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    個人簡介：李國權（1971-），男，黑龍江巴彥人，學士，微電子自動控制專業高級工程師，現任北京康吉森自動化設備技術有限公司項目經理。先后完成了中國石油華北石化公司二催、三催化控制系統改造項目、中海油富島化肥氨冰機控制系統應急改造項目、中原乙烯三機組控制系統改造項目及大慶石化公司化肥廠五大壓縮機組調速系統改造等項目。

    摘要：分析了由一套ITCC系統控制五臺壓縮機組存在的風險，簡單介紹了速度測量及速關組件的工作原理，總結了液壓控制系統改造的項目執行經驗。

    關鍵詞：合成氨裝置；ITCC系統；速度測量；速關組件；經驗

    1 項目概況

    大連大化合成氨裝置是早期引進林德的化工項目，大連市政府為了建設旅游城市而進行的重點搬遷改造擴建項目，由大連的甘井子區搬到瓦房店松木島化工區，由于運行多年，設備陳舊，壓縮機調速系統技術落后等問題，在本次搬遷重建過程中，決定將原有裝置氮氣壓縮機、空氣壓縮機、合成氣壓縮機三臺壓縮機組的機調速系統，改造為液調速系統，以提高控制及可靠性，滿足機組控制的需要。同時，擴大生產能力，新上一臺空氣壓縮機及一臺氨冰機，但由于是搬遷項目，工廠停產多年，經費緊張，原控制方案只好將五臺壓縮機組由一套ITCC控制系統完成。

    2 控制方案風險分析

    大化集團合成氨廠為下游裝置提供空氣、氮氣及氨氣，動力裝置有三臺機組：空壓機、氮壓機及新空壓機，在整個工藝流程的始端，合成氨裝置有兩臺:合成氣壓縮機及氨冰機，在整個工藝的末端。由一套ITCC控制系統控制以上五臺機組，風險如下。

    2.1裝置檢修無法保證ITCC系統正常檢修

    空分裝置是為全廠設備供應空氣及氮氣等，有一部分空氣作為儀表風供為全廠的調解閥等設備作為動力，裝置檢修時，只有全廠裝置都停車檢修后，空分裝置才能停車檢修，同樣道理，裝置開車時，空分裝置要先開正常，為全廠供風，況且在裝置檢修期間，有些設備檢修也需要空氣作動力，檢修期間進入密閉裝置更是需要通風，這樣一來，空分裝置的空壓機、氮壓機等機組只可以進行輪流檢修，而ITCC控制系統卻無法斷電，進行正常檢修，這樣勢必影響ITCC控制系統的可靠性及穩定性，給控制系統埋藏隱患，若處理不及時，甚至可能會造成全廠的大面積停車。

    2.2開車期間容易造成全廠裝置生產波動

    開車期間，空分裝置三臺機組已運行正常，而合成氣壓縮機及氨冰機還處于調試階段，如果處理不當，容易誤動空分裝置三臺機組相關儀表，勢必會影響空分三臺機組的正常運行，造成全廠的生產波動，甚至影響全廠的正常開車，一套控制系統要運行十年以上，而這種開車期間系統聯調造成空分裝置波動的隱患和風險是一直存在的。

    2.3系統掃描時間長，影響控制效果

    控制系統的掃描時間由硬件I/O點掃描和程序處理等部分組成，五臺機組由一套控制系統實現，卡件數量多，I/O點多，這樣，硬件掃描時間將加大，同樣道理，軟件邏輯大小也會相應加大，這樣系統整個掃描周期將會加長。改成兩套控制系統，每套系統的I/O點相應減少，硬件掃描時間減少，軟件邏輯處理花費的時間都會減少，這樣會縮短系統掃描時間，提高系統響應速度，進而提高控制質量；系統的負荷低，延長使用壽命，確保系統的可靠性。

    本著從控制系統可靠性出發，從用戶的生產實際出發，為了確保大化合成氨裝置的長周期安全運行，決定將由兩套ITCC控制系統實現五臺機組的控制，按工藝裝置分類，一套ITCC系統控制空壓機、氮壓機及新空壓機；另一套ITCC系統控制合成氣壓縮機及氨冰機；兩套ITCC系統組成一個控制網絡，一臺操作站可同時操作五臺壓縮機組，極大方便了用戶的操作及維護。

    3 系統結構及配置

    空壓機控制系統，實現空壓機、氮壓機及新空壓機的控制，合成氣壓縮機控制系統實現氨冰機及合成氣壓縮機的控制。

                   

