時(shí)輸出報(bào)警，提醒人員進(jìn)行倒機(jī)檢修。

3.1.1 編寫程序

利用西門子STEP 7編寫程序，包括監(jiān)控干燥塔的進(jìn)氣、再生閥門開關(guān)狀態(tài)和干燥塔氣壓狀態(tài)，如有異常發(fā)出聲光報(bào)警，提醒相關(guān)人員進(jìn)行處理。

利用STEP 7編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)干燥塔的進(jìn)氣、再生閥的指令信號(hào)和反饋信號(hào)的監(jiān)控，如有異常立即輸出鎖定報(bào)警。如圖3所示，當(dāng)B塔的進(jìn)氣閥的控制信號(hào)和反饋信號(hào)出現(xiàn)不一致時(shí)輸出鎖定報(bào)警，并發(fā)出聲光提示。分別對(duì)雙塔的進(jìn)氣和再生閥進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)閥的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 監(jiān)控B塔進(jìn)氣閥異常的程序截圖Fig.3 Program screenshot for monitoring abnormity of tower B inlet valve

利用STEP 7編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)干燥塔的再生和干燥過(guò)程的壓力監(jiān)控，如有異常立即輸出鎖定報(bào)警。此段程序針對(duì)的是干燥塔閥門由于某種原因引起驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和閥門脫開，無(wú)法正常進(jìn)氣或排氣，但是閥位反饋正常的情況。如圖4所示，當(dāng)塔A處于干燥過(guò)程，若壓力開關(guān)未反饋出干燥塔內(nèi)有壓力，輸出鎖定報(bào)警；同樣，當(dāng)塔 A 處于再生過(guò)程，若壓力開關(guān)未反饋出壓力降低至大氣壓，輸出鎖定報(bào)警。

圖4 監(jiān)控A塔運(yùn)行工作壓力異常的程序截圖Fig.4 Program screenshot for monitoring abnormity of tower A operating pressure

3.1.2 程序測(cè)試

為確保和驗(yàn)證新增 PLC編程的正確性，充分利用現(xiàn)場(chǎng)搭建的 PLC仿真試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。使用繼電器代表干燥塔的進(jìn)氣和再生閥門，繼電器的觸點(diǎn)代表閥門的狀態(tài)反饋，按照程序I/O點(diǎn)表進(jìn)行接線。

進(jìn)行干燥塔閥門故障報(bào)警測(cè)試：在閥門應(yīng)該處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，將閥門的反饋置于打開狀態(tài)，程序能夠輸出閥門故障報(bào)警，同時(shí)測(cè)試其他狀態(tài)閥門狀態(tài)與指令不一致時(shí)，能否輸出相應(yīng)的閥門故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)雙塔的進(jìn)氣閥和再生閥的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體見表2。

表2 程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)各閥門開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控Tab.2 Program achieving to monitor switch state of each valve

進(jìn)行干燥塔氣壓異常報(bào)警測(cè)試：用2個(gè)手動(dòng)開關(guān)代替監(jiān)測(cè)干燥塔壓力的壓力開關(guān)，當(dāng)塔內(nèi)壓力與工作運(yùn)行壓力不一致時(shí)，能夠輸出壓力故障報(bào)警(圖5)。

圖5 利用搭建的PLC仿真臺(tái)測(cè)試程序Fig.5 Testing program using PLC simulation platform

通過(guò)以上測(cè)試可知，編寫 PLC程序能夠滿足干燥塔閥門故障和塔內(nèi)壓力異常時(shí)，輸出故障報(bào)警。

3.1.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝

為了保證與原有控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，在原控制盤內(nèi)新增4個(gè)繼電器，將干燥塔雙塔的進(jìn)氣閥和再生閥4路信號(hào)分別引入新增PLC中，進(jìn)行程序控制。按照程序輸入輸出點(diǎn)位進(jìn)行安裝和接線，制作支架，對(duì)PLC、報(bào)警聲光等安裝和固定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，壓力開關(guān)設(shè)定在 0.5MPa，程序監(jiān)控效果較好，能及時(shí)有效地輸出報(bào)警。

3.2 程序探索

通過(guò)對(duì)干燥塔工作原理的分析，能夠判斷改造新增的西門子 PLC也可以實(shí)現(xiàn)干燥塔的干燥和再生循環(huán)工作過(guò)程。編寫相關(guān)控制程序，在 PLC仿真試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)控制干燥塔運(yùn)行。通過(guò)該西門子PLC控制干燥塔的干燥和再生循環(huán)工作，可以實(shí)現(xiàn)干燥塔控制器與平臺(tái)其他設(shè)備控制器的統(tǒng)一，有利于優(yōu)化庫(kù)存。目前西門子 PLC作為干燥塔專用控制器的備用控制器，一旦專用控制器出現(xiàn)問(wèn)題，可立即使用該 PLC代替原控制器控制干燥塔的運(yùn)行，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)間。

4 效果評(píng)價(jià)

通過(guò)分析干燥塔的工作原理，創(chuàng)新性地提出新增工作異常報(bào)警反饋功能。在改造投用 6個(gè)月后，出現(xiàn)塔內(nèi)工作壓力異常報(bào)警，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查是左塔的再生閥閥桿發(fā)生斷裂，在再生過(guò)程中無(wú)法泄放濕氣。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，此次干燥塔改造在干燥塔工作異常時(shí)能及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，在保證干燥塔運(yùn)行正常的同時(shí)，切實(shí)降低了巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。