GMR控制系統在新型水煤漿氣化爐中的應用

GMR控制系統在新型水煤漿氣化爐中的應用張基永,等GMR控制系統在新型水煤漿氣化爐中的應用Application of GMR Control System for New Type of Coal Water Slurry Gasi基永吳振衛孔(兗礦國秦化工有限公司,山東藤州27527擴要:安全儀表系統的可靠性和可用度是四噴嘴對置式新型水煤漿氣化爐運行的關(guān)鍵也是煤氣化裝置安全運行的保障。簡(jiǎn)述了四噴嘴對置式新型水煤漿氣化爐工藝,敘述了安全系統的控制要求聯(lián)鎖邏輯系統和實(shí)際工程中的硬件結構和特點(diǎn),并分析了三重化兀余系統中存在的問(wèn)題。該系統的成功運行對其他類(lèi)似系統有推廣借鑒的意義關(guān)鍵詞:新型氣化爐安全儀表系統冗余聯(lián)鎖可靠性中圖分類(lèi)號:TP29文獻標志碼:AAbstract The reliability and availability of the safety instrument system are the critical issue for operating new type of four-nozzle opposed coalwater slurry gasifier; and also the safeguard of operation for chemical engineering equipment. The technological proeess of the four-nozzleposed slurry gasifier is described briefly; the control requirement of the safety system; interlock system; hardware structure and features in spe.cific projeet are expounded. In addition, the existing problems in triple redundant system are analyzed. The satisfactory operating experience isworh to be consulted in other similar systems.Keywords: New type of gasifier Safety instrument system Redundancy Interlock Reliability0引言以CO和H2為主要成分的水蒸氣,飽和的粗合成氣送至下一工序。煤中沒(méi)有燃燒的碳和不可燃燒的灰粉,兗礦國泰化工有限公司建設的煤化工企業(yè),其在高溫下形成熔渣,在激冷室經(jīng)過(guò)激冷水降溫形成固期工程設計產(chǎn)量為甲醇240ka醋酸200kt/a。其中體,落入氣化爐渣斗中,定期排出。甲醇系統煤氣化裝置采用我國自主研發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權的“多噴嘴對置式新型氣化爐”技術(shù)?！靶滦?安全系統控制儀表水煤漿氣化技術(shù)”被科技部列入“十五”期間國家新型水煤漿氣化爐安全系統控制氣化爐的水煤“863”計劃。單臺氣化爐設計處理煤1150vd充礦國漿、氧氣給料以及所屬的氮氣吹掃燒嘴冷卻水、氮氣泰化工有限公司新型水煤漿氣化爐于2005年7月首置換等工藝系統。安全系統工藝中有4條煤漿管線(xiàn)和次開(kāi)車(chē),到目前為止,運行情況穩定。4條氧氣管線(xiàn)。每條煤漿管線(xiàn)上又設置了3個(gè)測量煤新型氣化爐工藝介紹漿流量的儀表、2臺串聯(lián)的氣動(dòng)煤漿截止閥和氣動(dòng)煤漿循環(huán)閥;每條氧氣管線(xiàn)上設置了3臺測量氧氣流量四噴嘴對置式水煤漿氣化爐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新型氣化的儀表2臺串聯(lián)的氣動(dòng)氧氣截止閥、1臺氧氣調節閥爐)采用氣流床反應器,工藝流程為濃度為60%-和1臺氧氣放空閥;每條燒嘴冷卻水管線(xiàn)上設置了265%的水煤漿經(jīng)2個(gè)隔膜泵加壓通過(guò)4個(gè)對稱(chēng)布置臺流量測量?jì)x表1臺溫度測量?jì)x表和1臺壓力測量在氣化爐中上部同一水平的預膜式工藝燒嘴與限量?jì)x表;氣化爐本體上設置了3臺液位測量?jì)x表氣化爐的O2一起噴人氣化爐內;在溫度為1350℃壓力為出口合成氣管線(xiàn)上設置了3臺溫度測量?jì)x表。