GMR控制系統(tǒng)在新型水煤漿氣化爐中的應(yīng)用張基永,等GMR控制系統(tǒng)在新型水煤漿氣化爐中的應(yīng)用Application of GMR Control System for New Type of Coal Water Slurry Gasi基永吳振衛(wèi)孔(兗礦國(guó)秦化工有限公司,山東藤州27527擴(kuò)要:安全儀表系統(tǒng)的可靠性和可用度是四噴嘴對(duì)置式新型水煤漿氣化爐運(yùn)行的關(guān)鍵也是煤氣化裝置安全運(yùn)行的保障。簡(jiǎn)述了四噴嘴對(duì)置式新型水煤漿氣化爐工藝,敘述了安全系統(tǒng)的控制要求聯(lián)鎖邏輯系統(tǒng)和實(shí)際工程中的硬件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),并分析了三重化兀余系統(tǒng)中存在的問題。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行對(duì)其他類似系統(tǒng)有推廣借鑒的意義關(guān)鍵詞:新型氣化爐安全儀表系統(tǒng)冗余聯(lián)鎖可靠性中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)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。煤中沒有燃燒的碳和不可燃燒的灰粉,兗礦國(guó)泰化工有限公司建設(shè)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(shè)計(jì)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(tǒng)煤氣化裝置采用我國(guó)自主研發(fā)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“多噴嘴對(duì)置式新型氣化爐”技術(shù)?！靶滦?安全系統(tǒng)控制儀表水煤漿氣化技術(shù)”被科技部列入“十五”期間國(guó)家新型水煤漿氣化爐安全系統(tǒng)控制氣化爐的水煤“863”計(jì)劃。單臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)處理煤1150vd充礦國(guó)漿、氧氣給料以及所屬的氮?dú)獯祾邿炖鋮s水、氮?dú)馓┗び邢薰拘滦退簼{氣化爐于2005年7月首置換等工藝系統(tǒng)。安全系統(tǒng)工藝中有4條煤漿管線和次開車,到目前為止,運(yùn)行情況穩(wěn)定。4條氧氣管線。每條煤漿管線上又設(shè)置了3個(gè)測(cè)量煤新型氣化爐工藝介紹漿流量的儀表、2臺(tái)串聯(lián)的氣動(dòng)煤漿截止閥和氣動(dòng)煤漿循環(huán)閥;每條氧氣管線上設(shè)置了3臺(tái)測(cè)量氧氣流量四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐(以下簡(jiǎn)稱新型氣化的儀表2臺(tái)串聯(lián)的氣動(dòng)氧氣截止閥、1臺(tái)氧氣調(diào)節(jié)閥爐)采用氣流床反應(yīng)器,工藝流程為濃度為60%-和1臺(tái)氧氣放空閥;每條燒嘴冷卻水管線上設(shè)置了265%的水煤漿經(jīng)2個(gè)隔膜泵加壓通過(guò)4個(gè)對(duì)稱布置臺(tái)流量測(cè)量?jī)x表1臺(tái)溫度測(cè)量?jī)x表和1臺(tái)壓力測(cè)量在氣化爐中上部同一水平的預(yù)膜式工藝燒嘴與限量?jī)x表;氣化爐本體上設(shè)置了3臺(tái)液位測(cè)量?jī)x表氣化爐的O2一起噴人氣化爐內(nèi);在溫度為1350℃壓力為出口合成氣管線上設(shè)置了3臺(tái)溫度測(cè)量?jī)x表。40MPa的工況下進(jìn)行非催化、煤部分氧化反應(yīng),煤在氣化爐內(nèi)經(jīng)過(guò)顆粒湍流彌散振蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)流加熱輻3工藝過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)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(yīng)、煤新型水煤漿氣化爐是水煤漿和純氧的反應(yīng),溫度焦的多相反應(yīng)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(yīng)生成物易燃、易爆,其爆炸分級(jí)、分組為ⅡC'Tl。為了保證人身和設(shè)二作水,為以2單生子木觀工大氣自動(dòng)備的安全,氣化爐的工藝決定了安全系統(tǒng)必須具備化專業(yè),勦理工程師;主要從事化工裝重測(cè)量?jī)x表及控制系統(tǒng)的管理工作?！翱煽啃浴焙汀翱捎眯浴薄?2PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 30 No. 7 July 2009GMR控制系統(tǒng)在新型水煤漿氣化爐中的應(yīng)用張基永等安全系統(tǒng)的主要功能包括:①自動(dòng)開車即在氣化爐點(diǎn)。GMR系統(tǒng)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(nèi)不允許人員進(jìn)入,開車完全個(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(tǒng)啟動(dòng)氣化爐工作是成對(duì)將燒嘴投入括所有的開關(guān)量和模擬量的輸入表決和輸出表決算運(yùn)行即先啟動(dòng)一對(duì)燒嘴然后再啟動(dòng)另外一對(duì)燒嘴啟動(dòng)法輸入和輸出自檢和故障報(bào)告機(jī)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(tǒng)配置包含了3個(gè)獨(dú)立的安全系統(tǒng)的閥門按照規(guī)定的順序進(jìn)行動(dòng)作,直至氣化爐PIC以及運(yùn)行在每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)中的診斷程序。