中國石油西部管道公司生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心 王冠霖

隨著大型合成氨生產(chǎn)裝置中所使用的燃?xì)廨啓C驅(qū)動工藝空氣壓縮機使用年限的增加，機組控制系統(tǒng)的電子元器件老化造成的故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)?？刂葡到y(tǒng)的更新改造在實踐中已經(jīng)開始實施并取得了良好的效果。

1 概述

自上世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)共興建了8套以天然氣為原料的大型合成氨裝置。這些裝置均采用了燃?xì)廨啓C驅(qū)動的工藝空氣壓縮機組，由于燃?xì)廨啓C的排氣溫度高（500℃以上），且氧含量適宜（15～17%），相關(guān)資料表明[1]，將燃?xì)廨啓C排氣引入原料轉(zhuǎn)換工段提高熱效率，可以節(jié)省大量能量（裝置總能耗可降低5%以上）。

除中?；瘜W(xué)富島 I合成氨裝置是2003年投產(chǎn)以外，其余7套裝置均為2000年以前投產(chǎn)，原機組的控制系統(tǒng)均為原機組制造廠配套提供。隨著電子元器件的老化，各類問題頻繁出現(xiàn)，機組非常停車次數(shù)逐年增加。由于原控制系統(tǒng)為非開放式系統(tǒng)，用戶查找發(fā)生問題的原因十分困難。其中最為極端的是川化 I 合成裝置，該燃機的機型是第一次應(yīng)用于合成氨裝置，系統(tǒng)組態(tài)與工況并不匹配，在使用的十余年中（1993～2007），由于控制系統(tǒng)原因造成的機組非計劃停車次數(shù)高達200余次[2]。為此，控制系統(tǒng)的改造陸續(xù)提上日程，近年來，這些機組的控制系統(tǒng)均已進行過升級改造，有的機組還進行過兩次改造。

這些裝置和燃?xì)廨啓C如表1所示。

表1 裝置和燃?xì)廨啓C

圖2 TS3000系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參考圖

2 燃機控制系統(tǒng)的改造更新

大型合成氨裝置主要機組如工藝空氣壓縮機均為單系列（無備機）運行模式，要求機組連續(xù)運行時間長，在天然氣原料充足的條件下年均運行時間在8500小時以上，每次非計劃停車會導(dǎo)致大量物料，能耗損失，直接損失可達數(shù)百萬元或更高。

以下為實際實施的改造工作。

某合成氨裝置所使用的燃?xì)廨啓C-壓縮機機組為MARK V控制系統(tǒng)，自投產(chǎn)以來已經(jīng)運行了多年，該控制系統(tǒng)屬20世紀(jì)80年代初期產(chǎn)品，設(shè)計為非開放性專用控制設(shè)備，系統(tǒng)大量使用半導(dǎo)體分離元件，設(shè)計復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大、技術(shù)封閉、維護檢修難度大。目前部分元器件已老化并進入故障高發(fā)期。 本次改造采用更加開放的、三重化（TMR）的冗余容錯的TRICONEX TS3000控制系統(tǒng)，并由具備專業(yè)燃機控制系統(tǒng)改造能力的公司實施。

2.1 系統(tǒng)概況

這是一套燃機壓縮機機組，以天然氣為燃料，原來使用Mark V作為控制系統(tǒng)，使用蒸汽透平為啟動動力?，F(xiàn)使用TS3000 TMR輪機控制系統(tǒng)替換Mark V控制系統(tǒng)。

機組控制系統(tǒng)的功能配置簡圖（改造后）如圖1所示。

圖1 機組控制系統(tǒng)的功能配置簡圖（改造后）

TS3000系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參考圖如圖2所示（示意圖，僅供參考，以實際項目設(shè)計為準(zhǔn)）。

2.1.1 TS3000控制器

TS3000主機架和擴展機架（含主處理器MP、I/O卡、通訊卡和機架電源）

2.1.2 伺服控制器

提供從TS3000控制器輸出的4～20mA電流到GCV（燃料控制閥）、SRV（速比閥）、NCV（二級噴嘴控制閥）和啟動透平執(zhí)行機構(gòu)之間的接口（伺服控制），提供LVDT（線性差動位移傳感器）的激勵、調(diào)制/解調(diào)功能。

