提升空分裝置壓縮機組控制系統穩定性的總結

毛大軍

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021506）

0 引 言

空分裝置屬于公用系統，為企業的主生產系統提供氧氣、氮氣、工廠空氣、儀表空氣等，一旦出現故障，將導致生產系統被迫停運，給企業的生產經營帶來巨大損失。呼倫貝爾金新化工有限公司（簡稱金新化工）空分裝置配有空壓機和氮壓機，2臺均為離心式壓縮機，共同使用1套Tricon控制系統實現綜合控制。

金新化工空分裝置運行初期，壓縮機組Tricon控制系統曾出現過卡件故障、汽輪機轉速波動大、油系統聯鎖邏輯設計不合理、電子超速保護系統模塊故障等問題，這些問題給空分裝置的安全、穩定運行帶來巨大的影響，給主生產系統的長周期運行埋下了潛在隱患。

1 Tricon控制系統的技術特點

Tricon控制系統具有三重冗余結構（TMR）和冗錯能力，是從主處理器到輸入、輸出卡件完全三重化的容錯控制系統，并且可以實現1套系統控制多臺壓縮機。Tricon控制系統的配套設施有3500狀態監測系統、電子超速保護系統等，主要實現機組轉速控制、喘振控制、聯鎖保護、SOE（即事件順序記錄）等功能。Tricon控制系統的掃描速度非常快，系統執行時間一般約在40ms，但控制系統的執行時間受硬件I／O點數和軟件邏輯的復雜程度影響較大。雖然Tricon控制系統支持多機組控制，但為了縮短掃描時間，加快系統響應速度，提高控制質量，并確保系統的可靠性，金新化工的1套Tricon控制系統最多只控制2臺離心式壓縮機組。

3500狀態監測系統主要完成壓縮機組軸系運行狀態的實時監測，主要的監測參數有徑向振動、軸向位移、鍵相轉速等，這些參數通過報警、聯鎖邏輯對機組進行保護（振動／位移雙點聯鎖輸出→Tricon控制系統聯鎖條件觸發后輸出→聯鎖停機）。3500狀態監測系統將機組狀態報警、聯鎖輸出至Tricon控制系統，最終由Tricon控制系統發出命令完成機組的保護；同時，3500狀態監測系統的數據通信至Tricon控制系統，便于工藝人員監控。

電子超速保護系統是1套相對獨立的系統，通過超速保護邏輯直接控制現場的停機電磁閥，是對機組采取的又一保護措施。空分裝置原始配置的電子超速保護系統是Woodward公司生產的ProTech203，ProTech203監控3個獨立的轉速傳感器，采用三選二的停機方式，每個單元的電源均是獨立的，且與其他2個單元除選項繼電器輸出相連外，其他均是完全隔離的，確保不會因為3個單元中的任何一個模塊發生故障而停機，ProTech203的輸出與主控緊停、現場停機電磁閥相關聯，主要用于高轉速下Tricon控制系統失效時的機組強制停運。

空壓機、氮壓機的1＃停機電磁閥信號經Tricon控制系統DO通道繼電器輸出后，經過電子超速保護系統繼電器（及主控緊急停車按鈕與機柜中間接線端子）控制現場1＃停機電磁閥；2＃停機電磁閥信號經Tricon控制系統DO通道繼電器輸出后，（經機柜中間接線端子）直接控制現場2＃停機電磁閥。

2 壓縮機組控制系統的潛在風險

2.1 控制系統運行環境不佳

電子設備的制造精度越來越高，對控制系統運行環境的要求也越來越嚴格。機柜室內溫度變化過大將會影響卡件的正常使用壽命，室內衛生較差、灰塵堆積可能造成電路板短路；運行環境濕度過小將會在設備上堆積靜電電荷，濕度過大則可能導致卡件受潮而出現故障。

據《控制室設計規范》（HGT20508—2014）第3.6.1條，機柜室室溫宜為冬季（20±2）℃、夏季（26±2）℃、溫度變化率＜5℃／h，相對濕度宜為40%～60%、濕度變化率＜6%／h；《電子信息系統機房設計規范》（GB50174—2008）第5.1.1條對于機房溫度、相對濕度的要求見表1。

表1 電子信息系統機房技術要求（環境要求）分類

表1中A級機房指電子信息系統運行中斷將造成重大經濟損失的機房；B級機房指電子信息系統運行中斷將造成較大經濟損失的機房；不屬于A級或B級的電子信息系統機房為C級。金新化工控制系統機房屬于B級以上，機柜室運行環境溫度應在（23±1）℃、相對濕度應在40%～55%，而金新化工地處北國邊疆，晝夜溫差達20℃，冬夏兩季溫差高達70℃，環境相對濕度較低，尤其是漫長的冬季。金新化工壓縮機組控制系統2010年上電運行，長期的環境影響使得其電子元器件也出現了老化，機柜間各連接端子受振動的影響易松動，造成線路虛接。

