GMR控制系统在新型水煤浆气化炉中的应用

GMR控制系统在新型水煤浆气化炉中的应用张基永,等GMR控制系统在新型水煤浆气化炉中的应用Application of GMR Control System for New Type of Coal Water Slurry Gasi基永吴振卫孔(兖矿国秦化工有限公司,山东藤州27527擴要:安全仪表系统的可靠性和可用度是四喷嘴对置式新型水煤浆气化炉运行的关键也是煤气化装置安全运行的保障。简述了四喷嘴对置式新型水煤浆气化炉工艺,叙述了安全系统的控制要求联锁逻辑系统和实际工程中的硬件结构和特点,并分析了三重化兀余系统中存在的问题。该系统的成功运行对其他类似系统有推广借鉴的意义关键词:新型气化炉安全仪表系统冗余联锁可靠性中图分类号:TP29文献标志码: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为主要成分的水蒸气,饱和的粗合成气送至下一工序。煤中没有燃烧的碳和不可燃烧的灰粉,兖矿国泰化工有限公司建设的煤化工企业,其在高温下形成熔渣,在激冷室经过激冷水降温形成固期工程设计产量为甲醇240ka醋酸200kt/a。其中体,落入气化炉渣斗中,定期排出。甲醇系统煤气化装置采用我国自主研发的、具有自主知识产权的“多喷嘴对置式新型气化炉”技术。“新型2安全系统控制仪表水煤浆气化技术”被科技部列入“十五”期间国家新型水煤浆气化炉安全系统控制气化炉的水煤“863”计划。单台气化炉设计处理煤1150vd充矿国浆、氧气给料以及所属的氮气吹扫烧嘴冷却水、氮气泰化工有限公司新型水煤浆气化炉于2005年7月首置换等工艺系统。安全系统工艺中有4条煤浆管线和次开车,到目前为止,运行情况稳定。4条氧气管线。每条煤浆管线上又设置了3个测量煤新型气化炉工艺介绍浆流量的仪表、2台串联的气动煤浆截止阀和气动煤浆循环阀;每条氧气管线上设置了3台测量氧气流量四喷嘴对置式水煤浆气化炉(以下简称新型气化的仪表2台串联的气动氧气截止阀、1台氧气调节阀炉)采用气流床反应器,工艺流程为浓度为60%-和1台氧气放空阀;每条烧嘴冷却水管线上设置了265%的水煤浆经2个隔膜泵加压通过4个对称布置台流量测量仪表1台温度测量仪表和1台压力测量在气化炉中上部同一水平的预膜式工艺烧嘴与限量仪表;气化炉本体上设置了3台液位测量仪表气化炉的O2一起喷人气化炉内;在温度为1350℃压力为出口合成气管线上设置了3台温度测量仪表。40MPa的工况下进行非催化、煤部分氧化反应,煤在气化炉内经过颗粒湍流弥散振荡运动对流加热辐3工艺过程对控制系统的要求射加热煤浆蒸发、颗粒中挥发物的析出、气相反应、煤新型水煤浆气化炉是水煤浆和纯氧的反应,温度焦的多相反应等过程煤气经过激冷、除尘洗涤,制成为1350℃、压力为4.0MPa的工况,反应生成物易燃、易爆,其爆炸分级、分组为ⅡC'Tl。为了保证人身和设二作水,为以2单生子木观工大气自动备的安全,气化炉的工艺决定了安全系统必须具备化专业,勦理工程师;主要从事化工装重测量仪表及控制系統的管理工作。“可靠性”和“可用性”。72PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 30 No. 7 July 2009GMR控制系统在新型水煤浆气化炉中的应用张基永等安全系统的主要功能包括:①自动开车即在气化炉点。GMR系统配置灵活,可以从输入模块通过1~3启动期间整个气化炉框架内不允许人员进入,开车完全个 PLC CPU处理器到输出模块的各种冗余组合。包依靠自动控制系统启动气化炉工作是成对将烧嘴投入括所有的开关量和模拟量的输入表决和输出表决算运行即先启动一对烧嘴然后再启动另外一对烧嘴启动法输入和输出自检和故障报告机制。气化炉采用“一键式"的方法按下“启动气化炉”按钮后GMR三重化冗余系统配置包含了3个独立的安全系统的阀门按照规定的顺序进行动作,直至气化炉PIC以及运行在每个单独系统中的诊断程序。通过启动成功;②联锁停车当安全系统的工艺参数超过安全“三取二”表决提高了系统的可靠性。