TRICON三重冗余系统在加氢联合装置的应用

TRICON三重冗余系统在加氢联合装置的应用摘要：TRICON是达到SIL3级标准并获得TüVAK6级标准认证的三重模块冗余（TMR）控制器，被广泛应用于石油、化工等行业的安全仪表系统（SIS）、机组控制系统（ITCC）及火灾报警和气体检测系统（FGS）中。介绍加氢联合装置的生产特点，并以加氢裂化装置为例，论述TRICON系统在联锁保护和机组控制中的应用，说明联锁保护和机组控制的技术方案、主要硬件软件配置和功能，并对应用效果作出总结。关键词：TRICON三重冗余加氢联合装置安全仪表系统机组控制系统应用1．引言加氢联合装置是广州分公司加工中东含硫原油及生产清洁燃料的配套建设装置，包括：150万吨/年加氢裂化装置；210万吨/年加氢处理装置；200万吨/年加氢精制装置和100万吨/年航煤加氢装置。联合装置有多个加热炉、反应器、高低压分离器和气体压缩机群等，具有典型的高温、高压、临氢、易燃易爆和生产规模较大、流程长等特点，自动控制和联锁回路多，控制策略复杂。根据《石油化工安全仪表设计规范：SH/T3018》、IEC61508、IEC61511等国际标准，参照国内外同类和类似装置的安全完整性水平，采用达到SIL3级标准并获得TüVAK6级标准认证的TRICON三重模块冗余（TMR）控制器，作为加氢联合装置的安全仪表系统（SIS）和综合机组控制系统（ITCC）。2．TRICON系统概述TRICON系统是具有容错结构和能力的可编程逻辑和过程控制系统，硬件核心是基于三重模块（TMR）冗余容错控制器。TRICON系统采用冗余电源、三个主处理器、三条完全隔离的内部总线，三个完全相同的分电路各自独立地执行控制并与其他主处理器并行工作。所有的数字式I/O信号都由要经过硬件的三取二表决和诊断处理，模拟信号进行取中值处理，系统工作模式为3-2-1-0，单个部件硬件故障或内外部导致的瞬间故障都不会中断控制，且具有较强的诊断功能，在线更换操作简便，在保证了高可靠性的前提下具有较好的可用性和可维修性。TRICON控制器的三重化结构如图1所示:2.1TRICON系统的主要特点TRICON系统具有完整的过程控制联锁、数据采集与监控功能、机组综合控制（ITCC）功能，能同时完成多套压缩机组的控制以及装置的联锁保护，主要特点有：（1）主处理器和I/O卡件完全三重化，安全性能高，达到SIL3级标准，并获得并获得TüVAK6级标准认证。（2）单点故障不会造成系统的正确运行，系统诊断覆盖率高。（3）采用3-2-1-0工作模式，独特的槽位设计使主处理器和I/O模块更换方便，可用行性和可维护性高。（4）提供完整的事件顺序记录（SOE）功能，有效进行系统维护和停车故障原因分析。（5）提供强大的通讯功能，支持TCP/IP、ModBus等多种常用开放协议，可以和多种DCS、PLC以及智能仪表进行通讯。（6）采用32位高速CPU和协处理器，提供高达16MDRAM和32KSRAM内存；模拟卡件转换精确度高，并可以定期自动校验。（7）系统规模可变，支持扩展机架和远程I/O机架。（8）基于Windows的编程软件TriStation1131使用方便，软件的在线修改通过TüVAK6级认证，同时提供离线模拟测试。2.2系统构成TRICON系统根据应用系统的大小，可配置规模可变的单机架和最多14个扩展或9个远程机架，最远距离可达12km，I/O点数最大达到4688个点，其中DI2048点、DO1024点、AI1024点、AO512点和PI80点。系统构成包括：机架、电源模块、主处理器模块、过程I/O模块和配套系统软件。（1）机架机架是放置各种模块的地方，主处理器模块所在机架为主机架，扩展机架用于扩展I/O模块，主机架和扩展机架采用三重化扩展电缆连接。当第一个机架到最后机架之间总线长度超过30米时可使用远程机架和现场安装。（2）电源模块每个机架有两个电源模块，以冗余方式工作，每个电源能独立承担机架中共有模块的供电。（3）主处理器模块每个主机架有三个处理器模块，每个处理器模块独立完成控制并与其他两个主处理器并行工作，完成包括I/O处理、通讯、数据采集、逻辑控制和输出表决等。（4）过程I/O模块过程I/O模块包括各种信号的模块，主要有数字输入输出模块（DI/DO）、模拟量输入输出模块（AI/AO）和脉冲输入模块（PI）等，所有模块都具有隔离功能，包括通道与通道间和电源之间隔离。过程信号通过标准端子板和专用连接电缆与过程I/O模块进行连接。（5）系统软件系统采用Windows操作平台，配置TRICON的TriStation1131编程软件、SOE软件，操作站人机界面软件采用Wondeware的Intouch。3.加氢联合装置TRICON系统配置3.1硬件配置加氢联合装置TRICON系统分三个工作区共四套独立的控制器，装置联锁和综合机组控制系统公用一套控制器，分别用于加氢裂化装置、加氢处理装置、加氢精制装置以及航煤加氢装置。每个工作区配置1个工程师站和1个移动组态站，每套装置配置1个操作员站和1套辅助操作台。系统的主要配置如表1所示。