紧急停车系统（ESD）在催化裂化装置中的应用改造

                       -----------中油辽河石化公司仪表车间   陈志强 梁微 单振兴

摘要：以80万t/a催化裂化装置主风机组所采用的ESD（紧急停车）系统为例，介绍了ESD系统的功能特点、软硬件配置以及在连锁控制和防喘振控制等方面的应用。

关键词：轴流式压缩机　汽轮机 紧急停车系统　 联锁控制　　防喘振

Abstract: Take ESD in Main fan unit of 800,000t/a FCCU as an example, the function and characteristics of ESD system, software and hardware configuration, application on interlock control and anti-surge control are introduced.
Keywords: Axial compressor　Emergency shutdown system　Interlock control　Anti-surge

1　引言

　　催化裂化装置是炼油厂原油二次加工环节的重要装置，主风机组是催化裂化装置最关键的设备，主风机组向再生器底部输送空气，使再生器和反应器内的催化剂处于流化循环状态，以满足催化裂化反应的需要。如果主风机组停运，催化裂化反应也将被迫停止，因此主风机组的的运行状况直接影响着整个催化裂化装置的安全稳定运行。

　　主风机组的重要性和操作控制的复杂性决定了必须得采用高可靠性的ESD系统来进行连锁保护控制。ESD（Emergency Shut Down system）即紧急停车系统，是应用于工业过程的一种安全联锁保护系统，能够对生产过程中可能发生的危险或不采取措施将会继续恶化的状态进行迅速地响应和保护。辽河石化公司炼油厂80万t/a催化裂化装置主风机组采用的是美国Triconex公司的TRICON紧急停车系统。

2　ESD系统介绍

　　TRICON ESD是美国Triconex公司开发的一种以微处理器为核心，由高可靠性硬件组成，具有高速处理能力、强大的控制功能以及方便、灵活的组态编程功能的逻辑与过程控制系统。

　　TRICON ESD最显著的特点是硬件实现容错功能（Hardware Implemented Fault Tolerance-HIFT）和三重化模块冗余结构（Triple Modular Redundancy-TMR）。

　　HIFT是指ESD通过硬件电路而不是复杂的软件算法来实现故障的检测和冗余管理功能，与软件实现容错相比，它可减少处理器的工作负荷，而使过程控制功能速度更快，可靠性更高。

　　TMR是指ESD的关键电路均实现了三重化，每个支路都能独立地完成控制功能，并可与其它两个支路并行工作。3个独立支路的输出信号在输出前要经过3取2表决器表决，如果任何一个支路出现故障，表决器会自动屏蔽从故障支路来的信号，而输出经过表决后的正确信号，同时发生故障的模块会被自动检测出来，可以进行在线修理或更换。确保了ESD运行的安全性和可靠性。图1为TRICON ESD 的三重化硬件冗余结构。

    如图1所示，现场传感器的输入信号经过接线端子板进入ESD的输入模块后，分成3个支路，支路彼此之间光电隔离，再通过3条独 立的通信线路I/O Bus分别送到3个主处理器参与控制程序运算。主处理器在TriBus总线上对信号进行传输表决，保证每一个主处理器使用同样的数据进行控制运算。当控制程序执行后，主处理器分别将处理结果输出至输出模块，在输出模块上再对输出信号进行3取2表决，以保证输出信号的准确性。最后，输出信号经过接线端子板输出到现场。

    由于ESD的每个支路之间是完全隔离的，任何一条支路出现故障都不会影响到其它两个支路的工作，拆卸和更换失效支路内的失效模件都可以在在线状态下进行，而不必中断系统运行。这样的硬件结构保证了TRICON ESD具有出色的可靠性和安全性。

3　ESD系统的构成

3.1 硬件构成

　　ESD系统由主机、工程师站/操作站、操作面板以及SOE打印机组成，系统结构如图2所示。

ESD主机即TRICON控制器，包括主处理器卡、输入输出卡、电源卡、通讯卡等。所有卡件安装在主机架和扩展机架中，这些机架同电源单元、辅助仪表及接线端子排集成安装于机柜中。

　　工程师站（操作站）选用DELL公司的工业PC机，机内装有系统组态软件和监控软件，兼具仪表工程组态维护和生产过程监控功能。利用口令登录的方式实现两种操作环境的转换。工程师站配以太网卡，通过基于TCP/IP的标准工业以太网与ESD的通讯卡建立双向数据通讯，用于监控数据和组态数据的上传及下装。

　　操作面板用于工艺操作及状态指示，上面装有连锁信号的投用/切除转换开关，手动操作按钮以及信号状态指示灯，它与ESD主机之间通过硬线连接实现信号传输。

　　SOE（Sequence of Event）事件顺序是指在每次扫描期间，ESD主处理器检查所指定的，被称为事件的离散变量的状态改变，当一个事件发生时，主处理器将变量的当前状态和时间作为SOE记录存储在缓冲区内，SOE记录由打印机输出或转换为SOE•LOG文件存入操作站的硬盘中。SOE记录按变量状态改变时间的先后顺序排列，非常有利于连锁动作后的分析诊断。

3.2　软件配置

　　Triconex公司为每套ESD系统都提供了基于Windows的系统组态软件TriStation 1131，该软件装在工程师站中，用户可以利用它进行系统硬件配置、定义输入/输出点，还可以通过调用各种功能模块进行控制程序组态。用户的组态程序经过编译后再下装到TRICON控制器的主处理器中执行。该软件还具有硬件运行状态监视和仿真功能，可以用来做系统硬件的故障诊断、在线维护以及控制程序的调试和模拟试验