                                        圖1 空壓機控制系統圖

    每套系統都配冗余TCM卡，兩套控制系統通過交換機組成一個控制網絡，工程師站可以分別訪問兩個控制系統。而且每個操作站都配有雙網卡，與TCM卡實現冗余網絡。五臺機組的操作畫面均在一個HMI畫面內，這樣就實現了一臺操作站可同時操作五臺機組。

                     

                           圖2 ITCC HMI 示意圖

    4 液壓系統改造

    4.1先進的測速系統

    轉速是汽輪機極為重要的狀態參數，速度測量的精度直接影響調速系統的控制情況，它是汽輪機控制的重要因素，只有轉速的高精度檢測，才能確保汽輪機調速系統的精度，確保汽輪機組安全運行，測速系統由磁阻發訊器與TRICON ITCC控制系統（包括脈沖卡）構成，如圖3所示。

    磁阻發訊器是用來將被測轉速信號轉換為相應頻率信號的測量元件，由測速齒盤和測速傳感器構成，測速齒盤裝在汽輪機軸上。

                     

                                                圖1.1 測速系統

                                          圖3 測速系統構成示意圖

    4.2速度信號產生原理

    測速傳感器（探頭）采用磁阻無源探頭，以AI-tek為例，工作原理如下：

    無源磁阻測速傳感器由磁鐵、磁極及線圈三部分組成，磁力線順著磁極方向，從磁極穿過磁極、線圈到傳感器的末端；然后返回到磁鐵的另一端。當含鐵物體靠近磁極時，磁場將加強，遠離磁極時，磁場將減弱；磁場強弱的突然變化，勢必在線圈中產生感應電壓信號。如果采用與傳感器相匹配的物體作為測量目標，將會產生正弦波信號。測速傳感器將固定在轉速軸的齒輪作為測速目標，傳感器被安裝在離旋轉軸齒輪很近的地方，大約1mm間隙。當測速盤隨主軸旋轉時，各齒輪經過傳感器，磁場的變化使傳感器內部產生感應正弦電壓信號。輸出電壓的大小取決于齒輪以多快的速度經過傳感器、傳感器和齒之間的間隙以及傳感器的結構。典型的齒輪有30~120個齒，均勻地分布在其周邊。輸出頻率和軸的轉速及齒的數目成正比。

    采用此種測速方式，可實現轉速的精確測量，現場操作柱配有轉速表，方便實現現場對機組轉速的控制。

    4.3速關組件

    速關控制裝置是汽輪機保安系統和控制系統的集合。它將原來該系統中單個部套組合在一起。以克服管路繁多、安裝復雜的缺陷，在運行中也避免了監控困難和產生漏油著火的事故，增加了汽輪機運行的可靠性和安全性。

    速關控制裝置能實現汽輪機正常啟動與停機、電動與手動緊急停機、速關閥在線試驗和危急遮斷器自動掛鉤等。為了增加安全性，速關控制裝置還設置了電動緊急停機的冗余系統。

    以上功能分別由基本模塊、冗余模塊、啟動模塊來實現。
    高壓油從“P”進入基本模塊，在基本模塊殼體內分為五路。
    第一路經手動停機閥（2274）進入停機卸荷閥 (2030、2031)，克服彈簧力使閥處于關閉狀態。正常運行時，通向停機卸荷閥的速關油不泄油。
    第二路油經調節油切換閥（2050）變為調節控制油成為電液轉換器供油。
    第三路通向手動閥（1830）轉變為速關油,進入速關閥。
    第四路進入冗余模塊，成為該模塊的電磁閥2227的高壓油源。
    第五路也進入冗余模塊，成為該模塊的電磁閥2225和切換閥2061的高壓油源。

                     

                                                 圖4 油路原理圖

    4.3.1危急遮斷跳閘

    扳動調節系統中危急保安裝置（2210）的手柄或者危急遮斷器跳閘，以及軸向位移達到不允許值時，此時危急保安裝置（2210）進油口被封閉，這時速關油和回油口“T”接通，速關油排放到油箱，速關閥快速關閉。同時，速關控制裝置中調節油切換閥（2050）動作切斷了調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關閉。 

    4.3.2手動緊急停機

    操縱手動停機閥（2274），使控制油與回油接通，卸荷閥（2030）由于控制油壓力下降迅速開啟，這時速關油與回油接通，速關油壓力下降使速關閥迅速關閉。同時，調節油切換閥（2050）動作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥訊速關閉。 