通過(guò)啟動(dòng)成功;②聯(lián)鎖停車當(dāng)安全系統(tǒng)的工藝參數(shù)超過(guò)安全“三取二”表決提高了系統(tǒng)的可靠性。在三重化配置范圍緊急停車系統(tǒng)發(fā)出指令停車;③具備SOE和第一事中,每一個(gè)CPU通過(guò) Genius輸入/輸出總線將邏輯狀故鎖定功能,以降低平均修復(fù)時(shí)間(MTR)。態(tài)送至輸出子系統(tǒng); Genius輸出模塊對(duì)三重化數(shù)據(jù)進(jìn)4新型氣化爐安全停車行表決。其典型的配置如圖2所示引起氣化爐停止運(yùn)行的聯(lián)鎖條件很多,總體可分為1對(duì)燒嘴停止運(yùn)行以及2對(duì)燒嘴停止運(yùn)行這2種情況安全系統(tǒng)邏輯屬于“故障-安全”模式,即系統(tǒng)出三重化總線現(xiàn)故障(包括測(cè)量?jī)x表本身),系統(tǒng)將停止運(yùn)行,裝置中相關(guān)設(shè)備處于安全停車狀態(tài)三化輸入當(dāng)安全系統(tǒng)正常運(yùn)行,邏輯線路檢測(cè)端和執(zhí)行端“帶電”;當(dāng)在故障情況下,則“失電”,以確保達(dá)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(shù)GMR識(shí)別系統(tǒng)發(fā)生故障后,能自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償,(或氣動(dòng)截止閥狀態(tài))用3臺(tái)儀表進(jìn)行測(cè)量,若2個(gè)測(cè)允許在不中斷系統(tǒng)的情況下對(duì)其進(jìn)行維修和更換部量結(jié)果超出安全臨界值,將聯(lián)鎖停車?！叭《北頉Q件。由1個(gè)軟件報(bào)警器來(lái)處理故障該報(bào)警器記錄了帶邏輯模式從結(jié)構(gòu)上具有容錯(cuò)能力,提高了聯(lián)鎖系統(tǒng)的有時(shí)間標(biāo)簽的LO故障和系統(tǒng)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(jī)監(jiān)視畫面中,方便維護(hù)人員修復(fù)故障。5.2三重化系統(tǒng)硬件配置三重化冗余系統(tǒng)由上位機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、PC控制器L藝參數(shù)B和輸人/輸出模塊4個(gè)基本單元組成。2臺(tái)上位機(jī)采用De公司生產(chǎn)的 OPTIDLGX270機(jī)型。系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)比較器大于設(shè)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(jī)采用思科295040交換機(jī)。PLC控制器單元采用3個(gè)狀態(tài)90701C697CPM790PIC組成三重化冗余結(jié)構(gòu),分別安網(wǎng)門關(guān)狀態(tài)裝在9槽機(jī)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聞門變送工藝參數(shù)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(jì)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(jī)架C00C0H02223個(gè)32點(diǎn)正邏輯模塊I060BBDO4、8個(gè)32點(diǎn)負(fù)邏輯模5三重化冗余系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)塊IC6OBBD025。兗礦國(guó)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(tǒng)還配置了3個(gè)西門子24VDC電源安全系統(tǒng)采用了 GE Faun公司開發(fā)的三重化冗余控模塊、11個(gè)一分三模擬量信號(hào)分配器和近200個(gè)中間繼制系統(tǒng)GMR。電器。3個(gè)用于測(cè)量同一工藝參數(shù)的模擬4~20mA信51GMR系統(tǒng)的特點(diǎn)號(hào)通過(guò)信號(hào)分配器分成3路4~20mA,分別送至verGMR系統(tǒng)具有容錯(cuò)、綜合診斷遠(yuǎn)程vO、在線模 saMax 10中的模擬量輸入卡。通過(guò)比較運(yùn)算組成“三塊修理將故障識(shí)別到點(diǎn)級(jí)、降低平均修復(fù)時(shí)間等特取二”邏輯即3個(gè)4~20mA信號(hào)通過(guò)3個(gè)信號(hào)分配器自動(dòng)化儀表》第30卷第7期200年7月GMR控制系統(tǒng)在新型水煤漿氣化爐中的應(yīng)用張基永,等通道,分配成9個(gè)4~20mA信號(hào)送至 VersaMax 1o中和用于氣化爐過(guò)程控制的 Honeywell PKs DCs系統(tǒng)進(jìn)的模擬量輸人卡。開關(guān)量通過(guò)中間繼電器進(jìn)行信號(hào)分行單向數(shù)據(jù)通信。配,并采用2種測(cè)量方法表示切斷閥閥門狀態(tài)。2個(gè)閥位開關(guān)(開關(guān)位各一個(gè))和閥位變送器經(jīng)過(guò)比較運(yùn)算組6三重化冗余系統(tǒng)中存在的問題成“三取二”邏輯。兗礦國(guó)泰化工有限公司新型氣化爐安全系統(tǒng)的三開關(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(tǒng)自投用以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定,但也存在不點(diǎn)是釆用1個(gè)負(fù)載(中間繼電器線圈)兩端的高低電足之處。在硬件系統(tǒng)中信號(hào)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)智能型開關(guān)量環(huán)節(jié),在此系統(tǒng)的配置中,信號(hào)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(hào),并將其分配成45路4~20mA信號(hào)。