PSA 單元順控時序錯誤分析與優化

賴紅軍 王志芳

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化公司信息網絡公司）

某天然氣制氫裝置變壓吸附（PSA）單元采用變壓吸附法從混合原料氣（中變氣+苯乙烯尾氣）中提純氫氣。 PSA 氣體分離技術依靠壓力變化實現吸附與再生，因而再生速度快且能耗低，屬于節能型氣體分離技術。 該工藝過程簡單且操作穩定，可對含多種雜質的混合氣中的雜質實現一次脫除，得到高純度產品。

PSA 裝置部分由10 臺吸附塔和4 臺緩沖罐組成。 裝置的10 個吸附塔中，有2 個吸附塔始終處于同時進料吸附的狀態。 其吸附和再生工藝過程由吸附、連續4 次均壓降壓、順放、逆放、沖洗、連續4 次均壓升壓及產品最終升壓等步驟組成。正常運行模式采用10-2-4 工藝流程 （10 表示10個塔運行，2 表示2 個塔吸附，4 表示4 次均壓降壓）。 此外，基于PSA 單元程序運行的穩定性，可以另外設定自動切除塔和自動恢復塔程控步驟，即當某個吸附器因閥門開關故障報警或壓力偏差報警時， 則此臺吸附器自動停止吸附并隔離，PSA 單元允許依據故障情況從10 塔最多切換到5 塔［1］，即10 塔→9 塔→8 塔→7 塔→6 塔→5 塔。

1 系統結構和順控功能塊

制氫裝置采用CENTUM VP 系統，其順控功能采用LC64 圖、ST16 順控表和_SFCSW 功能塊的SEBOL 語言編程實現。 順序控制表SequenceTable 和邏輯流程圖LogicChart 組合， 可以組態完成非常復雜的邏輯判斷和控制功能。 _SFCSW功能塊采用IEC 標準， 所用的編程語言SEBOL是開放式語言，組態直觀且程序簡單易懂，可用流程圖描述， 程序利用系統空閑時間（CPU Idle Time）分段解釋執行，程序邊解釋邊執行，CPU 時間占用很少。

由于PSA 單元的控制回路有56 條， 邏輯控制塊600 余個，順控程序復雜且較多采用交叉引用，邏輯嚴密且安全性要求很高，單一采用一種方法實現順控難度較大，因此采用3 類邏輯組態工具組合實現該邏輯控制功能。

PSA 單元主要順控模塊包括： 主程序循環塊、吸附塔切塔程序塊和程控閥輸出程序塊。

主程序循環塊實現PSA 單元的運行和停止選擇， 控制整個吸附與再生過程按照設定時間、工藝步序和順序實現。

吸附塔切塔程序塊控制切塔與恢復操作，保證當某一吸附塔故障造成壓力異常時，可切除故障吸附塔脫出工作線， 保證其余吸附塔繼續運行。

程控閥輸出程序塊控制程控閥開關動作，按一定時序將24V（DC）開關控制信號送至電磁換向閥，實現程控閥門開關動作、閥位傳感器的狀態顯示和監控［2］。

2 順控程序異常與問題分析

該順控程序投用近10 年來能夠按照預定的程序執行，運行穩定可靠，滿足工藝的各項要求。

自2019 年下半年以來， 連續出現幾次恢復塔過程中解吸氣混合罐竄壓，塔壓瞬間下降的情況［3］。

2.1 恢復塔過程壓力波動

PSA 單元按計劃執行B 塔恢復操作，此時B塔塔壓0.19MPa，17:10:33 按下DCS 系統恢復塔按鈕，17:12:56 程序根據B 塔壓力選擇逆放步序并入，此時E 塔應當從二均升進入一均升，但實際此時E 塔未進入一均升， 而是打開5#和7#兩個閥，2s 后兩閥關閉， 程序才開始執行一均升步序。 在此過程中E 塔向解吸氣混合罐V-203 竄壓，E 塔塔壓由1.173MPa 降至0.63MPa。

