硝酸裝置四合一機組防喘振控制在SIS中的實現

錢芝忠 王深濤

（中國石油蘭州石化公司電儀事業部）

中國石油蘭州石化公司化肥廠稀硝酸裝置的四合一機組為硝酸生產工藝的核心設備，由德國曼公司生產，機組由蒸汽透平、空壓機、氧化氮壓縮機和尾氣透平組成。 蒸汽透平由中壓蒸汽驅動，尾氣帶動尾氣透平，使蒸汽透平和尾氣透平做功帶動空壓機和氧化氮壓縮機，為裝置運行提供動力。 四合一機組中空壓機、氧化氮壓縮機設置了防喘振保護控制。

1 喘振的產生與危害

喘振是離心式壓縮機的固有特性。 當壓縮機吸入口壓力或流量突然降低， 低于最低允許點后，壓縮機內的氣體由于流量發生變化會出現嚴重的旋轉脫離現象，形成突變失速（氣體在葉道進口的流動方向和葉片進口角出現很大偏差），這時葉輪不能有效提高氣體壓力，導致壓縮機出口壓力降低，但是系統管網壓力沒有瞬間相應地降低，氣體從系統管網向壓縮機倒流，當系統管網壓力降至最低壓縮機出口壓力時，氣體又向管網流動，如此反復，使機組與管網發生周期性的軸向低頻大振幅氣體振蕩現象，稱為喘振。

伴隨喘振而來的是壓縮機的巨大異常響聲，還可看到氣體出口壓力和流量指示大幅波動，機身也會劇烈振動， 并帶動出口管道和廠房振動。若不及時采取措施，壓縮機將遭到嚴重破壞。

2 四合一機組防喘振控制原理

2.1 控制測點

參與氧化氮壓縮機和空壓機防喘振控制的測點信號見表1。

表1 氧化氮壓縮機和空壓機防喘振控制測點信號

（續表1）

2.2 原理說明

2.2.1 氧化氮壓縮機

根據氧化氮壓縮機入口壓力p1與出口壓力p2計算壓縮比，經多段線模塊轉換為對應的防喘振設定值SXT1, 根據氧化氮壓縮機入口流量計算出入口流量百分比PV1， 將PV1與SXT1的差值作為控制偏差。 壓縮比計算式為：

壓縮比=（p2+0.083）/（p1+0.083）/3.4×100%

氧化氮壓縮機防喘振設定值轉換表見表2。

表2 氧化氮壓縮機防喘振設定值轉換表

計算氧化氮壓縮機入口流量百分比PV1：

其中，FT1為氧化氮壓縮機入口流量。

機組正常運行時PV1應大于SXT1且PV1與SXT1差值在10%以上， 當PV1與SXT1差值在2%～10%時，機組運行進入報警區，當PV1與SXT1差值不大于2%時，防喘振保護動作。

2.2.2 空壓機

根據空壓機入口流量FT2計算出入口流量百分比（入口流量百分比=（FT2/15）×100%），經多段線模塊轉換為對應的防喘振設定值SXT2， 根據空壓機出口壓力計算出出口壓力百分比PV2，將SXT2和PV2的差值作為控制偏差。

空壓機防喘振設定值轉換表見表3。

表3 空壓機防喘振設定值轉換表

計算空壓機出口壓力百分比PV2：

其中PT為空壓機出口壓力。

機組正常運行時SXT2與PV2的差值在10%以上，當SXT2與PV2差值在2%～10%時，機組運行進入報警區，當SXT2與PV2差值不大于2%時，防喘振電磁閥SV-50270失電，防喘振保護動作。

3 四合一機組防喘振控制在浙江中控TCS-900 SIS上的實現

硝酸裝置四合一機組空壓機和氧化氮壓縮機防喘振控制采用的是ABB Protronic 500控制器，該控制器主要存在以下問題：

a. 控制器不冗余，供電為單電源，可靠性差；

b. 趨勢和事件記錄不完善，防喘振保護動作或設備故障后原因分析困難；

c. 價格昂貴，備件采購周期長，發生故障無其他替代方式， 會導致四合一機組無法開車運行；

d. 操作和維護不便。

利用裝置完善SIS的機會，將四合一機組空壓機和氧化氮壓縮機防喘振控制由原控制器移入浙江中控的TCS-900 SIS。TCS-900 SIS的主要特點如下：

a. 采用全冗余的三重化（TMR）硬件容錯表決（HIFT）結構模塊，支持3-3-2-2-0（冗余）降級模式；

b. 采用五級2oo3D表決架構， 設置多級故障限制區；

c. 可應用于有安全完整性等級 （SIL3及以下）要求的關鍵過程安全控制場合，支持1ms分辨率SOE功能；

d. 支持在線熱更換，支持雙工作模式，實現卡件無擾動零時間切換；

e. 自診斷覆蓋率大于99%，覆蓋現場回路的故障診斷；

f. 趨勢和事件記錄功能齊全；

g. 采用雙路冗余電源供電， 支持卡件熱插拔。

改造方案為： 為提高防喘振控制的可靠性，對氧化氮壓縮機入口流量FT-40209、氧化氮壓縮機入口壓力PT-40209、 氧化氮壓縮機出口壓力PT-40229、空壓機入口流量FT-50209、空壓機出口壓力PT-50229各新增兩臺測量變送器， 在SIS實現三取中。改造后參與防喘振控制的測點信號見表4。

表4 改造后參與防喘振控制測點信號

根據上述改造方案設計的氧化氮壓縮機防喘振組態邏輯如圖1所示。

FT-40209mid與壓縮比經多段線模塊FXY轉換的值進行減法運算，其差值小于10%大于2%時，SIS發出報警信息，差值不大于2%，或505最低轉速信號SSL-20700A動作，都將觸發防喘振保護動作，氧化氮壓縮機防喘振電磁閥SV-40270失電， 防喘振閥全開。 空壓機防喘振組態邏輯如圖2所示。

圖1 氧化氮壓縮機防喘振組態邏輯

圖2 空壓機防喘振組態邏輯

FT-50209mid經多段線模塊FXY轉換的值與PT-50229mid進行減法運算，其差值小于10%大于2%時，SIS發出報警信息，差值不大于2%，或505最低轉速信號SSL-20700A動作，都將觸發防喘振保護動作， 空壓機防喘振電磁閥SV-50270失電，防喘振閥全開。 SIS防喘振圖如圖3所示。

圖3 四合一機組SIS防喘振圖

4 結束語

改造完成后， 經與ABB Protronic 500防喘振控制器多次比對，SIS防喘振各項數據與控制器中各項數據基本一致。TCS-900 SIS的三重化冗余設計給壓縮機安全穩定運行提供了保障，更加便于工藝操作和儀表人員維護，為機組安全、穩定、長周期、可靠運行提供了保證。