ESD系统在催化装置的应用及改进.docx

ES D 系统在催化装置的应用及改进刘峰( 中油国际( 阿尔及利亚) 公司, 北京 1 0 0 0 1 1 )摘要: SORALCHIN 炼油厂 ESD 系统TS3000 完成装置和机组工艺参数的监控、联锁保护和机组的防喘振控制, 该系统为三重冗余容错系统( TMR) , 这种三取二表决系统为催化 装置和机组运行提供完善的控制和联锁保护。同时针对系统出现的问题, 如系统死机、24V DC 电源、主风低流量信号切除等问题提出了规避措施和改进方案。 关键词: 紧急停车系统; 三重冗余容错; 联锁中图分类号: TP273文献标志码: BApplication and Impr ovement of ESD System for FCCULIU Feng( CNPC International( ALGERIA) LTD., Beijing 100011, China)Abstr act : The ESD system of SORALCHIN Refinery- TS3000 fulfilled the supervisory, control and interlock protection of process parameters and anti - surge control of air compressor. The system is triple - modular redundant ( TMR) and fault tolerant. The 2 out of 3 voting system provides FCCU and compressors with proper control and interlock pro- tection. At the same time, about the problems of this system, such as system halt, 24V DC power supply and the override of main blow flow low and so on, the improvement suggestion and prevention measurement is presented.Key wor ds: emergency shut down ( ESD) system; triple- modular redundant and fault tolerant( TMR and FT) ; interlockSORALCHIN 炼油厂是中国石油与阿尔及利亚国家石油公司共同兴建的炼油厂, 位于阿尔及利亚 西南部 ADRAR 省, SAHALA 大沙漠腹地。SORALCHIN 炼油厂主要工程设施包括厂内设 施装置区、储罐区、辅助生产设施及生活区等与厂外设施氧化塘、喷洒处理设施、取水设施等。 其中装置区包括常压气分联合装置、催化重整装置、 催化裂化装置及中心控制室, 储罐区包括各种油品 罐区泵棚、装车系统等, 辅助生产设施及公用设施包 含消防站、消防及给水加压泵站、维修站、化学药剂配置设施、自备电站、空分空压站、循环水厂和全厂性仓库及堆场。SORALCHIN 炼油厂主要产品有汽油、柴油、航 煤和液态烃( C3、C4) 等。根据本项目 EPC 合同总体要求和 API、IEC 等国际标准, SORALCHIN 炼油厂催化裂化装置、主风机 组、汽压机自保联锁和催化重整装置、氢压机、炉自保 联锁, 以及常压炉、天然气调压站保护均采用 TRI- CONEX 公 司 的 三 重 化 冗 余 容 错 TS3000 紧 急 停 车 ( ESD) 系统, 完成装置和机组工艺参数的监控、联锁收稿日期: 2005- 11- 29; 修订日期: 2006- 08- 06作者简介: 刘峰( 1972- ) , 主任工程师, 曾任抚顺石化石油二厂仪表车间主任, 现任 SORALCHIN 炼油厂仪表专业技术主管。AutoAutoInputI/OOutput LegMain Leg Tri Proces sorTriInputMainI/OOutput VoLegProcessorLegn n o o t i i tt tu au a Tri Main p n p n t i n i I/O Processor u mi mInputOutputO r reeTLegLegT创意与实践保护和机组的防喘振控制。下面结合催化主风机组保护介绍该 ESD 系统的特点和应用中出现的问题。2控制系统原理ESD 控制系统选用 TS3000 系统,该系统硬件自保控制流程流化催化裂化工艺是重质油清质化的一个主要 炼油工艺, 主风机组是催化裂化装置的心脏设备, 必 须连续运转, 向再生器底部供风, 完成催化剂的烧 焦, 并使催化剂处于流化状态, 保持反/再系统的压 力平衡和催化剂的正常循环, 从而使催化裂化反应 连续进行。这也是催化裂化装置正常安全生产的必 要前提, 该设备停止运转, 催化裂化装置也就停止生 产。