在三重化配置范围紧急停车系统发出指令停车;③具备SOE和第一事中,每一个CPU通过 Genius输入/输出总线将逻辑状故锁定功能,以降低平均修复时间(MTR)。态送至输出子系统; Genius输出模块对三重化数据进4新型气化炉安全停车行表决。其典型的配置如图2所示引起气化炉停止运行的联锁条件很多,总体可分为1对烧嘴停止运行以及2对烧嘴停止运行这2种情况安全系统逻辑属于“故障-安全”模式,即系统出三重化总线现故障(包括测量仪表本身),系统将停止运行,装置中相关设备处于安全停车状态三化输入当安全系统正常运行,逻辑线路检测端和执行端“带电”;当在故障情况下,则“失电”,以确保达到“故图2典型配置图障-安全”模式大量采用了“三取二”表决逻辑即同一工艺参数GMR识别系统发生故障后,能自动对其进行补偿,(或气动截止阀状态)用3台仪表进行测量,若2个测允许在不中断系统的情况下对其进行维修和更换部量结果超出安全临界值,将联锁停车。“三取二”表决件。由1个软件报警器来处理故障该报警器记录了带逻辑模式从结构上具有容错能力,提高了联锁系统的有时间标签的LO故障和系统故障并生成诊断表可可靠性。三取二逻辑原理如图1所示以上传到上位机监视画面中,方便维护人员修复故障。5.2三重化系统硬件配置三重化冗余系统由上位机、通信网络、PC控制器L艺参数B和输人/输出模块4个基本单元组成。2台上位机采用De公司生产的 OPTIDLGX270机型。系统的通信网络比较器大于设定值,轴出高电平分为以太网和 Genius Bus这2个层次以太网网络交换机采用思科295040交换机。PLC控制器单元采用3个状态90701C697CPM790PIC组成三重化冗余结构,分别安网门关状态装在9槽机架IC697CHS790中;网络单元包括3个以太AI: s-20mADCGT网控制模块IC697CMM7429和9个IC67BEM73ICem闻门变送工艺参数Cius Bus控制模块;输人/输出单元配置有12个 VersaMax图1三取二逻辑原理图L/OIC200GBK子站,共计有33个LC200AC264模拟Fig. 1 Principle of the 2 out of 3 logic量输入模块及配套的安装机架C00C0H02223个32点正逻辑模块I060BBDO4、8个32点负逻辑模5三重化冗余系统软硬件设计块IC6OBBD025。兖矿国泰化工有限公司一期工程新型气化炉装置三重化冗余系统还配置了3个西门子24VDC电源安全系统采用了 GE Faun公司开发的三重化冗余控模块、11个一分三模拟量信号分配器和近200个中间继制系统GMR。电器。3个用于测量同一工艺参数的模拟4~20mA信51GMR系统的特点号通过信号分配器分成3路4~20mA,分别送至verGMR系统具有容错、综合诊断远程vO、在线模 saMax 10中的模拟量输入卡。通过比较运算组成“三块修理将故障识别到点级、降低平均修复时间等特取二”逻辑即3个4~20mA信号通过3个信号分配器自动化仪表》第30卷第7期200年7月GMR控制系统在新型水煤浆气化炉中的应用张基永,等通道,分配成9个4~20mA信号送至 VersaMax 1o中和用于气化炉过程控制的 Honeywell PKs DCs系统进的模拟量输人卡。开关量通过中间继电器进行信号分行单向数据通信。配,并采用2种测量方法表示切断阀阀门状态。2个阀位开关(开关位各一个)和阀位变送器经过比较运算组6三重化冗余系统中存在的问题成“三取二”逻辑。兖矿国泰化工有限公司新型气化炉安全系统的三开关量输出模块采用“H型”冗余输出模式,其特重化冗余控制系统自投用以来运行稳定,但也存在不点是釆用1个负载(中间继电器线圈)两端的高低电足之处。在硬件系统中信号分配器是一个关键的中间平,分配来自3个 Genius bus上的4个智能型开关量环节,在此系统的配置中,信号分配器同时接收15路Genius模块2个源输出模块( source blocks)和2个漏4~20mA信号,并将其分配成45路4~20mA信号。