DCS控制系統(tǒng)在空分系統(tǒng)上的應(yīng)用問題探討

摘要文章主要針對DCS控制系統(tǒng)在空分系統(tǒng)上的應(yīng)用問題進行分析，在分析系統(tǒng)的工藝流程的基礎(chǔ)上，論述了系統(tǒng)配置，最后重點就系統(tǒng)的熱工檢測和控制問題進行分析，希望對于今后的DCS控制系統(tǒng)在冶金行業(yè)中應(yīng)用具有一定幫助。

關(guān)鍵詞DCS控制；空分系統(tǒng)；自動控制；冶金行業(yè)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0089-02

當前，冶金行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的對于氬氣、氮氣和氧氣等氣體的需求也日益增高，本企業(yè)為了更好能夠促進節(jié)能減排、優(yōu)化生產(chǎn)，采用了新型的空氣分離設(shè)備，并且把較為成熟技術(shù)的透平機組應(yīng)用帶氮壓機、氧壓機和空壓機中[1,2]?，F(xiàn)結(jié)合實際情況，就整個制氧工程相關(guān)問題，包括籌建、組織和調(diào)試等方面進行相關(guān)探討。

1工藝流程

在此新型空分機組系統(tǒng)中，其組成可以看為純化系統(tǒng)、空氣平透機壓縮機系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、增壓膨脹系統(tǒng)和氣體壓縮輸送系統(tǒng)等。

首先，空氣中的機械雜質(zhì)及塵埃的去除則是通過空氣過濾器，再進入相應(yīng)的空氣透平壓縮機系統(tǒng)；在水冷塔的冷水及循環(huán)冷卻水作用下，壓縮后空氣在空氣冷卻塔內(nèi)進行熱量交換而實現(xiàn)降溫作用，而后進入相應(yīng)的分子篩純化系統(tǒng)；切換使用兩只分子篩吸附器，相應(yīng)的乙炔、二氧化碳、水分以及其他碳氫化合物等有害雜質(zhì)都能在分析篩純器內(nèi)進行，而后進入分餾塔系統(tǒng)。

對于在三股凈化后的加工空氣來說，其中一股可以作為系統(tǒng)的儀表氣源；增壓透平膨脹機的增壓機增壓則是靠另外一股的引入而實現(xiàn)，進入主換熱器之前需要經(jīng)過水冷卻器冷卻，然后可以從換熱器中部進行抽出操作，經(jīng)過膨脹機的膨脹作用而進入上塔；對于進入主換熱器的第三股來說，冷卻則是由被返流產(chǎn)品氣體的作用，然后再飽和溫度之后可進入下塔。

對于液空、液氮在下塔精餾獲得來說，應(yīng)該先經(jīng)過過冷器，然后送入上塔而進行相關(guān)的精餾。主換熱器復(fù)熱的作用下，污氮出氣、氮氣和氧氣則是由上塔精餾獲得，然后送出冷箱。透平氧壓機壓縮到2.5 MPa的氧氣送入到管網(wǎng)；中壓氮透壓縮的并入低壓管網(wǎng)的氮氣到2.5 MPa。其中，在分析篩化系統(tǒng)作用下，使得污氮氣成為再生氣源；另一部分污氮氣則和富余的純氮氣進行匯合，然后在預(yù)冷系統(tǒng)的水冷塔冷卻循環(huán)水作用下而冷卻。

從上塔中部抽出相應(yīng)的氬餾分，為了把氧組份有效去除，并進行送入粗氬塔的操作，在粗氬冷凝器中冷凝大部分的粗氬，可以作為相應(yīng)的粗氬塔的回流液。對于分為兩段的粗氬塔來說，為了保證運行連續(xù)，中間的工藝過程的連接則是依靠一臺流程氬泵連接，另一部分的氣態(tài)粗氬就進入精氬塔，以便進行更好的分離。

2系統(tǒng)配置

在系統(tǒng)的控制方案中，其原則為“集中監(jiān)視操作為主，就地監(jiān)視操作為輔”，其中，共有5臺工業(yè)控制機在整套的DCS中，3臺作為操作員站、2臺作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，工程 師站可以操作員站中的1臺。冗余控制方式采用在通信模塊和控制站中。

在上述的2臺服務(wù)器中，能夠?qū)崿F(xiàn)相互切換和相互冗余的功能，其中，所有數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視和管理都能夠通過系統(tǒng)所采用的采集空分系統(tǒng)而實現(xiàn)，包括相關(guān)的SOE事件管理、日志管理和報警管理等。另外，上述管理模塊能夠?qū)τ谙到y(tǒng)內(nèi)的其他站點進行事件信息、實時數(shù)據(jù)以及歷史記錄等相關(guān)服務(wù)，另外，相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)還能為其他的管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所提供。

