・１Ｏ６・ 工业仪表与自动化装置 ２０１５年第１期 ＤＣＳ控制系统在空分内压缩流程 高压液氧泵的应用 王晋华，张莫西 （西安陕鼓动力股份有限公司，西安７１００７５） 摘要：介绍陕鼓某气体有限公司２×４０ ０００ Ｎ・ｍ ／ｈ内压缩流程空分设备流程特点及ＤＣＳ控 制系统在高压液氧泵的应用，分析了两台液氧泵的自动切换控制要求，针对性地提出了液氧泵发生 故障时采取的措施。 关键词：：ＤＣＳ控制；高压液氧泵；自动切换控制 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００—０６８２（２０１５）０１—０１０６—０５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＣＳ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｈｉｇｈ－－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｐｕｍｐ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ＷＡＮＧ Ｊｉｎｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｍｏｘｉ （Ｘｉ’ａｉｒ ＳｈａａｎｇｕＰｏｗｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’口ｎ ７１００７５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｉｎｎｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ２×４０ ０００ Ｎ・ｍ ／ｈ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＣＳ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｈｉｇｈ——ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｐｕｍｐ ｉｎ ａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｗｏ ｓｅｔｓ ｏｆ ｌｉｑｕｅ— ｌｆｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｐｕｍｐ，ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｔａｋｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｈｅｎ ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｐｕｍｐ ｆａｉｌｕｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：：ＤＣＳ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｐｕｍｐ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ １ ＫＤＯＮ一３６０００／４０５００型空分设备特点 陕鼓某气体有限公司ＫＤＯＮ ３６０００／４０５００型空 分设备是为４５万吨合成氨、８０万吨尿素的配套装 置。空分装置由开封空分集团有限公司成套，空压 机组由陕鼓动力股份有限公司配套，汽轮机由杭州 汽轮机股份有限公司生产。由于氧压力达到８．３ 组监测控制等多个功能。 ２）空分装置的ＤＣＳ控制采用横河ＣＳ３０００系 统。ＩＴＣＣ控制系统的信号通过Ｍｏｄｂｕｓ通信协议以 及硬接线方式，实现与ＤＣＳ控制系统之间的控制与 联锁，氧泵的控制由ＤＣＳ控制实现。图１所示为液 氧泵控制要求。 