大型空分裝置控制系統(tǒng)常見問題及處理

楊 躍

(云南大為制氨有限公司 設(shè)備技術(shù)部，云南 沾益 655338)

某大型空分裝置2007年建成投用，氧氣正常產(chǎn)量為 52000 m3/h，采用林德公司的空分專利技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備主要有德國曼透平公司制造的三合一機組(由汽輪機X1171、主空壓機C1161與氮循環(huán)壓縮機C461組成)和由杭汽汽輪機X1771與沈鼓壓縮機C1761組成的氮產(chǎn)品壓縮機機組，最大產(chǎn)氧量為 54000 m3/h。

空分DCS系統(tǒng)使用橫河CENTUM VP，機組的壓縮機綜合控制系統(tǒng)(ITCC)和緊急停車系統(tǒng)(ESD)采用施耐德公司的TRICONEX TS3000，并通過廠家成套配置有獨立的機組超速保護系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)[1-2]。

空分裝置主要任務(wù)是將空氣壓縮后經(jīng)純化、深冷分離出高純度的氧氣和氮氣，以及液氮產(chǎn)品，為煤氣化及合成氨裝置提供高純度的氧氣、氮氣和液氮產(chǎn)品，同時提供全廠正常和事故及開車用儀表空氣，并且提供裝置開停車和事故系統(tǒng)置換用氮氣。空分控制系統(tǒng)如果在運行過程中出現(xiàn)問題，使機組卸載或停車，均會引起煤氣化合成氨裝置停產(chǎn)[3-4]。

1 空分調(diào)速系統(tǒng)故障

1.1 空分機組調(diào)速控制系統(tǒng)硬件故障

1)故障現(xiàn)象：空分曼透平三合一機組調(diào)速控制采用西門子S7-400 PLC系統(tǒng)，氮產(chǎn)品壓縮機組采用伍德沃德505調(diào)速控制器，由制造廠家成套配制。在使用6年后的2013年4月4日，空分氮產(chǎn)品壓縮機跳車，原因為505調(diào)速器故障無輸出。2013年11月12日，PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致空分曼透平三合一機組停車，故障燈亮，無法正常啟動。

2)原因分析：由于裝置試車和前期運行期間環(huán)境較差，機柜間竄入有腐蝕性氣體，對電子元器件有傷害，使用到一定時間后電子元器件故障頻發(fā)。

3)解決方法：①封堵機柜間所有進出線口，包括線槽電纜口；②盡量封堵機柜電纜進線口；③在機柜內(nèi)通入潔凈的儀表空氣，使機柜內(nèi)保持微正壓；④由于調(diào)速系統(tǒng)硬件故障，更換備件需要重新軟件設(shè)置和下裝，故障判斷和修復(fù)處理需要的時間較長。為了避免類似情況再次發(fā)生，在裝置停車檢修期間對空分機組調(diào)速系統(tǒng)進行了升級改造，取消原廠家成套的S7-400 PLC調(diào)速系統(tǒng)和伍德沃德505調(diào)速控制器；在原空分ITCC系統(tǒng)TS3000中增加兩塊脈沖信號輸入卡，并進行軟件組態(tài)，由空分ITCC實現(xiàn)空分曼透平三合一機組的調(diào)速和氮產(chǎn)品壓縮機組的調(diào)速。

1.2 轉(zhuǎn)速故障

1)故障現(xiàn)象：在開車過程中，當升速到 3000 r/min 時，機組自動停車。反復(fù)開車沖轉(zhuǎn)多次，均未找到原因。聯(lián)系廠方技術(shù)員進行分析，進入PLC程序中進行檢查，發(fā)現(xiàn)有一轉(zhuǎn)速信號在機組升速時出現(xiàn)波動。當與其它兩個點的轉(zhuǎn)速比較，超過100時，PLC控制器就會發(fā)出停車指令。生產(chǎn)過程中出CPU卡故障，調(diào)速系統(tǒng)不能正常工作，機組跳車。