2.1.3 輸入信號接入及轉(zhuǎn)換器

提供包括溫度、壓力、振動、火焰檢測等原一次元件不能與本系統(tǒng)直接接口的信號轉(zhuǎn)換裝置。

DI信號：所有現(xiàn)場來DI信號均選擇隔離柵進行隔離，現(xiàn)場為干接點信號，現(xiàn)場信號先進端子排后接進隔離柵。

AI信號：其中溫度信號選用帶隔離功能的溫度變送器進行轉(zhuǎn)換，現(xiàn)場RTD/TC溫度信號直接進溫變式隔離柵，隔離柵安裝在TS3000系統(tǒng)機柜內(nèi)。

其中壓力、流量、液位信號均為現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號先進端子排后經(jīng)隔離柵后進TS3000系統(tǒng)，隔離柵安裝在TS3000系統(tǒng)機柜內(nèi)。

其中汽輪機振動信號均先進端子排后經(jīng)過隔離柵后經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號進TS3000系統(tǒng)，振動轉(zhuǎn)換器安裝在TS3000系統(tǒng)機柜內(nèi)。

其中燃?xì)廨啓C的速比閥（SRV）、燃料控制閥（GCV）和二級噴嘴控制閥（NCV）的LVDT信號先進端子排后進伺服控制器DSC100，伺服卡的位置輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號直接進TS3000系統(tǒng)，伺服控制器DSC100均安裝在TS3000系統(tǒng)機柜內(nèi)。

其中現(xiàn)場火焰檢測信號先進端子排后經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA 信號進TS3000系統(tǒng)，火檢變送器安裝在TS3000系統(tǒng)機柜內(nèi)。

其中壓縮機組的振動位移信號均利舊原有的BENTLY系統(tǒng)，信號不進TS3000系統(tǒng)，現(xiàn)場BENTLY系統(tǒng)安裝位置不變。

P I 信號：現(xiàn)場所有磁阻式探頭的轉(zhuǎn)速信號均先進端子排接過隔離柵后直接進TS3000系統(tǒng)。

2.1.4 輸出的接口器件

DO信號：本系統(tǒng)提供DO 擴展端子板為繼電器型端子板，即所有DO信號點均由繼電器隔離輸出（根據(jù)實際情況可進行部分調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)ETP配置），控制現(xiàn)場輸出所涉及的110VDC電源隔離繼電器，按照實際應(yīng)用，配置為標(biāo)準(zhǔn)ETP板，后接獨立繼電器經(jīng)端子排輸出到現(xiàn)場，110VDC電源由用戶提供，其中系統(tǒng)點火繼電器和點火變壓器仍然使用原系統(tǒng)的設(shè)備進行利舊使用。

AO信號：其中燃?xì)廨啓C的速比閥（SRV）、燃料控制閥（GCV）和二級噴嘴控制閥（NCV）的位置控制信號直接輸出到伺服控制器DSC100、DSC接隔離柵后經(jīng)端子排去現(xiàn)場控制閥。

其中去小蒸汽透平電液伺服閥的標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號控制信號經(jīng)隔離柵后接接線端子排后輸出給小蒸汽透平電液伺服閥。

其它TS3000輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號將均經(jīng)過隔離柵輸出接端子排后輸出，隔離柵安裝在TS3000系統(tǒng)柜內(nèi)。

2.2 控制器硬件

系統(tǒng)機架和附件安裝在3個標(biāo)準(zhǔn)機柜內(nèi)，主要配置如表2所示。

表2 主要配置表

2.3 人機界面HMI（工程師站、操作站和SOE站）

系統(tǒng)有2臺PC機分別作為操作站（臺式）和工程師站兼SOE站（臺式）。

HMI與控制系統(tǒng)的通訊采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，通過雙冗余高速網(wǎng)絡(luò)及通訊卡與下層控制器保持通訊，確保數(shù)據(jù)的及時刷新。監(jiān)控軟件將選用Wonderware公司的最新中文版本的Intouch軟件，可以為用戶提供良好的中文人機界面。系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的HMI的顯示畫面，也可以根據(jù)用戶提供的詳細(xì)要求進行設(shè)計。

2.4 事件記錄(SOE)