同时, 由于主风机组直接与装置反/再部分相连, 一旦发生风机喘振、催化剂倒流不仅影响全装置的 生产, 甚至会造成风机等主要设备损坏的恶性事故。 因此, 良好的、反应灵敏的紧急停车系统( ESD) 是必 须的。本次催化装置所涉及的机组类型主要包括主风 机组、增压机以及富气压缩机, 另外还包括装置所涉 及的联锁自保控制。厂催化裂化主风机组采用汽轮 机驱动离心式主风机组, 主、备机各一台, 由压缩机、 汽轮机及润滑油站等设备组成。机组的自保控制流 程图如图 1 所示1。自保联锁的项目包括润滑油压 过低、汽轮机超速、轴位移过大、轴承温度过高、轴振 动过高、WOODWARD505 停机等。1核心是 TRICON 的基于三重模件冗余容错( TMR) 结构的控制器, 即输入输出信号、CPU、内部总线、I/O 扩展总线等全部三重冗余, 运行单一程序的容错控 制系统。TRICON 系统有三个主处理器, 每一个主处 理器的 CPU32 位、50MHZ, 16M RAM, 工作方式为3 - 2 - 1 - 0。 其 32 位 浮 点 协 处 理 器 的 使 用 得 到 了 TUV 6 级的安全认证。系统中所有的 I/O 信号都要 经过硬件的三取二表决, 如图 2 所示2。这种三取二 表决系统为装置、机组运行提供完善的控制和保护。图 2 TS 3000 系统的三重化结构Fig.2 TMR a rchite cture of TS 3000 s ys te m数字量输入信号在 DI 模件中被分成隔离的三路, 通过三个独立的通道分别被送到 三个主处理器中进行三取二表决; 经纠正任 何偏差后的数据通过三条 I/O 总线 被 送 到 DO 模件, 并在 DO 模件通过获得专利的“方 形表决电路”硬件进行再次表决, DI、DO 模 件均采用与现场光电隔离方式。同样模拟量 输入信号在 AI 模件中被分成隔离的三路, 通过 AI 模块上每一个分电路的模数转换器 把模拟量转换成 12 位的数字量, 用 32 位的 协处理器进行处理, 精度高达 0.15%。每个主 处理器采用选取中间值的算法读取正确值, 并纠正任何分电路中的偏差, 主处理器输出 的模拟量信号在 AO 模块中的模拟输出选择 器中进行选择, 以确保输出信号的准确。TRICONEX 的 机 组 综 合 控 制 系 统( ITCC) TS3000 具有下述优点2:* 主处理器和 I/O 卡件及 I/O 卡件上的图 1 自保控制流程图Fig.1 Auto- prote ction control flow cha rt79自动化与仪表 2006(5)MAIN CHASSIS 8110SUEICM RS485 CABLEBEICM RS485 CABLE T0 DCS O/ITRICONEX SYSTEMDELOCAL REDUNDANCYTACOMMUNICATIONCNETWORKLP IRTEXP.CHASSIS 1# 8111ENGINEERENGINEER STATIONSTATION创意与实践光隔器完全三重化, 系统综合控制, 安全达到 TUVAK6/IEC SIL- 3;* 独特的 I/O 逻辑槽位设计 ( 提供工作和备用 两个槽位) , 保障主处理器卡件、故障卡件全部在线 更换;* 32 位芯片保证了系统的快速运行, 浮点协处 理器经过 TUV 六级认证;EMP3008, 32 位微处理器, 16M RAM 三重冗余的控制器, 增强型通讯模块采用 EICM4119, 提供 4 路 RS232/485 接口, 用于连接第三方设备, 如编程器、 DCS 等。通讯一般采用 Modbus RTU 方式, 网络通讯 模块 NCM4329, 最高通讯速率达到 10Mbps。电源为 双冗余结构, 互为备用。本系统 I/O 容量为 392 点。*高度的系统诊断覆盖率, 诊断功能皆为系统内置, 不需编写应用程序, 系统维护和故障诊断非常方便;* 所有模拟卡件( AI, AO, PI) 精确度高, 并可以 定期自动校验;* 按照 IEC 1131- 3 标准设计的基于 WinNT 的 编程软件使用方便, 并提供离线模拟测试, 应用软件 的在线修改通过 TUV 六级认证; 良好的人机界面将 显示动态工作点、流程图、报警指示等内容, 并将为 操作人员提供更便利、准确的操作条件;* 系统的执行时间小于 50ms, 可保证防喘振的 快速响应, 成熟而独特的防喘振控制软件包将为用 户提供最佳的工作性能, 同时毫秒级的 SOE 功能将 帮助用户分析故障及事件原因;* 系统不会因单点的故障而导致系统失效, 系 统的可靠性和可用率都非常高( 99.999%) , 有效保 证机组长周期运行时间;* 灵活可变的规模将为系统的扩建提供极大便 利并有效降低扩建成本。TS3000 改变了以往那种多控制器并行运行的 方式, 即对于一台透平机组就有透平调速控制器、 防喘振控制器、性能控制器、负荷分配控制器等多 台控制器各自控制相对应的对象, 这些控制器彼此 之间只能以外部通讯的方式建立联系, 而通讯方式 的传输速率较慢, 可靠性较差。