ＭＰａ（Ｇ），根据空分流程计算结果并综合流程组织 ２ ＤＣＳ控制系统在液氧泵中的应用 本着稳定工艺参数，保证产品质量，提高生产效 率，同时考虑经济适用、节约投资的原则，拟采用 的能耗分析，该套空分设备采用分子筛吸附净化，增 压透平膨胀机制冷，全精馏无氢制氩，空气增压循环 的氧内压缩流程。空分装置采用进口ＩＴＣＣ控制系 统和ＤＣＳ控制系统来实现设备的安全联锁和控制 要求。 ＤＣＳ控制系统、工业监视系统和常规仪表相结合对 生产过程进行监控。将主要工艺参数的控制、显示、 累计、事故报警引入控制室进行监控，操作人员通过 常规仪表和ＤＣＳ控制系统、工业电视监控系统进行 操作、控制和维护，以达到稳定工艺参数，保证产品 质量，减轻劳动强度，确保安全生产的目的。同时为 １）空分空压机组采用进口ＩＴＣＣ控制系统（综 合透平压缩机控制系统），实现转速控制、压缩机防 喘振控制、性能控制、负荷控制、机组联锁保护和机 收稿日期：２０１４—０３—３１ 了方便现场操作，在现场设置部分就地显示仪表。 ２．１控制系统的选择 作者简介：王晋华（１９８０），女，山西长治人，硕士，西安陕鼓动力 股份有限公司工程公司售前技术支持室工程师，研究方向为空分 工艺。 该工程选用Ｅｔ本横河的ＣＳ３０００控制系统，其 具有以下功能： ２０１５年第１期 工业仪表与自动化装置 ・１０７・ １）过程控制功能 ＣＳ３０００控制站除完成基本监测、调节和顺控功 能外，还可以按过程需要选用串级、比值、前馈、纯滞 后时间补偿等高级控制功能。此外，还可以运用各 种算法组合成控制算式，实现更复杂的控制要求。 图１液氧泵控制图 ２）操作功能 ＣＳ３０００操作站使操作员可在正常或异常情况 下对站内各设备进行控制，并可监视全线各站的操 作数据和状态。可随时选择监控画面、控制方式、设 报表；程序编译；组态下装；组态在线修改；过程变量 监视；显示和修改所有参数。 ７）系统硬件Ｉ／Ｏ模块 检测点数量、量程及通道安全等因素做出下面 选择： 定值／输出值的升降、开阀／关阀、机泵启动／停止、顺 序启动、选择报警、报警确 复位、打印屏幕、指定／ 选择趋势记录和报表。 ３）显示功能 ＣＳ３０００操作站具有下列画面显示功能：菜单画 面（按工艺分区组织）；流程图画面（带开窗口显示 功能）；控制分组画面；回路参数画面；趋势曲线画 面；报警汇总画面。 模拟量输入模块ＡＩ选用ＡＡＩ１４３，４～２０ ｍＡ输 入信号，１６通道，通道隔离； 模拟量输出模块ＡＯ选用ＡＡＩ５４３，４～２０ ｍＡ输 出信号，１６通道，通道隔离； 开关量输人模块ＤＩ选用ＡＤＶ１５１，２４ ＶＤＣ，３２ 通道，通道隔离； 开关量输出模块ＤＯ选用ＡＤＶ５５１，２４ ＶＤＣ，３２ 通道，通道隔离； 温度ＲＴＤ模块选用ＡＡＲ１８１，ＰＴ１００ ｎ，１２通道， ４）报警功能 ＣＳ３０００的系统报警功能能自动诊断出操作站、 现场控制站或通信系统的故障，向操作员发出报警 显示出故障的物理位置和故障的性质。 ５）信息管理功能 根据工艺操作和管理的需要，选用外部存储器 将比较重要的信息保存下来。外部存储器的形式和 容量可根据需要保存信息的多少、保存时间的长短 以及有足够的裕量来确定。 ６）系统组态功能 通道隔离。 ２．２仪表选型 在满足工艺要求的前提下，以先进、可靠、经济 和使用方便为原则，尽可能选用系列化、标准化的仪 表，以提高仪表互换性。在仪表材质的选用上，与工 艺介质接触部分的仪表材质不低于仪表所在工艺设 备或管道的材质。同时尽可能集中选用一个厂家或 地区的产品，以便后期的采购与维护。 １）温度仪表 ＣＳ３０００系统离线及在线系统，具备如下组态功 能：过程变量的零点、量程及报警值设定；控制回路 组态；建立实时和历史数据库；建立显示画面；建立 氧泵就地温度监测仪表选用双金属温度计，远 传温度选用ＰＴ１００铂电阻。 ・１０８・ 工业仪表与自动化装置 ２０１５年第１期 ２）压力仪表 氧泵就地压力表检测选用氧用不锈钢压力表， Ｔ１０１ １６０１ Ｂ液氧泵密封气温度 氧泵调节阀门采用Ｆｌｏｗｓｅｒｖｅ气动薄膜执行机 构，Ｆｌｏｗｓｅｒｖｅ５２００ｌｏｇｉｘ智能定位器 ２．４氧泵控制要求 远传的压力点选用罗斯蒙特３０５１系列氧用压力变 送器。 ３）调节阀门 氧泵系统调节阀门采用Ｆｌｏｗｓｅｒｖｅ气动薄膜执 行机构，Ｆｌｏｗｓｅｒｖｅ５２００１ｏｇｉｘ智能定位器 ２．