系統(tǒng)內(nèi)置的SOE功能可以毫秒級的速率采集和記錄發(fā)生的事件，系統(tǒng)最多可記錄60000條事件，可以方便地記錄故障報警，捕捉第一報警信息，為事故分析提供第一手詳實的信息。在控制程序每次掃描時，TRICON的主處理器檢查被選擇的離散變量，該變量的狀態(tài)改變被稱為事件。這些事件變量用TriStation 1131賦值到SOE模塊，也用于程序模塊的控制功能，適合于啟動和停機事件的收集。采集的SOE數(shù)據(jù)可實時存貯在硬盤中，并可通過打印機打印出來。

Triconex提供標(biāo)準(zhǔn)的SOE顯示畫面，也可以根據(jù)用戶提供的詳細(xì)要求進行設(shè)計。

2.5 下位機軟件平臺

TRICON系統(tǒng)專用的Tristation 1131編程軟件包將安裝在Win7操作系統(tǒng)下，用來實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、應(yīng)用編程、程序離線模擬、程序下裝、在線修改、在線下裝及系統(tǒng)維護等功能。該編程軟件完全符合國際電工協(xié)會（IEC）的IEC-1131標(biāo)準(zhǔn)，提供包括功能塊圖、梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本等編程語言，包含多種現(xiàn)成的邏輯模塊、提供專用的燃機控制算法（擴展的功能塊）和相關(guān)的輪機控制程序。

2.6 系統(tǒng)電源

控制器電源為雙路冗余電源給控制器供電。用戶提供的120VAC雙路可靠UPS電源。

I/O電源為雙路冗余24VDC電源模塊給I/O提供24VDC，用戶提供的120VAC可靠電源作輸入。

對于控制系統(tǒng)I/O驅(qū)動的特殊（如110VDC 型）電源對象，均由用戶提供可靠UPS電源。

3 與其它系統(tǒng)之間的接口

3.1 火災(zāi)保護系統(tǒng)（FIRE & GAS）

原來的系統(tǒng)中這是一套獨立的部分，新系統(tǒng)中將其分成2部分：火災(zāi)保護部分和可燃?xì)怏w監(jiān)測部分。

其中新系統(tǒng)包括了火災(zāi)保護部分的全部功能。

對于可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)，對現(xiàn)場的分析儀表進行利舊使用，并將分析儀表安裝在系統(tǒng)機柜門上，方便進行查看及復(fù)位，分析儀表輸出的干觸點報警信號直接進TS3000DI卡件ETP，TRICON完成原有的控制、報警和聯(lián)鎖保護功能進分析儀表的信號線先進端子排后進分析儀表。

3.2 振動監(jiān)測保護系統(tǒng)

原系統(tǒng)設(shè)置的BENTLY振動監(jiān)測儀（壓縮機振動監(jiān)測），將不含在本TS3000系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)，所涉及的進TS3000的監(jiān)控及聯(lián)鎖信號，均由用戶提供標(biāo)準(zhǔn)硬模擬或開關(guān)信號，其中監(jiān)控信號也可為通訊方式實現(xiàn)，機組所有的振動監(jiān)控及聯(lián)鎖將直接由TS3000處理并完成相關(guān)的顯示、報警和聯(lián)鎖功能。

4 TRICONEX 燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)的主要功能

新系統(tǒng)要覆蓋原系統(tǒng)的全部功能，原系統(tǒng)為MARK V燃機控制系統(tǒng)，要確保保留原系統(tǒng)功能，并盡可能優(yōu)化，這里只列出主要的功能。主要功能包括：

啟動和停機；

順序控制；

聯(lián)鎖和報警控制；

燃料閥控制（包括SRV和GCV）；

二級噴嘴調(diào)節(jié)閥的控制（NCV）；

啟動透平加力控制；

燃燒室火焰檢測、監(jiān)控；

數(shù)據(jù)采集、顯示和歷史數(shù)據(jù)功能。

歷經(jīng)多年，完成上百套燃機控制升級改造的經(jīng)驗積累后，Triconex開發(fā)了很多標(biāo)準(zhǔn)化的軟件模塊，使用這些模塊能容易地實現(xiàn)燃機的控制功能和特性，而不需要開發(fā)新的控制軟件。改造的方案汲取了多年的經(jīng)驗，并且利用經(jīng)實踐證明了的成熟的控制模塊和控制思想。

Triconex開發(fā)出的獨特模塊有：基于排氣溫度控制的軟件、基于排氣溫度控制的軟件、轉(zhuǎn)速/負(fù)載控制、不等率/等速控制的選擇、基于轉(zhuǎn)速的速比控制。