TS3000 将以上所有 的控制功能集成一起, 控制相互之间非常容易协 调, 这样可使透平机组的运行效率提高、连续运行 时间周期加长、节约企业能源的消耗( 包括水、油及 蒸汽) 、提高产品的产量、减少维护的费用, 全面增 加企业的效益。图 3 TS 3000 系统配置图Fig.2 Configura tion of TS 3000 s ys te m操 作 站 采 用 DELL P4 2.4GHz, 80G 硬 盘 , 22CRT 显示器, 运行平台为 Windows 2000 英文版, 操 作界面软件为 Wonderware Introuch V8.0, 用于组态 人机操作接口画面, 该软件通过高速网络及通讯卡 与下层控制器保持通讯, 确保数据的及时刷新, 实现 机组运行过程的监控和操作、记录过程报警、报警查 询、历史趋势查询与显示、定时报表打印、自保强制 与旁路、报警限修改、数据备份等功能, 并能够直观 动态地显示当前压缩机的工作点, 从而更好地实现 操作人员监控和操作。控制组态软件采用 TriSta- tion 1131 V3.1, 提供强大的编程工具和丰富的功能 函数库, 采用功能块图的组态功能实现主风机组的 联锁逻辑控制、防喘振控制等功能。操作站与控制系 统的通讯采用 TCP/IP 协议实现。控制系统配置催化装置 TS3000 控制系统配置了一个控制站, 一台操作站, 一台工程师站。如图 3 所示。控制站包 括 一 个 主 机 架 和 一 个 扩 展 机 架 , CPU 模 块 采 用3存在问题及改进措施1) TS3000 系统是基于 Windows 2000 为平台, 死机是在所难免的。根据使用 Wonderware Intouch 和 Windows 系统的经验, 采取了一些措施来避免死480Automation & Instrumentation 2006(5)创意与实践机的发生: 对于系统以外的接口, 尤其是操作站与控制系统的通讯采用 IEEE802.3 协议、最高速率达10Mbps 的 NCM 4329 网络通讯模块完成, 而不采用 TRICONEX 公 司 以 往 采 用 的 方 案 ; 使 用 Modbus RTU 通讯的 EICM4119 完成控制系统与操作站之间 的通讯( 最高速率 19.2Kbps) , 这样一来就有效地避 免了通讯数据量大时产生通信线路拥堵而造成死 机; 在组态编程时, 尽量 不 用 Windows Active X 控件或系统内“宏”定义完成, 虽然这样有时可以简 化组态、节省时间, 但使用不当, 会造成调用冲突或 紊乱, 也是造成系统死机的根源。2) 在系统供电方面, 220 V AC 和 24 V DC 系 统供电均为冗余配置。为防止现场信号误接地影响 到电源, 在所有 DI、DO、AI、AO 信号回路的接线端 子上均加有熔断器, 与电气相关联的信号采用外部 继电器隔离, 防止干扰和强电窜入系统。其中, 两台24 V DC 电源并联输出供给控制系统 24 V 电源母 线。以往曾经出现并联 24 V DC 电源瞬间失电, 使 联锁继电器因失电而动作, 发出联锁信号, 造成机组 停机。这是因为两台冗余 24 V DC 电源的输出并联 时, 没有加单向导通二极管, 造成其中输出电压高的1 台电源始终在工作, 而输出电压低的 1 台其实没 有工作。因此, 当有一台电源因故障或掉电而发生故 障时, 另 1 台电源需要经过一个短暂的切换时间才 能投用, 从而影响到机组的控制和联锁3。采取的措施是要求厂家在配置 24 V DC 电源 时, 充分考虑到输出单向导通二极管的必要性, 在电 源内部或外部输出线路上加单向导通二极管, 保证 并联的 24V DC 电源切换的无扰动。经过现场反复 试验, 现有 24 V DC 电源能够保证安全切换, 有效 地防止了 24 V DC 电源切换故障的隐患。3) 两器主风低流量去联锁主风机时应加有切除 开关。由于风机在启动时, 两器内没有风, 此时该信 号会锁住风机出口的反喘振阀、止回阀, 程序无法向 下运行。4) 在系统组态调试时发现两器主风低流量联锁 信号输出时, 会对两台机组同时联锁, 使它们都进入 安保运行, 这是不合理的。因为对另一台备用机组发 出安保指令( 可能未在运) , 强制执行打开反喘振阀、 关闭止回阀。但如果需要启动备机时, 则此时无法启动备机, 应该只影响正在运行的那一台机组。5) 测量过程中坏值输出( Bad Value) 与高低限 输出问题: 原方案中坏值会导致测量信号低限、低低 限、高限、高高限报警及联锁信号输出。测量中出现 坏值的原因很多, 可能是测量信号丢失、工艺参数大 幅度超限、电磁干扰或输入卡件通道出现故障等, 导 致出现瞬间尖峰电流输出。如果直接将测量信号低 低限、高高限输出, 会造成由于误动作而导致装置停 车。因此, 对程序重新修改和调试, 使之完成的功能 改为: 对于测量系统中出现坏值( Bad Value) 时, 系 统将保持现值, 并发出报警, 由专业技术人员分析原 因, 根据具体情况及时处理。6) 除机组润滑油压力低低联锁采用三取二表 决, 对于