2.2 調速系統設計不充分

汽輪機上共有6支磁感應轉速探頭，3支進ProTech203電子超速保護系統，專門用于壓縮機組的超速保護；另外3支探頭直接或間接進入Tricon控制系統參與轉速控制，探頭分布如圖1所示。可以看到，參與轉速調節的3個信號中，SE01662和SE01663的信號直接進入Tricon控制系統的脈沖輸入卡件，SE01661則先經就地轉速表轉換成4～20mA模擬量信號后再送至Tricon控制系統，與SE01662、SE01663一起選取中值參與汽輪機的轉速控制，而SE01661信號經就地轉速表轉換輸出后進入Tricon控制系統模擬量輸入卡，有約30r／min的偏差，不利于汽輪機的轉速控制。

圖1 汽輪機轉速探頭分布示意圖

2.3 重要設備未定期更換、升級

金新化工壓縮機組控制系統運行時間較長，關鍵設備、重要卡件未進行升級或更換。如ProTech203電子超速保護系統和Tricon控制系統模擬量輸入卡3700A目前已停產，無法購買與之相同型號的備件。

2.4 重要卡件未冗余

Tricon控制系統上所有的I／O卡件均未冗余，一旦出現關鍵數據對應的通道故障或者卡件失效，就會觸發聯鎖動作，如2013年11月16日發生過因合成氣壓縮機組Tricon控制系統上的1塊DO卡件失效導致合成氨裝置停車的事故。對至今金新化工壓縮機組控制系統卡件的故障率進行統計（見表2），DO卡的故障率最高。

表2 Tricon控制系統卡件故障率統計

2.5 卡件上的儀表測點布局不合理

原始設計對控制系統的穩定性考慮不足，Tricon控制系統中三選二的模擬量輸入點設計在了同一塊卡件上。其中，3500狀態監測系統中，空壓機、氮壓機的振動、位移均為雙點聯鎖，但每一對測點均在同一塊3500狀態監測卡件上組態，一旦卡件出現故障，將可能觸發系統聯鎖停機，給系統運行帶來風險。

2.6 聯鎖設計不完善

開車程序中，機組運行到某一狀態個別閥門才會解除閉鎖，在每次系統停運檢修后重啟時需手動復位，否則程序無法執行下一步操作。壓縮機的輔助設備含多臺機泵，如盤車電機、頂升油泵、油霧風機、冷凝液泵、潤滑油泵、事故油泵等，潤滑油泵的穩定運行對油壓控制有直接影響，原始設計靠潤滑油壓低聯鎖信號自動啟動輔油泵，一旦主油泵停運，油壓會瞬間降低，若輔油泵啟動不及時，會導致壓縮機聯鎖停機。

3 優化方案及解決措施

3.1 改善控制室內的環境

日常注意檢查控制室內環境溫度、濕度，保證設備處于最佳工作狀態；定期打掃室內衛生；人員離開時及時鎖好門窗，避免無關人員進入。

注重日常巡檢、維護管理，發現問題立即處理，及時將隱患消除在萌芽狀態，使系統長期處于正常工作狀態；每年停機檢修時，及時開展機柜內部的除塵、清灰工作，對機柜間連接的每一處地方進行檢查、確認，并對接地系統的阻值進行測量，保證接地系統可靠。

3.2 重新設計轉速輸入方式

就地轉速表主要用于現場開車或壓縮機組正常運行后的巡檢查看，工藝人員在開車過程中均為遠程操作，Tricon控制系統及超速保護系統上均有轉速顯示，因此就地轉速表的重要性相對不高，為使汽輪機的轉速調節更加穩定，將現場SE01與SE02、SE03探頭的信號一并引入Tricon控制系統的脈沖輸入卡，經邏輯運算后直接參與汽輪機的轉速控制，現場轉速顯示則通過Tricon控制系統的模擬量輸出卡來實現，只需要安裝1塊價格相對便宜的模擬量輸入的數顯表即可。以氮壓機為例，轉速控制優化前，SIC01661、SIC01662、SIC01663分別為6728r／min、6754r／min、6754 r／min；轉速控制優化后，SIC01661、SIC01662、SIC01663均穩定在6591r／min。

3.3 更換、升級重要設備

將原系統上9塊3700A模擬量輸入卡全部更換為升級版的3721卡，并將ProTech203電子超速保護系統升級為ProTechGⅡ電子超速保護系統，更換下來的3700A卡件、ProTech203電子超速保護系統作為合成氨、尿素等裝置壓縮機組控制系統的備件。升級后的每個ProTechGⅡ系統模塊同時支持24VDC和220VAC供電，系統組態中設置電源故障報警，一旦某路電源出現故障，將及時提醒維護人員檢查處理。