    4.3.3電動緊急停機

    電磁閥（2225）接受信號電源（手動或遠程自動），根據用戶需要，可以設計為常開（NO）狀態或常閉（NC）狀態。
在常開（NO）狀態時，電磁閥不帶電，高壓油經電磁閥通向停機卸荷閥（2030）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關閉狀態。當接通電源信號后，電磁閥動作并切斷通向停機卸荷閥 （2030）的控制油源，這時控制油與回油接通，卸荷閥開啟，速關油泄壓，速關閥迅速關閉。同時，調節油切換閥（2050）動作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關閉。

    在常閉（NC）狀態時，電磁閥帶電，高壓油經電磁閥通向停機卸荷閥（2030）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關閉狀態。當切斷電源信號后，電磁閥動作并切斷通向停機卸荷閥（2030）的控制油源。這時控制油與回油接通。卸荷閥開啟，速關油泄壓，速關閥迅速關閉。同時，調節油切換閥（2050）動作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關閉。

    4.3.4速關閥在線試驗

    速關閥在線試驗閥（1845）是三位閥，平常不工作時閥滑處于中間位置。當旋轉速關閥在線試驗閥（1845）手輪時，試驗油經“H1或H2”接口流向速關閥“H”接口，油壓使試驗活塞產生一個壓力，試驗活塞將推動閥桿活塞——彈簧模塊沿關閉方向移動一個試驗行程，然后反方向旋轉試驗閥（1845）手輪，閥滑恢復到中間位置，試驗活塞的油與回油接通，這時速關閥恢復到正常工作位置。

    速關閥在線試驗時，逆時針旋轉試驗閥手輪使“H1”接口通油檢查一個速關閥，順時針旋轉試驗閥手輪使“H2”通油檢查另一個速關閥。用戶只有一個速關閥時，可選用其中一個接口。

    4.3.5 冗余模塊

    （1）組成
    電磁閥 （2226）
    停機卸荷閥（2040）
    （2）功能
    電動緊急停機
    （3）作用原理
    進入冗余模塊的高壓油是從基本模塊內部供給的。高壓油經電磁閥（2226）進入停機卸荷閥（2040），克服彈簧力使閥處于關閉狀態。在正常運行時，通向停機卸荷閥的速關油不泄油。速關油是由啟動模塊引入的。

    電動緊急停機時，電磁閥（2226）接受信號電源（手動或遠程自動）。根據用戶需要可以設計為常開（NO）狀態或常閉（NC）狀態。

    在常開（NO）狀態時，電磁閥不帶電，高壓油經電磁閥通向停機卸荷閥（2040）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關閉狀態。當接通電源信號后，電磁閥動作切斷通向停機卸荷閥（2040）的控制油源，這時控制油與回油接通，卸荷閥開啟，速關油泄壓，速關閥迅速關閉。同時基本模塊中調節油切換閥（2050）動作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關閉。

    在常閉（NC）狀態時，電磁閥帶電，高壓油經電磁閥通向停機卸荷閥（2040）活塞中，油壓力克服彈簧力使閥處于關閉狀態，當切斷電源信號后，電磁閥動作切斷通向停機卸荷閥（2040）的控制油源，這時控制油與回油接通，卸荷閥開啟，速關油泄壓，速關閥迅速關閉。同時，基本模塊中調節油切換閥（2050）動作切斷調節油源，調節油排放到油箱，使調節汽閥迅速關閉。 

    電液轉換器接收控制系統4~20MA信號，將調節切換閥（2050）的調節油轉換成 0.15~0.45MPa的二次油壓，輸出到錯油門，控制伺服機構，進而控制主汽門開度。

    液壓改造后，機組操作靈活，基本實現了零轉速自動啟機，使壓縮機轉速得到了精確控制，達到了萬分之五的控制精度。

    5 項目執行經驗總結

    對于任何項目，需首先對整個項目控制方案進行分析，評估項目執行風險，制定相應的方案或補救措施，尤其對于液壓改造的項目更應做好評估工作，前期應配合液壓供應商做好前期測繪工作。在整個項目執行階段，做好供應商的供貨質量管理、施工方案審核以及施工過程質量管理等工作，確保項目按計劃實施，認真熟悉原控制系統的控制方案，將原系統的精華及用戶的操作習慣融合到TRICON控制系統中，同時做好用戶儀表工程師及操作人員的技術培訓工作。在項目執行過程中，充分調動用戶技術人員的積極性，積極參與到控制方案制定及組態過程中，使他們在項目實施過程中，逐漸了解TRICON控制系統，為今后的系統維護奠定基礎，使項目順利實施有了可靠保障。