TS3000 TMR 控制器的控制精度：系統(tǒng)連續(xù)、自動、可靠地運轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可極大地免除隨機噪聲、電源瞬變、開關(guān)切換的影響。在運行的條件下，控制系統(tǒng)可以使下面的控制變量維持在指定的精度范圍之內(nèi)。

負(fù)載在最小到最大之間的任何穩(wěn)定狀態(tài)：

排氣溫度: +/- 2 ℃

轉(zhuǎn)速控制: +/- 2RPM（轉(zhuǎn)/分鐘）

從冷機狀態(tài)開始、以燃機廠家指定的速率增加負(fù)荷到最小穩(wěn)定負(fù)載然后維持最小負(fù)載一直到穩(wěn)態(tài)條件的出現(xiàn)：

排氣溫度: +/- 5 ℃

轉(zhuǎn)速控制: +/- 4 RPM

4.1 順序控制功能

TRICONEX 的順序控制使用“模式”的概念，把機組的啟動順序組編到一系列模式（或狀態(tài)）中。這些模式定義了燃機啟動的每一個進展階段，也定義了相關(guān)階段的任何要考慮的特殊因素（事項）。每一個模式都分配一個順序號，供TRICONEX控制器內(nèi)的邏輯使用。從當(dāng)前所處的某模式進入到下一個模式是由控制器中的順序邏輯（一個或一系列條件）來決定的，進入某模式就會發(fā)出該模式所設(shè)定的動作（在一定邏輯條件下）以確保通過模式進行有序的順控并且在設(shè)備故障的情況下發(fā)出恰當(dāng)動作。

通過模式的概念，在順序控制應(yīng)用程序的設(shè)計時，只需考慮好三個方面的問題：哪些模式之間可以轉(zhuǎn)換，模式之間的轉(zhuǎn)換的條件和邏輯，某模式下發(fā)出什么動作及其條件和邏輯。

TRICONEX的燃機-壓縮機機組控制系統(tǒng)的10個典型模式，如下所示：

4.2 TRICONEX的燃機主控功能——標(biāo)準(zhǔn)的控制模塊

這里簡述TRICONEX TS3000系統(tǒng)控制FRAME 5燃機的控制功能。在本項目中執(zhí)行的全面控制策略由標(biāo)準(zhǔn)的TS3000功能模塊綜合組成，這些模塊之間的相互作用如圖3所示。

圖3 功能塊框圖

4.3 報警和聯(lián)鎖控制

TRICONEX有一套自己的報警和聯(lián)鎖保護軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的改造過程中會將原來系統(tǒng)中除去用于控制器本身部分的全部的報警和聯(lián)鎖條件轉(zhuǎn)化到新系統(tǒng)中，還會增加新的報警和聯(lián)鎖條件。

4.4 燃料閥控制（包括SRV和GCV）

燃?xì)廨啓C的速比閥（SRV）、燃料控制閥（GCV）和二級噴嘴控制閥（NCV）的伺服控制結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

采用TRI-SEN的伺服控制模塊DSC100，每個控制閥由三個線圈分別控制，每個線圈對應(yīng)一個TS3000的AO(4～20mA)輸出信號，每個控制閥有兩個LVDT位置反饋信號。

以圖4所示的三個SRV伺服控制回路為例，簡要說明如下：

SRV1(DSC100模塊)接收一路TS3000 的AO(4～20mA)信號，給現(xiàn)場的LVDT1提供激勵電源，同時接收LVDT1的交流反饋位置信號，并將LVDT1的交流信號轉(zhuǎn)換成1～5VDC的標(biāo)準(zhǔn)信號，分別送給另外兩個DSC100模塊（SRV2/SRV3），也送給TS3000 的AI卡件；SRV1將4～20mA 的AO信號放大轉(zhuǎn)換成±10mA的電流信號驅(qū)動現(xiàn)場的線圈；SRV1 同時接收由SRV2模塊送來的1～5VDC的LVDT2的位置反饋信號。

圖4 伺服控制結(jié)構(gòu)原理圖

SRV2與SRV1的工作方式幾乎一模一樣，只不過換成了現(xiàn)場另外一路LVDT2；提供激勵給LVDT2，并接收LVDT2的交流反饋信號，同時轉(zhuǎn)換成1～5VDC的信號給SRV1/SRV3/TS3000?？刂?、驅(qū)動現(xiàn)場的第二個線圈。