输出模块( sink blocks)。2个源输出并联接在负载的如果信号分配器出现故障,会影响安全系统的“可用一端2个漏输出并联接在负载的另一端,4个智能型性”造成无谓的经济损失,这是此系统今后必须解决开关量 Genius模块构架在3路 Genius Bus总线上,1的技术问题。个源模块和1个漏模块必须处在同一路 Genius bus另外一个不足之处是,SOE功能不完善。SOE是上,同一总线上的模块有不同的总线地址。“H型”冗 CIMPLICITY Machine Edition在梯形图组态中调用的余输出模式实现3-2-0表决方式vC编制生成的程序,在使用中SOE曾出现不能准确53三重化系统软件配置记录事件顺序的问题,虽然不对安全系统造成危害,但上位机安装了 GMR Configurator、 GE Fanuc CIMPLIC-影响平均修复时间和问题判断,这也是此系统必须要ITY Machine Edition和 CIMPLICITY HMI这3个软件。解决的问题GMR Configurator用来配置三重化冗余控制系统的控制策略。其对系统硬件规模、各种LO模块配置、7结束语表决策略等进行组态,硬件配置完成并经编译无误后,在实际使用中,兖矿国泰化工有限公司新型水煤将控制策略打印成HTML格式文档。浆气化炉三重化冗余控制系统运行稳定,实现了工艺CIMPLICITY Machine Edition软件进行控制方案装置的安全、稳定运行。三重化冗余控制系统是冗余、组态。如CPU、电源、网络模块、 Genius Bus和LO模容错的逻辑运算器,是安全系统中的一个组成部分。块等具体的型号组态,根据 GMR Configurator生成的安全系统的安全可靠性,要求在重视逻辑运算器、传感HTML格式文档,组态各种ⅣO模块存储器地址、长器和最终执行元件3个主要硬件配置的同时,也要关度、滤波时间等。 CIMPLICITY Machine Edition提供梯注其它如配电器、信号分配器、中间继电器、电源模块形图组态方式,提供标准的函数库,支持变量名组态以等配套设备,摒弃了原先只重视逻辑运算器忽视传感及髙级语言编程。在本系统中,SOE功能就是调用的器、最终执行元件和其它配件的认识。实践表明,只有vC编程生成的可执行程序。依据设计方提供的逻辑安全系统的每个环节均可靠,才能构建成一个具有高图编制成梯形图,经过编译无误后,分别下载到3个“可靠性”、“可用性”的安全系统90-70 PLC CPU中。参考文献CIMPLICITY HM软件是三重化冗余控制系统的1赵柱德土古水煤浆加压气化炉安全系统仪表设计,石油化人机接口,可以完成监控画面如流程图组态、实时数据工自动化,2003(6):11-13(动态点)链接等功能;启动实时监控软件,为操作人[2]孙铭绪多喷嘴对置式水煤浆气化技术工程设计[]化工设计,员提供操作平台使用画面中设置的软按钮完成新型(31齐亚平,键生,史建样多元料装加压气化炉安全系统的应用气化炉的启停T作操作人员可以实时浏览监控画面、及分析[〕].自动化仪表,2007,28(9):43报警、SOE第一事故锁定等信息[4]邵建设,安全联锁系统的可靠性及可用性分析[J仪器仪表标安全系统在正常开车情况下处于静止状态,不要准化与计量,2002(6):30-34求操作人员进行干预仅在新型气化炉工艺过程的参5]郭建忠,方群伟,二重化冗余控制系统CMR在主风机组中的应数危机安全运行,安全系统才迅速启动停止工艺过用[J]石油化工自动化,20064):45-51程使工艺中的设备处于安全状态,为方便操作人员在[6]王聪紧急停车系统在丙烯酸装置中的应用[当代化工,2007(12):565-567DCS操作界面中监视到如安全系统阀门状态各种历[7]蔡松郁安全仅表系统的工程设计[],炼油与化工,x07(3史趋势等相关信息,三重化冗余系统还通过OPC技术74PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 30 No. 7 July 2009