對于工程師站的功能來說，其工作為程序下裝、組態(tài)修改以及程序編制等，相對應(yīng)的內(nèi)容主要有參數(shù)配置、控制算法、圖形繪制、報表組態(tài)、數(shù)據(jù)庫編輯等。另外，工程師站還能進行相關(guān)的操作員站、現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)下裝和增量下裝，服務(wù)器、過程I/0模塊的配置組態(tài)等內(nèi)容。

在操作員站，主要實現(xiàn)工藝過程進行精細控制，通過崗位人員觀察生產(chǎn)過程中空分系統(tǒng)各個部分工藝參數(shù)等，進行整個空分過程的監(jiān)控。

系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過程控制的設(shè)備則是現(xiàn)場控制站（I/O站），能夠進行相關(guān)的各種T程單位的變換、采集現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)、控制開關(guān)量和模擬量的輸出、各種邏輯控制和報警聯(lián)鎖的算法等。還能夠把系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進行相關(guān)到數(shù)據(jù)服務(wù)器的處理工作。

在DCS系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中，控制網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)則是兩個層次，能夠有效把操作員站、工程師站、現(xiàn)場控制站、打印站和服務(wù)器進行連接，過程I/O模塊與現(xiàn)場控制站的通信的完成主要是通過控制網(wǎng)絡(luò)。

3系統(tǒng)的熱工檢測和控制

集中DCS系統(tǒng)控制在本套設(shè)備中采用，并能有效記錄操作過程。系統(tǒng)的歷史趨勢能夠記錄實際操作過程，并可以進行相關(guān)的分析和處理，還包括超工藝值的自動聯(lián)鎖保護、報警和操作參數(shù)的連續(xù)記錄等功能[3]。

1）在流量控制方面，其能夠有效確定系統(tǒng)設(shè)計和實際運行參數(shù)間的吻合程度，是系統(tǒng)的主要控制手段之一，能夠有效進行物料衡算，因此，相關(guān)的壓力和溫度的補償都在DCS中進行，系統(tǒng)中流量控制方式主要有：膨脹空氣流量、氬氣流量、氯氣流量、低溫水流量、氧氣流量、常溫水流量和總加工空氣流量等。

2）在溫度測量方面，主要包括遠傳電阻溫度顯示和就地溫度顯示兩種，由于具有比較高的要求的制氧的溫度測量，在就地溫度顯示方面，這就應(yīng)該在工藝管道或者設(shè)備外殼上安裝雙金屬溫度計，例如在機組的油溫就地顯示等；對于遠傳熱電阻溫度來說，為了保證溫度測量的安全性和準確性，則一般通過雙支測量應(yīng)用在冷箱內(nèi)溫度電阻，通過鉑熱電阻直接測量。

3）在主要液位控制方面，進入系統(tǒng)和離開系統(tǒng)的物料平衡通過液位控制反應(yīng)，能夠有效體現(xiàn)系統(tǒng)的物料平衡問題，都是利用自動控制方式。其主要內(nèi)容有：主冷凝蒸發(fā)器液位、下塔液位、精氬塔蒸發(fā)器液位、水冷塔液位、潤滑油油位控制、浦氬計量筒掖位、空玲塔液位、精氫塔冷凝器液位等。

4）在分析控制方面，主要有自動在線分析和分析盤手動分析兩種，分析過程中，要求分析點接至固定的分析儀表盤，其中，4～20 mA電流由分析儀表數(shù)據(jù)輸出并可以送到DCS顯示，與相應(yīng)的對應(yīng)流量計配合使用，能有有效保證操作的正確性和安全性。

其中，手動分析方面，主要有膨脹空氣露點分析、氧氣出上塔分析、下塔渣空分析、主冷液氧分析、氯氣出上塔分析、下塔氮氣分析等；在自動在線分析方面，主要有精氬含氟量分析、氬氣出分餾塔臺量分析、氨氣出分餾塔純度分析、氧氣出分餾塔純度分析、二氧化碳含量分析、污氯出分餾塔純度分析、粗氬含氧量分析、主冷液氧總碳及乙炔含量分析等

5）在進行空分裝置的冷量平衡控制，對于穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)的裝置的冷量平衡來說，則是利用膨脹機、等溫節(jié)流效應(yīng)等熵膨脹提供裝置冷量。在過剩的冷量下，在要求物料平衡的條件下，會導(dǎo)致上升的主冷液位，就容易出現(xiàn)純度破壞而造成液泛情況；對于不足的冷量，則會導(dǎo)致產(chǎn)量降低，負荷減少，使得液位下降，設(shè)備安全也會受到由于總碳濃縮的影響。具體措施就是通過調(diào)節(jié)膨脹量來實現(xiàn)裝置的冷量平衡。

6）在主要壓力控制方面，對于系統(tǒng)非常重要的壓力控制來說，主要包括內(nèi)容有：氧壓機出口壓力調(diào)節(jié)、精氬塔壓力、污氮送出壓力控制、空冷塔壓力調(diào)節(jié)，空壓機出口壓力自動調(diào)節(jié)，循環(huán)水總管壓力、潤滑油油壓、精氬塔冷凝器壓力、用戶氧、氮、氬壓力調(diào)節(jié)等。