SRV3接收上面兩路LVDT 的1～5VDC信號，并控制、驅(qū)動第三個現(xiàn)場的線圈。

每個DSC100都采用雙路24VDC供電；每個DSC100由共同的目標(biāo)值和現(xiàn)場的LVDT位置反饋構(gòu)成各自的位置閉環(huán)控制回路。

任何一個DSC100故障，不會影響整個伺服閥的控制功能。

除非提供激勵源的兩個DSC100同時故障，否則，任何兩個DSC100模塊故障，伺服閥仍然可以正?？刂?。

GCV和NCV的伺服控制與SRV一樣，不再贅述。

4.5 二級噴嘴調(diào)節(jié)閥的控制（NCV）

在負(fù)荷運行模式，二級噴嘴進行聯(lián)合循環(huán)控制，在調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)，使排氣溫度盡可能的在噴嘴溫控線上運行，以此來實現(xiàn)更高的聯(lián)合循環(huán)效率。

控制采用轉(zhuǎn)速、溫度雙串級PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，如圖5所示，因為轉(zhuǎn)速先于排氣溫度動作，而轉(zhuǎn)速的變化必將影響排氣溫度，因此采用雙串級PID控制，提高了對排氣溫度控制的快速性和自適應(yīng)性。

圖5 PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

4.6 燃燒室火焰檢測、監(jiān)控

火焰檢測器的檢測原理示意圖如圖6所示。

將現(xiàn)場火焰筒中的檢測探頭出來的信號，利用專用的變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA 信號，送給TS3000 的AI 卡件。如圖7所示。

圖7 改造后的典型人機界面

在改造中還對原有系統(tǒng)的一些不足之處進行了優(yōu)化，使得燃?xì)廨啓C機和壓縮機操作和維護工作更加順暢。

同類型的改造解決了改造之前機組的種種問題，如：

（1）由于動力渦輪噴嘴控制不穩(wěn)定，不能在滿負(fù)荷下工作；

（2）點火火焰不穩(wěn)定，容易熄火，啟動困難；

（3）啟動溫度高于設(shè)定值，夏天啟動困難；

（4）啟動透平脫扣時掉轉(zhuǎn)。

由于新的系統(tǒng)比原有的系統(tǒng)更為開放，用戶操作人員能夠更好地掌握機組控制系統(tǒng)，出現(xiàn)燃機故障時也能非常容易地找到故障原因，進而較快解決問題，保證生產(chǎn)的順利恢復(fù)。

6 結(jié)語

采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的TS3000系統(tǒng)對燃?xì)廨啓C進行改造，由具備專業(yè)改造資質(zhì)的燃?xì)廨啓C控制改造商對燃?xì)廨啓C驅(qū)動的壓縮機控制系統(tǒng)實施改造收獲了很好的效果。近年來，隨著燃?xì)廨啓C驅(qū)動的壓縮機組在石油生產(chǎn)，油氣處理，天然氣管輸中的大量應(yīng)用，控制系統(tǒng)的更新優(yōu)化問題將很快地提上日程。在大型合成氨裝置中的燃?xì)廨啓C驅(qū)動的壓縮機控制系統(tǒng)改造更新的經(jīng)驗對今后的工作將起到良好的借鑒作用。

圖6 火焰檢測器的檢測原理示意圖

4.7 壓縮機防喘以及與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的解耦控制

原壓縮機防喘振控制由獨立控制器實現(xiàn)，改造后仍然保留。但同時，要求在TS3000中預(yù)留壓縮機的防喘振控制功能，以及防喘與轉(zhuǎn)速之間的解耦控制功能，確保如果用戶需要，這部分功能馬上可以投用，并取代原來的獨立防喘振控制單元。

5 改造后的實際效果

改造利用裝置大修期間完成拆除原有系統(tǒng)，將接入原有機柜的線纜接入新的機柜。上電，對各控制信號進行靜態(tài)測試和調(diào)試后開始系統(tǒng)調(diào)試。順利將系統(tǒng)投入使用。改造后的典型人機界面

[1]邢桂坤.燃?xì)廨啓C在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道, (40): 50～52.

[2]韓萍.燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)技術(shù)改造[J].川化,2008(03)：17～20.