2.2 并塔過程壓力波動

PSA 單元H 塔的4#閥完成檢修后，在恢復操作過程中，按下DCS 系統恢復塔按鈕（PSA 恢復塔操作屬于自動過程，程序會根據塔壓選擇合適步序并入）6min 后， 程序自動選擇在逆放步序并入H 塔，H 塔并入瞬間F 塔壓力異常下降 （圖1）， 解吸氣混合罐壓力在6s 內由0.043MPa 上升至0.084MPa（圖2）。 解吸氣混合罐壓力升高導致解吸氣火嘴前壓力上升至聯鎖值0.020MPa，解吸氣切斷閥聯鎖關閉，導致轉化爐爐膛負壓在4s 內由-200Pa 降至-400Pa，觸發轉化爐爐膛負壓低低聯鎖，造成轉化爐聯鎖停爐。

圖1 并塔瞬間出現的竄壓情況

圖2 解吸氣混合罐壓力變化趨勢

3 原因分析與整改方案

3.1 原因分析

上述兩次操作造成的生產波動現象大致相同。 排除程控閥、調節閥、安全閥和誤操作的可能性后，進一步分析閥門趨勢，發現兩次故障均出現在執行均升階段的吸附塔塔數恢復瞬間，造成沖洗閥打開。

對PSA 系統控制程序進行多次仿真測試，觀察閥門狀態， 發現DCS 在掃描執行主循環程序（圖3）、閥門輸出的_SFCSW 塊（圖4）和切塔恢復程序（圖5）時，出現了一個掃描周期內（1s）未執行完畢的情況。 分析其具體原因為：PSA 主循環程序（DR0014）、閥門輸出（DR0016）和切塔恢復 程 序 （DR0017） 分 別 在 不 同Drawing 圖 的_SFCSW 塊里實現， 而_SFCSW 功能塊是在空閑時間內同時開始執行的。

圖3 PSA 主循環程序

圖4 閥門輸出邏輯塊

圖5 切塔恢復程序

DCS 在掃描執行主循環程序_SFCSW 塊和閥門輸出_SFCSW 塊時，由于程序塊內語句眾多（主程序塊467 行語句， 閥門輸出程序塊423 行語句），系統在空閑時間內邊解釋邊執行，不能保證在一個掃描周期內全部完成，造成程序中斷點不一致，讀取中間寄存器的數值不在同一個掃描周期，進而導致程序的時序和步序錯誤，程控閥接收錯誤的指令打開。 仿真情況如圖6 所示。

圖6 仿真測試并塔瞬間竄壓情況

3.2 整改方案

針對該故障出現的隱蔽性和偶發性， 結合DCS 中_SFCSW 塊的固有執行特點，提出兩個解決方案［4］：

a. 在閥門輸出程序_SFCSW 塊中增加判斷條件，執行恢復塔程序時，禁止已經執行均升階段的塔打開沖洗出入口閥門。 該方案可以解決均升階段的塔在塔數恢復瞬間沖洗閥打開2s 的偶發性問題。

b. 調整_SFCSW 功能塊結構，將無法在一個掃描周期內執行完成的_SFCSW 塊拆分成小邏輯塊，人為增加程序執行時間差，在切塔和恢復2s 后（各塔序號和分步序計算完成后）再掃描執行閥門輸出塊，徹底解決存在的掃描時序問題。

上述方案都需要在裝置檢修窗口期實施程序修改，暫不具備整改條件。 為此，制定切并塔操作優化預案： 程控閥開關故障盡快排查解決，盡量只切一個塔，待恢復塔（塔壓0.40～0.65MPa）從9 塔恢復到10 塔順放階段，可避免塔恢復過程出現沖洗閥打開的情況；如果在8 塔恢復至9 塔過程再次出現沖洗閥打開的情況，控制解吸氣混合罐去轉化爐的壓力控制閥開度，使解吸氣瞬間高壓通過解吸氣放空調節閥放空，降低去轉化爐的瞬間高壓。

4 結束語

CENTUM VP 系統_SFCSW 功能塊在PSA順控邏輯的實際應用結果表明，_SFCSW 塊結合ST16、LC64 等功能塊， 具備整體解決方案的能力，雖然在程序執行過程中出現時序錯誤，但經過對_SFCSW 塊程序執行機制的分析研究，通過合理設計跳步和暫停，避免了該類錯誤。 同時指出了可以在裝置檢修窗口期實施程序修改的具體方案。