40MPa的工況下進(jìn)行非催化、煤部分氧化反應,煤在氣化爐內經(jīng)過(guò)顆粒湍流彌散振蕩運動(dòng)對流加熱輻3工藝過(guò)程對控制系統的要求射加熱煤漿蒸發(fā)、顆粒中揮發(fā)物的析出、氣相反應、煤新型水煤漿氣化爐是水煤漿和純氧的反應,溫度焦的多相反應等過(guò)程煤氣經(jīng)過(guò)激冷、除塵洗滌,制成為1350℃、壓力為4.0MPa的工況,反應生成物易燃、易爆,其爆炸分級、分組為ⅡC'Tl。為了保證人身和設二作水,為以2單生子木觀(guān)工大氣自動(dòng)備的安全,氣化爐的工藝決定了安全系統必須具備化專(zhuān)業(yè),勦理工程師;主要從事化工裝重測量?jì)x表及控制系統的管理工作?！翱煽啃浴焙汀翱捎眯浴?。72PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 30 No. 7 July 2009GMR控制系統在新型水煤漿氣化爐中的應用張基永等安全系統的主要功能包括:①自動(dòng)開(kāi)車(chē)即在氣化爐點(diǎn)。GMR系統配置靈活,可以從輸入模塊通過(guò)1~3啟動(dòng)期間整個(gè)氣化爐框架內不允許人員進(jìn)入,開(kāi)車(chē)完全個(gè) PLC CPU處理器到輸出模塊的各種冗余組合。包依靠自動(dòng)控制系統啟動(dòng)氣化爐工作是成對將燒嘴投入括所有的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入表決和輸出表決算運行即先啟動(dòng)一對燒嘴然后再啟動(dòng)另外一對燒嘴啟動(dòng)法輸入和輸出自檢和故障報告機制。氣化爐采用“一鍵式"的方法按下“啟動(dòng)氣化爐”按鈕后GMR三重化冗余系統配置包含了3個(gè)獨立的安全系統的閥門(mén)按照規定的順序進(jìn)行動(dòng)作,直至氣化爐PIC以及運行在每個(gè)單獨系統中的診斷程序。通過(guò)啟動(dòng)成功;②聯(lián)鎖停車(chē)當安全系統的工藝參數超過(guò)安全“三取二”表決提高了系統的可靠性。在三重化配置范圍緊急停車(chē)系統發(fā)出指令停車(chē);③具備SOE和第一事中,每一個(gè)CPU通過(guò) Genius輸入/輸出總線(xiàn)將邏輯狀故鎖定功能,以降低平均修復時(shí)間(MTR)。態(tài)送至輸出子系統; Genius輸出模塊對三重化數據進(jìn)4新型氣化爐安全停車(chē)行表決。其典型的配置如圖2所示引起氣化爐停止運行的聯(lián)鎖條件很多,總體可分為1對燒嘴停止運行以及2對燒嘴停止運行這2種情況安全系統邏輯屬于“故障-安全”模式,即系統出三重化總線(xiàn)現故障(包括測量?jì)x表本身),系統將停止運行,裝置中相關(guān)設備處于安全停車(chē)狀態(tài)三化輸入當安全系統正常運行,邏輯線(xiàn)路檢測端和執行端“帶電”;當在故障情況下,則“失電”,以確保達到“故圖2典型配置圖障-安全”模式大量采用了“三取二”表決邏輯即同一工藝參數GMR識別系統發(fā)生故障后,能自動(dòng)對其進(jìn)行補償,(或氣動(dòng)截止閥狀態(tài))用3臺儀表進(jìn)行測量,若2個(gè)測允許在不中斷系統的情況下對其進(jìn)行維修和更換部量結果超出安全臨界值,將聯(lián)鎖停車(chē)?！叭《北頉Q件。由1個(gè)軟件報警器來(lái)處理故障該報警器記錄了帶邏輯模式從結構上具有容錯能力,提高了聯(lián)鎖系統的有時(shí)間標簽的LO故障和系統故障并生成診斷表可可靠性。三取二邏輯原理如圖1所示以上傳到上位機監視畫(huà)面中,方便維護人員修復故障。5.2三重化系統硬件配置三重化冗余系統由上位機、通信網(wǎng)絡(luò )、PC控制器L藝參數B和輸人/輸出模塊4個(gè)基本單元組成。2臺上位機采用De公司生產(chǎn)的 OPTIDLGX270機型。