2)原因分析：調(diào)速系統(tǒng)中三個轉(zhuǎn)速信號中的一個出現(xiàn)故障(SE1172_1)，與其他兩個轉(zhuǎn)速(SE1172_2、SE1172_3)偏差>50 r/min，觸發(fā)曼透平機組停車模式MODE 0，調(diào)速閥關(guān)到0%，隨后氮循環(huán)壓縮機VXI1431B高高聯(lián)鎖跳車。通過儀表人員對故障進行排查，發(fā)現(xiàn)進入SE1172_1隔離柵的接線出現(xiàn)松動，處理后確認故障排除。

3)解決方法：修改軟件組態(tài)，取消調(diào)速系統(tǒng)中三個轉(zhuǎn)速偏差故障聯(lián)鎖。同時對所有接線端子進行檢查緊固，避免因端子松動引起信號故障誤動作跳車。

2 空分DCS溫度傳感器和卡件故障

1)故障現(xiàn)象：2015年3月13日 8∶08，空分因DCS溫度卡件故障，導(dǎo)致TI3954低低聯(lián)鎖動作跳車。

2)原因分析：空分DCS溫度信號采集，采用橫河AAR145 16通道熱電阻輸入卡件，AAR145卡在使用幾年后，故障率高。當卡件出現(xiàn)故障后，卡上的溫度信號波動無規(guī)律可尋，有的信號顯示最大，有的信號顯示最小，有的又是偏高，有的又是偏低，整塊卡件上的信號均不正常。而空分溫度聯(lián)鎖較多，有的是溫度高高聯(lián)鎖，有的是溫度低低聯(lián)鎖。

3)解決方法：對空分DCS進行升級改造，新增加節(jié)點(機架)ANB10D 1個，放置于原FCS機柜內(nèi)。原空余9個槽位，總共空槽17個。其中，模擬量輸入AAI143增加8塊，冗余AAI143配置增加2塊，冗余配置2塊需要兩個相鄰槽位。新增安全柵柜一面，所有溫度信號經(jīng)過溫度安全柵MTL5573轉(zhuǎn)換為4-20 mA 信號，再進入模擬量輸入卡AAI143，聯(lián)鎖信號進入冗余的AAI143。并對溫度安全柵進行組態(tài)設(shè)置，信號故障時輸出為最小(聯(lián)鎖高高跳車時)或最小大(聯(lián)鎖低低跳車時)。其中，原有溫度信號至新機柜盤間電纜材料，接線方式為多芯電纜中間端子排轉(zhuǎn)接，采用針形線鼻子壓接，要求接線端子及信號線線標一一對應(yīng)標識清楚。

3 空分分子篩程控閥故障

1)故障現(xiàn)象：空分裝置在2023年1月15日23時 43 min 57 s，分子篩程控閥KV-2622打開后，又發(fā)生閥門關(guān)閉問題。由于KV-2621和KV-2627均已處于關(guān)閉位置，F(xiàn)V-1110在 23 h 44 min 03 s 全開，空壓機卸載。

2)原因分析：①空分分子篩程控閥使用時間已超過15年，三桿閥內(nèi)件銹蝕嚴重，開關(guān)閥門動作遲緩，頻繁出現(xiàn)動作超時報警(輸出與反饋信號不一致且時間超過 30 s)。當KV2622關(guān)反饋信號 71 s 后消失，而并聯(lián)運行 1 min 時間已到，程序開始下一步，關(guān)閉KV2621，但此時，KV2622又關(guān)閉，最終導(dǎo)致空分卸載。②閥門反饋只引入關(guān)反饋信號到DCS，開反饋信號為關(guān)反饋信號取反，不能正常反應(yīng)閥門是否開到位。③DCS聯(lián)鎖程序設(shè)計上存在問題，由于未能檢測到開饋信號，當分子并聯(lián)運行時間到后，檢測到KV2622關(guān)反饋信號消失，即判斷閥門已打開，順控程序走到下一步，程序關(guān)閉KV2621，此時如果KV2622不能正常打開，將引起空壓機出口超壓卸載。