操作站中的监控软件采用的是美国Intellution公司开发的交互式工控软件INTOUCH 9.0。该软件功能丰富，可以进行工艺图表组态，绘制工艺流程图画面、控制回路的调节画面、PID参数整定画面，建立控制组画面、趋势组画面和报警画面等。INTOUCH 9.0还能够与ESD实现通讯，ESD中的数据可以在INTOUCH 9.0的各种画面中显示，操作人员也可以通过INTOUCH 9.0修改ESD中的部分操作参数，以实现对生产过程的监控。

4　ESD系统的应用

　　该ESD系统主要完成以下控制功能：

（1）四机组的启动、自动操作程序控制；
　　（2）四机组的停机联锁保护程序控制；
　　（3）四机组的反喘振控制；
　　（4）润滑油、调节油等辅助系统的自动控制。

以四机组的启动程序为例：

　　下图为主风机组启动逻辑图，该图由INTOUCH 9.0软件绘制并在操作站上显示，直观地表现了四机组启动过程中的每一个主要控制点的状态，操作人员可以据此进行机组启动的操作。下面结合四机组的启动逻辑图，介绍四机组的启动程序。

（1）当机组启动时，首先按下操作台画面上的“存储器复位”按钮，按钮中的指示灯变为绿色，表明存储器已经复位。

（2）操作人员按下操作面板上的“闸阀关闭”按钮后，烟机入口闸阀关闭，调节烟机入口蝶阀使之关闭，调节止回阀使之关闭，调节放空阀打开，润滑油压力达到正常值；程序自动检查各个启动条件是否满足；各启动条件如图3所示，若某一个条件满足，则相应的指示灯变为绿色，所有启动条件满足后，或者手动按“手动启动”，“启动待命” 指示灯变为绿色。

（3）这时操作人员可以按下操作面板上的“电机合闸”按钮，电机启动；当机组实际转速大于额定转速的97%时，“转速>97%NE” 指示灯变为绿色，电气主断路器闭合后，“断路器闭合”指示灯变为绿色，这时，“主电机合闸”指示灯亮，表明主电机启动运行正常；再延时300s后，“自动操作可进行” 指示灯亮。

（4）按下“自动操作”按钮后，“自动操作” 指示灯亮，机组便进入“自动”运行状态，烟机蝶阀投入自动控制，风机出口止回阀打开，风机放空阀由防喘振调节器自动控制，风机静叶伺服控制器投入控制，风机开始向再生器送风。至此，机组的启动过程全部完成。

　　可以看出，在操作站中设立逻辑控制图是ESD应用的一大特点，逻辑控制图的设立方便了生产操作，成为ESD系统监控的重要手段。

4.2 主风机反喘振控制

　　催化裂化装置的主风机组采用烟机-轴流式主风机-电动机/发电机的配置，而喘振是轴流式压缩机的固有特性，因此主风机必须要有防喘振措施。催化主风机的防喘振控制也是通过TRICON　ESD实现的，图4为防喘振控制系统原理图。

TRICON ESD提供专门的防喘振控制模块，用户在TriStation 1131系统软件环境下的控制程序组态中可以利用和调用这些模块，并将主风机进口压力、温度、流量和出口压力、温度等过程变量输入到模块中，在模块中进行喘振计算Δp0=K×Δp C0/T0×f(a)+b

式中　Δp 0——主风机进口流量（进口喉部差压）
　　　　　K——计算常数
　　　Δp C0——主风机进、出口压差
　　　　T0——进口温度
　　　　B——设置反喘振安全裕度设定值
　　　f(a)——静叶角度相对应函数

　　操作站中的INTOUCH 9.0软件可以读取这些数据，并做出喘振线和防喘振调节画面，使操作人员可以直观地监控防喘振调节状态。

　　在主风机的实际运行中，防喘振控制系统可以根据工作点的变化，自动调节防喘振阀的开度，使工作点远离喘振线，当出现异常工况时，系统控制防喘振阀快速打开，避免主风机进入喘振状态，实现防喘振目的。

4.3 机组运行监控

　　TRICON ESD不仅可以完成连锁逻辑控制，还能够提供PID等常规过程控制模块，实现同集散系统（DCS）相同的连续过程控制功能。以往多数ESD、PLC系统很少应用其过程控制功能，其实这也是一种资源浪费，由于ESD运算速度比DCS快，而且可靠性、安全性更高，所以一些重要岗位的过程控制用ESD实现效果会更好。

　　该主风机组所有的连续控制回路以及显示回路均由ESD实现，主要包括：润滑油、动力油压力和温度显示调节回路；烟机轮盘冷却蒸汽温度调节回路；主风机进/出口流量、压力、温度显示回路等。在操作站中的流程图画面上可以显示各参数，通过控制回路的调节棒图、PID参数画面分别调节工艺参数和整定PID参数，趋势组画面和报警画面分别提供了一段时间内工艺参数的趋势记录和实时报警信息等。这些画面可保证操作人员更有效地监控机组的运行。

5　结束语

催化装置主风机组的ESD系统自2006年7月改造并投用以来，运行一直稳定可靠，没有出现由于自身故障影响生产的情况，它所实现的各种控制功能也得到了工艺操作人员的好评，为机组和装置的安全运行提供了可靠的保障，取得了显著的经济效益。

紧急停车系统