系統的通信網(wǎng)絡(luò )比較器大于設定值,軸出高電平分為以太網(wǎng)和 Genius Bus這2個(gè)層次以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )交換機采用思科295040交換機。PLC控制器單元采用3個(gè)狀態(tài)90701C697CPM790PIC組成三重化冗余結構,分別安網(wǎng)門(mén)關(guān)狀態(tài)裝在9槽機架IC697CHS790中;網(wǎng)絡(luò )單元包括3個(gè)以太AI: s-20mADCGT網(wǎng)控制模塊IC697CMM7429和9個(gè)IC67BEM73ICem聞門(mén)變送工藝參數Cius Bus控制模塊;輸人/輸出單元配置有12個(gè) VersaMax圖1三取二邏輯原理圖L/OIC200GBK子站,共計有33個(gè)LC200AC264模擬Fig. 1 Principle of the 2 out of 3 logic量輸入模塊及配套的安裝機架C00C0H02223個(gè)32點(diǎn)正邏輯模塊I060BBDO4、8個(gè)32點(diǎn)負邏輯模5三重化冗余系統軟硬件設計塊IC6OBBD025。兗礦國泰化工有限公司一期工程新型氣化爐裝置三重化冗余系統還配置了3個(gè)西門(mén)子24VDC電源安全系統采用了 GE Faun公司開(kāi)發(fā)的三重化冗余控模塊、11個(gè)一分三模擬量信號分配器和近200個(gè)中間繼制系統GMR。電器。3個(gè)用于測量同一工藝參數的模擬4~20mA信51GMR系統的特點(diǎn)號通過(guò)信號分配器分成3路4~20mA,分別送至verGMR系統具有容錯、綜合診斷遠程vO、在線(xiàn)模 saMax 10中的模擬量輸入卡。通過(guò)比較運算組成“三塊修理將故障識別到點(diǎn)級、降低平均修復時(shí)間等特取二”邏輯即3個(gè)4~20mA信號通過(guò)3個(gè)信號分配器自動(dòng)化儀表》第30卷第7期200年7月GMR控制系統在新型水煤漿氣化爐中的應用張基永,等通道,分配成9個(gè)4~20mA信號送至 VersaMax 1o中和用于氣化爐過(guò)程控制的 Honeywell PKs DCs系統進(jìn)的模擬量輸人卡。開(kāi)關(guān)量通過(guò)中間繼電器進(jìn)行信號分行單向數據通信。配,并采用2種測量方法表示切斷閥閥門(mén)狀態(tài)。2個(gè)閥位開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)位各一個(gè))和閥位變送器經(jīng)過(guò)比較運算組6三重化冗余系統中存在的問(wèn)題成“三取二”邏輯。兗礦國泰化工有限公司新型氣化爐安全系統的三開(kāi)關(guān)量輸出模塊采用“H型”冗余輸出模式,其特重化冗余控制系統自投用以來(lái)運行穩定,但也存在不點(diǎn)是釆用1個(gè)負載(中間繼電器線(xiàn)圈)兩端的高低電足之處。在硬件系統中信號分配器是一個(gè)關(guān)鍵的中間平,分配來(lái)自3個(gè) Genius bus上的4個(gè)智能型開(kāi)關(guān)量環(huán)節,在此系統的配置中,信號分配器同時(shí)接收15路Genius模塊2個(gè)源輸出模塊( source blocks)和2個(gè)漏4~20mA信號,并將其分配成45路4~20mA信號。輸出模塊( sink blocks)。2個(gè)源輸出并聯(lián)接在負載的如果信號分配器出現故障,會(huì )影響安全系統的“可用一端2個(gè)漏輸出并聯(lián)接在負載的另一端,4個(gè)智能型性”造成無(wú)謂的經(jīng)濟損失,這是此系統今后必須解決開(kāi)關(guān)量 Genius模塊構架在3路 Genius Bus總線(xiàn)上,1的技術(shù)問(wèn)題。個(gè)源模塊和1個(gè)漏模塊必須處在同一路 Genius bus另外一個(gè)不足之處是,SOE功能不完善。SOE是上,同一總線(xiàn)上的模塊有不同的總線(xiàn)地址?！