4主要控制系統(tǒng)功能分析與思考

1）空氣預(yù)冷控制系統(tǒng)。

水冷塔液面和空冷塔的自動調(diào)節(jié)則是在空氣預(yù)冷系統(tǒng)中實現(xiàn)，還包括相關(guān)的聯(lián)鎖停車、水泵的起動條件判別、還有相關(guān)的顯示水流量參數(shù)以及報警等功能。

2）空壓機機組控制系統(tǒng)。

在空壓機機組控制系統(tǒng)中，采用機組最基本的工藝控制，即0.52 MPa表壓恒壓控制，另外，為了機組安全運行，還包括相應(yīng)的事故聯(lián)鎖保護停車控制、自動加載起動、防喘振控制等。

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3）空氣純化系統(tǒng)控制。

臥式雙層床結(jié)構(gòu)的純化器在本套系統(tǒng)中采用，可以把空氣中的一些碳氫化合物、二氧化碳、乙炔、水分等清除干凈，利用交替工作的兩個分子篩，獲得干燥且無有害雜質(zhì)的空氣。一般來說，分子篩切換系統(tǒng)切換周期能在四個小時內(nèi)完成，均壓、冷吹、加溫和泄壓則構(gòu)成每個周期，其中，利用14個電磁閥開關(guān)能夠完成每個過程中的控制，因此，能夠延長系統(tǒng)壽命，通過減少電磁閥使用開關(guān)頻率。

4）分餾塔控制系統(tǒng)。

在此分餾塔系統(tǒng)中的控制內(nèi)容主要包括：精氬塔及各氬塔的液面、壓力及阻力調(diào)節(jié)，主冷液氧中碳氫化合物成分分析及報警，純度監(jiān)測報警聯(lián)鎖，產(chǎn)品氧氣、氮氣的流量自動調(diào)節(jié)，有關(guān)操作點的純度分析等。

5）增壓膨脹機控制系統(tǒng)。

在此膨脹機系統(tǒng)的控制中的內(nèi)容有：起動、事故聯(lián)鎖停車，起動條件判別，增壓空氣含水量監(jiān)測報警，油泵的起動條件判別及聯(lián)鎖，增壓端防喘振調(diào)節(jié)等。

6）透平氮壓機控制系統(tǒng)。

氮透的中控室聯(lián)鎖停車和自動起動，密封氣壓力的自動調(diào)節(jié)，出口壓力和防喘振調(diào)節(jié)等能在透平氮壓機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。

7）透平氧壓機控制系統(tǒng)。

對于時序控制的透平式氧壓機來說，其過程具有一定高度復(fù)雜性，主要包括保安氮氣閥、混合氣體排放閥、氧氣出口閥、高壓旁通閥、中壓旁通閥、氧氣放空閥、排煙風(fēng)機、油泵、氧氣進口閥、進口導(dǎo)葉和主斷路器等，上述控制都是按照一定時序完成。在氧透的控制程序則是進行安全生產(chǎn)的重要前提，尤其要做好相應(yīng)的啟動和停車程序。

8）調(diào)壓站控制系統(tǒng)。

實際需求非常復(fù)雜，這就要求調(diào)壓站系統(tǒng)中李永樂兩套系統(tǒng)通過光纜聯(lián)網(wǎng)以及一套DCS系統(tǒng)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在調(diào)壓站子站與主控制系統(tǒng)中的聯(lián)通，滿足域間通信要求。其中，在調(diào)壓站控制系統(tǒng)中，主要包括相應(yīng)的制氧機組到球罐之間的氧、氮、氬溫度、流量測量以及壓力補償?shù)?，還包括相關(guān)的去特鋼氧、氮、氬的調(diào)節(jié)等。

5結(jié)束語

本文主要針對DCS控制系統(tǒng)在空分系統(tǒng)上的應(yīng)用問題進行分析，應(yīng)該充分解決制氧空分技術(shù)的多耦合、大滯后的問題，保證自動化控制技術(shù)的順利應(yīng)用，能夠更好地提高產(chǎn)品提取率，改善精餾控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而更好保證氮壓機、氧壓機、空壓機的三大透平機組的安全運行。

參考文獻

[1]吳向軍，連世偉，邱發(fā)春，等.空分系統(tǒng)空壓機控制思路的探討[J].中國科技縱橫，2010（24）.

[2]李源，李明，馬玲，等.空分系統(tǒng)增壓機DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].環(huán)球市場信息導(dǎo)報，2013（4）.

[3]李源，馬玲，李明，等.I/A Series在萊鋼60000m3/h空分系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用，2013（6）.

作者簡介

蔣金波，男，漢族，浙江磐安人，本科，專業(yè)為過程裝備與控制控制。

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