輸出模塊( sink blocks)。2個(gè)源輸出并聯(lián)接在負(fù)載的如果信號(hào)分配器出現(xiàn)故障,會(huì)影響安全系統(tǒng)的“可用一端2個(gè)漏輸出并聯(lián)接在負(fù)載的另一端,4個(gè)智能型性”造成無(wú)謂的經(jīng)濟(jì)損失,這是此系統(tǒng)今后必須解決開關(guān)量 Genius模塊構(gòu)架在3路 Genius Bus總線上,1的技術(shù)問題。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,同一總線上的模塊有不同的總線地址?！癏型”冗 CIMPLICITY Machine Edition在梯形圖組態(tài)中調(diào)用的余輸出模式實(shí)現(xiàn)3-2-0表決方式vC編制生成的程序,在使用中SOE曾出現(xiàn)不能準(zhǔn)確53三重化系統(tǒng)軟件配置記錄事件順序的問題,雖然不對(duì)安全系統(tǒng)造成危害,但上位機(jī)安裝了 GMR Configurator、 GE Fanuc CIMPLIC-影響平均修復(fù)時(shí)間和問題判斷,這也是此系統(tǒng)必須要ITY Machine Edition和 CIMPLICITY HMI這3個(gè)軟件。解決的問題GMR Configurator用來(lái)配置三重化冗余控制系統(tǒng)的控制策略。其對(duì)系統(tǒng)硬件規(guī)模、各種LO模塊配置、7結(jié)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(guó)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(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了工藝CIMPLICITY Machine Edition軟件進(jìn)行控制方案裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。三重化冗余控制系統(tǒng)是冗余、組態(tài)。如CPU、電源、網(wǎng)絡(luò)模塊、 Genius Bus和LO模容錯(cuò)的邏輯運(yùn)算器,是安全系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。塊等具體的型號(hào)組態(tài),根據(jù) GMR Configurator生成的安全系統(tǒng)的安全可靠性,要求在重視邏輯運(yùn)算器、傳感HTML格式文檔,組態(tài)各種ⅣO模塊存儲(chǔ)器地址、長(zhǎng)器和最終執(zhí)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(hào)分配器、中間繼電器、電源模塊形圖組態(tài)方式,提供標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)庫(kù),支持變量名組態(tài)以等配套設(shè)備,摒棄了原先只重視邏輯運(yùn)算器忽視傳感及髙級(jí)語(yǔ)言編程。在本系統(tǒng)中,SOE功能就是調(diào)用的器、最終執(zhí)行元件和其它配件的認(rèn)識(shí)。實(shí)踐表明,只有vC編程生成的可執(zhí)行程序。依據(jù)設(shè)計(jì)方提供的邏輯安全系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)均可靠,才能構(gòu)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(tǒng)90-70 PLC CPU中。參考文獻(xiàn)CIMPLICITY HM軟件是三重化冗余控制系統(tǒng)的1趙柱德土古水煤漿加壓氣化爐安全系統(tǒng)儀表設(shè)計(jì),石油化人機(jī)接口,可以完成監(jiān)控畫面如流程圖組態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(jiān)控軟件,為操作人[2]孫銘緒多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)工程設(shè)計(jì)[]化工設(shè)計(jì),員提供操作平臺(tái)使用畫面中設(shè)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(tǒng)的應(yīng)用氣化爐的啟停T作操作人員可以實(shí)時(shí)瀏覽監(jiān)控畫面、及分析[〕].自動(dòng)化儀表,2007,28(9):43報(bào)警、SOE第一事故鎖定等信息[4]邵建設(shè),安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性及可用性分析[J儀器儀表標(biāo)安全系統(tǒng)在正常開車情況下處于靜止?fàn)顟B(tài),不要準(zhǔn)化與計(jì)量,2002(6):30-34求操作人員進(jìn)行干預(yù)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(tǒng)CMR在主風(fēng)機(jī)組中的應(yīng)數(shù)危機(jī)安全運(yùn)行,安全系統(tǒng)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(shè)備處于安全狀態(tài),為方便操作人員在[6]王聰緊急停車系統(tǒng)在丙烯酸裝置中的應(yīng)用[當(dāng)代化工,2007(12):565-567DCS操作界面中監(jiān)視到如安全系統(tǒng)閥門狀態(tài)各種歷[7]蔡松郁安全僅表系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)[],煉油與化工,x07(3史趨勢(shì)等相關(guān)信息,三重化冗余系統(tǒng)還通過(guò)OPC技術(shù)74PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 30 No. 7 July 2009