３氧泵的监测控制点 １）ＡＩ点 １）工作泵出现故障停运时，备用泵自动在设定 时间内达到工作负荷，确保空分设备可靠运行。 ２）用户调节氧气产量时，液氧泵的流量、压力 将通过变频器与回流阀自动调整。 ３）液氧泵工作时，ＤＣＳ控制系统会对液氧泵的 工作状态进行检测、保护与调整，如果泵出口压力 ＰＤ１０１ １６０１氧泵密封气压差 ＰＩＯ１１６１１氧泵出口压力 达不到设定要求，备用泵会自动启动，同时工作泵 Ｓ１０１ １６０１氧泵转速 Ｉ１０１ １６０１氧泵电流 ２）ＡＯ点 自动降负荷并且低速惰转。 ３液氧泵的自动控制 ３．１ 单台液氧泵联锁控制的工艺要求 ＰＶ０１１６１１氧泵回流阀 ＨＣ０１ １６０１转速控制 ３）ＤＩ点 液氧泵要求一台正常负荷运转，另一台低速惰 转（冷态备用）。液氧泵控制要求（以液氧泵Ａ为 例）：液氧泵出口压力控制ＰＩＣＯ１１６１１高报警；密封 气压差ＰＤＩＯ１１６０１低报警；ＤＣＳ控制系统对液氧泵 转速的遥控ＨＣ０１１６０１；（ＤＣＳ控制系统对液氧泵开 Ｕ１０１ １６０１氧泵故障信号 Ｅ１０１ １６０１氧泵运行信号 ＨＳＬＣ０１０１空压机放空信号 ＨＳＬＣ０１０２增压机放空信号 ＨＳＬＳＴ０１０１公共停车信号 ４）ＤＯ点 停的控制Ｅ１０１ １６１ １）ＤＣＳ控制系统中设置液氧泵的 运行信号ＨＳＯ１１６１１；ＤＣＳ控制系统显示液氧泵的 运行转速Ｓ１０１１６１１；液氧泵轴承温度Ｔ１０１１６０１Ａ高 报警，过高联锁停泵；液氧泵迷宫密封气泄漏温度 ＨＳＨ０１ １６０１氧泵启动命令 ＨＳＨ０１ １６０１氧泵停止命令 ５）温度点 Ｔ１０１ １６０１ Ａ液氧泵轴承温度 ＴＩＯ１ １６０１ Ｂ低报警，过低联锁停泵等。液氧泵控制 逻辑说明如图２所示。 图２液氧泵控制逻辑说明 ２０１５年第１期 工业仪表与自动化装置 ・ｌ０９・ ： ＝ 一一～ ～ ＜—０—Ｐ０—１０—３Ｂ—Ｃ—Ｕ—Ｔ．—ＰＶ—．Ｌ—］ ｌ翻 … 一 五五五Ⅱ耍互巫要巫互 ＰＩＣ０１１４３９．ＰＶ＜＝７．６ＨＰａ ！ 垫签－ 丝！ 茎 Ａ泉允 入川 ０Ｐ０１０３ＡＳＰＡＲＥ．ＰＶ．￣＂—— 一—— … ｉ ｉ Ｓ—ＩＪＰＶ０１—１６１１ ．ＰＶ．０Ｎ＞ 宦 ６ 倔 五 亟 画 五垂 ｌ竹 Ｒ亟ＬＯ五ｌ１６００．Ｘ—ＯＴ．—ＥＱ 印 ・一 羞藿羹 Ａ袋器用｛，ＪＪ八 ４ 广％ ’ 、ｌ——～一一（Ｓ￣ＰＶ０１１６１１。ＰＶ．Ｌ ｉ流 、。。。。。。。。。。。。 。。‘。。。。。。‘。‘。。 ‘。。。。。。。。。。。。。。●。。。。。。。。。。。。。。。。‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。一Ａ泵祷Ｈ｛ 八ｔ渊变频器 Ｅ争 一 圄＿一１ ＾ ，—————Ｉ ；＿Ｌ ＨＣ０１１６０１一ＣＡ．ＡｃＴ．ｆ０ｗ ｌｉｔ 五亟五亘五 ，———————————————————一 《ＨＣＯＩ１６０１．ＮＯＤＥ．Ｈ帅 一３．２ ２台液氧泵控制逻辑 图３液氧泵控制逻辑 内压缩流程中一般设置２台液氧泵，在正常情 况下，一台处于运行状态，另一台处于备用状态，一 旦运行中的液氧泵发生故障停车，变频控制备用泵 就自动加载，以保证产品氧气的正常送出，也能保证 主换热器的冷量均衡。ＤＣＳ底层氧泵控制逻辑如 图３所示。具体备自投联锁方式如下：当运行中的 液氧泵发生故障停车后，后备泵会自动启动，１０ Ｓ内 负荷自动变频加至正常值的９１．４％，８ ｓ后将回流 阀投入联锁，１５ Ｓ内回流阀关闭到２３％并进入自动 压力调节状态。 一一 一一一 如果液氧泵Ａ因出口压力ＰＩＣ０１１６１１低限，低 于８．０ ＭＰａ并且转速在正常转速时，判断其氧泵进 入故障状态，联锁降负荷；那么同时液氧泵Ｂ自动 启动至一定转速（可设置），同时给回流阀一个信 号，使其在规定时间内达到正常工作压力，并实现外 送供气。氧泵备自投操作画面如图４所示。 液氧泵系统控制达到液氧泵Ｂ正常运转，其中 液氧泵Ａ联锁降负荷低速惰转。 