3.4 冗余關鍵卡件

空分裝置壓縮機組控制系統除8312電源卡、3008CPU卡、4351B通信卡是冗余配置外，其余均為單卡運行；Tricon控制系統機架上的每個I／O插槽分左、右槽，主要用于卡件故障時在線更換。若在線冗余，系統會不停地掃描卡件的激活狀態，降低卡件的使用壽命。結合近幾年系統的實際運行狀況并考慮卡件的重要性，將3511脈沖輸入卡、3805E模擬量輸出卡及模擬量輸入卡中涉及關鍵儀表點的卡件進行了冗余。

針對故障頻發的3625DO卡，梳理統計出空壓機和氮壓機共有14個關鍵重要的DO點，對關鍵重要的DO點進行了冗余組態，這些點分別設計在了第二機架第五槽（C2S5）和第三機架第六槽（C3S6）的3625DO卡件上；同時，為了布局美觀、便于查找問題，重新對C2S5和C3S6槽上的DO點進行了布局調整，與C2S5和C3S6槽的第1～14個通道全部一一對應。另外，對C3S6槽3625DO卡件進行了硬件冗余，C3S6槽與C2S5槽3625DO卡件的14個關鍵重要通道進行了再次冗余，相當于每個關鍵重要的DO通道都有9重冗余，極大地降低了因卡件故障造成的跳車風險，確保無論哪塊卡件出現故障，這14個DO點都能正常工作。同時，據優化后的DO通道布局，完成機柜內部線的更改及冗余通道的連接，將原通道與冗余通道經繼電器輸出至端子排的地方短接，實現控制點的冗余。

3.5 合理布局每一塊卡件上的儀表測點

現場同一位置設計3個儀表檢測點，意味著該參數的重要程度很高，或對設備、工藝管線的保護要求高，或一旦出現故障危險程度高。為提高空分裝置壓縮機組狀態監測系統的穩定性和安全性，將Tricon控制系統中三選二的模擬量輸入點重新設計在不同的卡件上，即對3500狀態監測系統進行優化改進，把每一對振動、位移點放在不同的卡件上，并按照優化后的設計重新組態、完善聯鎖邏輯，修改3500狀態監測系統至Tricon控制系統的通信組態，更改3500狀態監測系統的外部接線，確保任意一塊監測卡件出現故障都不會導致機組停機。

3.6 優化壓縮機主、輔油泵聯鎖邏輯

對空壓機、氮壓機啟機程序的邏輯功能進行優化，使控制閥的閉鎖條件自動解除，避免因疏忽、維護不及時等影響啟機過程，同時也減少了啟機環節無意義的操作步驟。

金新化工每年都會有數次外部故障引起的晃電，一旦因晃電或油泵故障導致主油泵停運，壓縮機很有可能因油壓低而聯鎖停機。SOE事件順序記錄功能，在時間刻度上可以精確到毫秒級，對快速分析和查找設備故障原因起著至關重要的作用，充分利用SOE記錄事件的準確性可以得出主油泵突然停運后輔油泵啟動至油壓恢復正常的時間。為此，對空壓機潤滑油泵進行切換試驗，結合SOE記錄數據，得知油泵停運至潤滑油壓低報警的時間為4.5s，當主油泵停運后，2.7s控制油壓低聯鎖動作，即輔油泵還未啟動系統已經聯鎖停機。從機泵運行風險及緊迫性方面分析，將輔油泵自啟動的油壓聯鎖值適當提高，可降低油壓低聯鎖停機的風險，但不能確保百分之百的可靠，于是，金新化工采取了對壓縮機主、輔油泵的啟動聯鎖進行優化——增加空壓機和氮壓機主油泵無運行信號時自啟動輔油泵的聯鎖邏輯（見圖2），如此一來，當主油泵停運時，輔油泵只需0.2s即可自啟動。由聯鎖邏輯優化完善后SOE記錄可知，增加主油泵運行信號聯鎖邏輯后，輔油泵自啟動比油壓低聯鎖自啟動快4.3s，而且同樣是單臺油泵運行，整個油路系統不會超壓，油路系統的壓力更加穩定、可靠，對抗晃電等外部因素影響有非常好的效果。

圖2 優化后的氮壓機潤滑油泵聯鎖邏輯圖

4 結束語

金新化工針對空分裝置運行初期壓縮機組Tricon控制系統存在的問題，實施了汽輪機轉速控制優化、更換和升級重要設備、關鍵卡件冗余、合理布局卡件上的儀表測點、重新布局和組態3500狀態監測系統、優化壓縮機主油泵和輔油泵聯鎖邏輯等優化改進，并制訂了改善控制室內環境的制度和措施，從而有效降低了硬件、關鍵重要卡件故障導致的壓縮機組跳車風險，極大地提升了壓縮機組控制系統的穩定性和安全性，為空分裝置的長周期、穩定運行提供了保障。