3)解決方法：定期檢修空分分子篩程控閥內(nèi)件，出現(xiàn)問題及時處理；將分子篩進出口程控閥KV2621/KV2622/KV2627/KV2628的開反饋信號引入DCS系統(tǒng)，并修改相關(guān)聯(lián)鎖邏輯。只當閥門的開命令與開反饋信號一致時，順控程序才會走到下一步，完成分子篩的切換，否則，程序一直等待，不會關(guān)閉閥門導(dǎo)致空壓機卸載。

4 ITCC/ESD卡件故障

1)故障現(xiàn)象：2017年7月2日，空分裝置ITCC/ESD系統(tǒng)3625 DO卡無輸出，空壓機卸載。

2)原因分析：該DO卡之前出現(xiàn)有一個支路故障報警，當再次出現(xiàn)別的故障報警后，由于采用三選二裁決，導(dǎo)致DO輸出失電。而空分ITCC聯(lián)鎖采用故障安全模式，輸出失電引起防喘振電磁閥動作，防喘振閥彈開導(dǎo)致空壓機卸載。

3)解決方法：對空分重要的DO卡件采用雙卡冗余熱備，當一塊卡件出現(xiàn)故障報警后，自動切換到備用卡件；將硬件報警信號引出到上位機監(jiān)控畫面上進行顯示，定期檢查卡件硬件報警情況，出現(xiàn)報警及時檢查處理。

5 空分控制系統(tǒng)聯(lián)鎖誤動作問題

1)故障現(xiàn)象：2013年12月20日，空分在正常生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場儀表突然波動，達到聯(lián)鎖設(shè)定值，引起空分裝置停車。

2)原因分析：①現(xiàn)場儀表信號干擾，如在現(xiàn)場在檢查儀表接線使用對講機通話、使用電焊或啟動大功率的電氣設(shè)備；②儀表信號接線松動或接觸不良；③屏蔽線接地不良；④現(xiàn)場儀表或卡件通道出現(xiàn)故障。

3)解決方法：①聯(lián)鎖動作增加1～2 s 的延時，當達到聯(lián)鎖值保持1～2 s 后，聯(lián)鎖才會動作停車。②增加溫度測點和壓力變送器并接入控制系統(tǒng)中，采用二選二聯(lián)鎖，只有兩個信號均達到聯(lián)鎖設(shè)定值時聯(lián)鎖才動作。

6 空分電源故障

1)故障現(xiàn)象：2014年3月15日，空分裝置UPS故障，無220VAC電源輸出，機組就地控制柜和電磁閥失電，空分膨脹機、氮產(chǎn)品壓縮機停車。

2)原因分析：空分裝置在設(shè)計時，機組就地控制柜與電磁閥采用220VAC供電，與DCS和ITCC供電系統(tǒng)不同，沒有采用冗余供電，當電源一旦出現(xiàn)故障時就會停車。

3)解決方法：采用施耐德 AP7724 ATS雙電源自動切換開關(guān)對供電系統(tǒng)進行改造。AP7724雙電源切換開關(guān)先接入來自兩路不同UPS的電源，然后將AP7724的電源輸出接到現(xiàn)場機組就地控制柜和電磁閥。當一路電源出現(xiàn)故障無輸出或失電時，可瞬間自動切換到另一路電源進行供電，保證現(xiàn)場機組就地控制柜與電磁閥正常工作。

7 結(jié)語

空分控制系統(tǒng)經(jīng)過改造后，運行穩(wěn)定，沒有再次出現(xiàn)類似的故障，因此降低了空分非計劃誤動作停車的風(fēng)險和損失。