如２台液氧泵是一开一备，一台氧泵为全压运 图４氧泵备自投操作画面 ４液氧泵控制运行方案的改进 ・ｌｌ０・ 工业仪表与自动化装置 ２０１５年第１期 行，另外一台在低速冷备的状态（进出口全开，排气 阀、回流阀全开），当一台泵发生故障时，另外一台 氧泵要达到正常运行状态，还要经过一段时间，而在 这段时间就有可能对后续系统产生严重的影响，甚 至停车。 氧泵备自投投用正常，若单台氧泵出现故障时， ２台氧泵在一用一备的状态下，备泵达到正常工作 状态需要１ ｍｉｎ的时间；而改进后双泵低负荷运行 方式，备泵达到工作状态的时间缩短至２Ｏ～３０ ｓ；装 置供气的稳定性更高，波动更小。 实际运行过程中，发现当一台氧泵发生故障时， 如果在故障紧急的情况下，压力与流量骤减，将另一 台泵从低速冷备的状态加至系统所需的负荷，整个 操作过程无法满足后续系统的需求。考虑到系统２ ５ 总结 液氧泵作为内压缩流程空分设备中的核心设 备，高压液氧泵正常时１备１用，单台或双台液氧泵 都不能正常运行，对空分设备的换热和精馏会造成 巨大的影响，由于涉及的设备及联锁比较多，再加上 台氧泵的具体情况，现将２台氧泵的运行状态改为 ２台氧泵均在带压的状态下运行，这样既保证了用 户用氧的稳定，又可以防止突发故障的发生，引起氧 气压力大幅度下降，造成不必要的损失。例如：故障 发生后，完全有足够时间将装置完好的氧泵负荷加 至正常工况。保证用户用氧量，不会使氧气流量发 生大幅度波动，从而保证了系统的稳定。但是这样 调整工况时参与的参数比较多，一旦处理不当，就会 造成空分设备全线停运，影响公司的正常生产。因 此，通过ＤＣＳ控制系统实现液氧泵故障时的自动变 负荷和自动切换应用功能，有利于减小高压液氧泵 停运对空分设备工况和后续生产的影响。ＫＤＯＮ一 ３６０００／４０５００型空分设备自投产以来运行工况稳 做的弊端是增加了设备运行的电耗。 具体改进２台液氧泵的运行方式为： 启动液氧Ａ泵高速运转达到正常运行工况，达 到正常工况的氧泵转速在３４００ ｒ／ｍｉｎ；再启动液氧 Ｂ泵达到低速惰转１０４０ ｒ／ｍｉｎ，等压力稳定后，将Ｂ 泵负荷加至正常转速３４００ ｒ／ｍｉｎ，逐渐关小回流阀， 定。结合实际运行情况，ＤＣＳ控制系统的应用既提 升了氧泵控制的稳定性，又降低了用户生产设备成 本的投入。 参考文献： ［１］ 郭玉，谢娅娜．进口ＩＴＣＣ控制系统结合国产ＤＣＳ控制 系统在特大型空分设备中的应用［Ｊ］．深冷技术，２０１１ （１）：４０—４４． 使液氧Ｂ泵的压力与液氧Ａ泵出口压力基本相 持平。 后逐渐将液氧Ａ泵的变频降低，回流适当开大 ［２］ 王宁．单套空分氧泵跳车时如何优化全厂系统运行 控制氧泵出口压力，降低液氧Ａ泵变频器负荷的同 时Ｂ泵变频负荷也随之降低，利用双泵低变频低负 荷同时运行，将氧泵转速降低至３０００～３１００ ｒ／ｍｉｎ， 同样能够保证氧气总管流量与总管压力稳定，使后 续生产系统运营不受影响。 ［Ｊ］．科技信息，２０１２（１７）：７８—７９． ［３］竺洪亮，邬晓涛．深冷液氧泵的工艺启动调试［Ｊ］．化 工技术与开发，２０１１，４０（９）：７０—７２． ［４］ 杨筝，王建鹏．液氧泵系统设计及重载启动问题的解 决［Ｊ］．测控自动化，２０１１，２７（１）：３９—４０． （上接第８４页） 参考文献： ［１］刘美俊．变频器应用与维护技术［Ｍ］．北京：中国电力 （ 丝 ） ————童——一 电机中速运行 出版社，２０１０． 初始化程序 启动ＰＬＣ变频调速程序 电机低速运行 态 电机高速运行Ｉ 唐任远，宋志环．变频器供电对永磁电机振动噪声源 的影响研究［Ｊ］．电机与控制学报，２０１０，１４（３）：１３． 盂晓芳，李策．西门子系列变频器及其工程应用［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，２００８． 出版社，２０１１． 二二＿ ［４］ 宋伯生．ＰＬＣ网络系统配置指南［Ｍ］．北京：机械工业 向晓汉．西门子ＰＬＣ高级应用实例精解［Ｍ］．北京：机 械工业出版社，２０１０． 。 达到善高 量速要 求 ／／一 凋－ｑ磊善ｌ整Ｉ 图３ ＰＬＣ程序设计流程图 童克波．变频器能耗制动单元的设计及制动电阻算法 ［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２０１３（１）：７７．