癏型”冗 CIMPLICITY Machine Edition在梯形圖組態(tài)中調用的余輸出模式實(shí)現3-2-0表決方式vC編制生成的程序,在使用中SOE曾出現不能準確53三重化系統軟件配置記錄事件順序的問(wèn)題,雖然不對安全系統造成危害,但上位機安裝了 GMR Configurator、 GE Fanuc CIMPLIC-影響平均修復時(shí)間和問(wèn)題判斷,這也是此系統必須要ITY Machine Edition和 CIMPLICITY HMI這3個(gè)軟件。解決的問(wèn)題GMR Configurator用來(lái)配置三重化冗余控制系統的控制策略。其對系統硬件規模、各種LO模塊配置、7結束語(yǔ)表決策略等進(jìn)行組態(tài),硬件配置完成并經(jīng)編譯無(wú)誤后,在實(shí)際使用中,兗礦國泰化工有限公司新型水煤將控制策略打印成HTML格式文檔。漿氣化爐三重化冗余控制系統運行穩定,實(shí)現了工藝CIMPLICITY Machine Edition軟件進(jìn)行控制方案裝置的安全、穩定運行。三重化冗余控制系統是冗余、組態(tài)。如CPU、電源、網(wǎng)絡(luò )模塊、 Genius Bus和LO模容錯的邏輯運算器,是安全系統中的一個(gè)組成部分。塊等具體的型號組態(tài),根據 GMR Configurator生成的安全系統的安全可靠性,要求在重視邏輯運算器、傳感HTML格式文檔,組態(tài)各種ⅣO模塊存儲器地址、長(cháng)器和最終執行元件3個(gè)主要硬件配置的同時(shí),也要關(guān)度、濾波時(shí)間等。 CIMPLICITY Machine Edition提供梯注其它如配電器、信號分配器、中間繼電器、電源模塊形圖組態(tài)方式,提供標準的函數庫,支持變量名組態(tài)以等配套設備,摒棄了原先只重視邏輯運算器忽視傳感及髙級語(yǔ)言編程。在本系統中,SOE功能就是調用的器、最終執行元件和其它配件的認識。實(shí)踐表明,只有vC編程生成的可執行程序。依據設計方提供的邏輯安全系統的每個(gè)環(huán)節均可靠,才能構建成一個(gè)具有高圖編制成梯形圖,經(jīng)過(guò)編譯無(wú)誤后,分別下載到3個(gè)“可靠性”、“可用性”的安全系統90-70 PLC CPU中。參考文獻CIMPLICITY HM軟件是三重化冗余控制系統的1趙柱德土古水煤漿加壓氣化爐安全系統儀表設計,石油化人機接口,可以完成監控畫(huà)面如流程圖組態(tài)、實(shí)時(shí)數據工自動(dòng)化,2003(6):11-13(動(dòng)態(tài)點(diǎn))鏈接等功能;啟動(dòng)實(shí)時(shí)監控軟件,為操作人[2]孫銘緒多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)工程設計[]化工設計,員提供操作平臺使用畫(huà)面中設置的軟按鈕完成新型(31齊亞平,鍵生,史建樣多元料裝加壓氣化爐安全系統的應用氣化爐的啟停T作操作人員可以實(shí)時(shí)瀏覽監控畫(huà)面、及分析[〕].自動(dòng)化儀表,2007,28(9):43報警、SOE第一事故鎖定等信息[4]邵建設,安全聯(lián)鎖系統的可靠性及可用性分析[J儀器儀表標安全系統在正常開(kāi)車(chē)情況下處于靜止狀態(tài),不要準化與計量,2002(6):30-34求操作人員進(jìn)行干預僅在新型氣化爐工藝過(guò)程的參5]郭建忠,方群偉,二重化冗余控制系統CMR在主風(fēng)機組中的應數危機安全運行,安全系統才迅速啟動(dòng)停止工藝過(guò)用[J]石油化工自動(dòng)化,20064):45-51程使工藝中的設備處于安全狀態(tài),為方便操作人員在[6]王聰緊急停車(chē)系統在丙烯酸裝置中的應用[當代化工,2007(12):565-567DCS操作界面中監視到如安全系統閥門(mén)狀態(tài)各種歷[7]蔡松郁安全僅表系統的工程設計[],煉油與化工,x07(3史趨勢等相關(guān)信息,三重化冗余系統還通過(guò)OPC技術(shù)74PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 30 No. 7 July 2009