表1系统主要配置表装置控制器机架机柜操作员站辅操台工程师站（SOE站）打印机加氢裂化1套3个2个1个1个1台激光彩打1台加氢处理1套3个3个1个1个1台激光彩打1台加氢精制1套3个2个1个1个1台激光彩打1台航煤加氢1套2个2个1个1个针式1台各工作区配置的工程师站兼作SOE站，提供对系统的离线组态、离线编程、在线监视、在线程序修改下装等功能，同时可用于SOE数据的收集、记录、打印等。工程师站还可兼做操作员站使用。控制器和操作员站、工程师站等的通讯网络完全是冗余方式。下面以加氢裂化装置系统为例进行说明，其系统结构图如图2所示，硬件配置如表2所示。表2加氢裂化装置系统硬件配置序号说明型号数量1增强型TRICON主处理器，50MHz，16MSROM300832高密度主机架811013高密度扩展机架811124I/O总线扩展电缆，3根900025230VAC电源模块831266I/O空槽板8105237增强型智能通讯模块EICM4119A28网络通讯模块NCM，802.3BNC接口432929DI，24VAC/DC，32点3503E1010DI，端子板，24VAC/DC，16点9563-8102011DO，24VDC，16点3604E512DO，端子板，24VDC，16点9662-810513AI，0-5VDC，32点3700A114AI端子板，电流输入，16点，用户组态9761-210215AO，4-20mA，8点3805E116AO端子板，4-20mA电流输出，8点9853-610117脉冲输入PI，8点3511218PI端子板，8点9753-11023.2软件配置TRICON系统采用微软公司的Windows2000操作系统平台，TRICONEX公司的TriStation1131V3.12版编程组态软件和SOE事件记录软件，人机操作界面是Wonderware公司的IntouchV8.0。3.3主联锁实现加氢裂化装置的主联锁逻辑以子系统逻辑块的形式联系在一起，装置共有十二个联锁子系统，包括：(1)装置事故2.1MPa/min手动/自动紧急放空保护联锁系统；(2)装置事故0.7MPa/min手动/自动紧急放空保护联锁系统；(3)高压进料泵自动保护联锁子系统；(4)混合氢加热炉自动保护联锁子系统；(5)离心式循环氢压缩机自动保护联锁子系统；(6)往复式新氢压缩机自动保护联锁子系统；(7)热高压分离器液位和主进料泵液力透平超速自动保护联锁子系统;(8)冷高压分离器自动保护联锁子系统；(9)高压贫溶剂泵自动保护联锁子系统；(10)脱硫化氢塔液位和主贫液泵液力透平超速自动保护联锁子系统；(11)分馏塔底重沸炉自动保护联锁子系统；(12)空冷器手动停车系统；主联锁系统的输入信号连接传感器的常闭点（静态，非励磁），关键输入采用三取二或二取二方式，设置硬件和软件旁路开关，并用状态指示灯指示相应条件的状态，模拟量信号直接进入系统，输出采用故障安全型，失电联锁。加氢裂化主装置联锁逻辑如图3所示。图3加氢裂化主装置联锁逻辑图3.4循环氢压缩机C3001控制循环氢压缩机C3001是加氢裂化装置的关键设备，给反应器提供氢气并带走大量热量。机组控制包括机组联锁、调速控制和防喘振控制等。1、机组联锁C3001联锁条件较多，联锁逻辑如图4所示，包括启动条件联锁、停机保护联锁、油泵自启动联锁和干气密封增压泵启动联锁。（1）启动条件联锁压缩机启动的条件包括：润滑油压力正常；润滑油温度正常；速关阀全开；密封气压力正常；防喘阀全开人工确认。当以上信号均正常时，辅台C3001允许开车确认按钮，则联锁条件，允许开C3001，同时C3001准备启动灯亮。（2）停机保护联锁出现以下任何情况，机组将立即进入停机保护状态，联锁动作，C3001主汽门电磁阀失电，C3001停车，同时关闭泵总出口切断阀。一级密封泄漏量过高；压缩机低压侧轴振动大（二取二）；压缩机高压侧轴振动大（二取二）；压缩机轴位移大（二取二）；汽轮机低压侧轴振动大；汽轮机高压侧轴振动大；汽轮机轴位移大；现场手拍紧急停车；21巴紧急泄压信号；润滑油压力低低(三取二)；入口分液罐液位高高(三取二)；汽轮机转速高高(三取二)；速关油压力低低；蒸汽出口压力低低；探头故障；正常停机冷却结束；当以上信号均正常时，按相应的复位按钮，则联锁才能恢复正常。（3）油泵自启动联锁当满足以下条件之一时启动润滑油辅助油泵：润滑调节油油压低；汽轮机控制油油压低；润滑油总管压力低；润滑油总管压力低。当以上信号均正常时，按相应的复位按钮，则联锁条件正常时，C3001润滑油辅油泵停；当以上信号有一个异常时，则联锁动作，信号去电气，开C3001润滑油辅油泵。（4）干气密封增压泵启动联锁当干气密封增压泵泄漏压差或循环氢压缩机出入口压差大于0.52MPa时停干气密封系统的增压泵。图4循环氢压缩机C3001联锁图2、调速控制机组的速度控制可以有多种运行方式，包括停机、启动、暖机、加速、运行等。在自动起机模式下，根据起机曲线的升速率，蒸汽透平将自动从零转速升到最小转速或额定转速。另外，还将组态迅速越过临界转速的控制。在半自动起机模式下，操作人员可在从零转速到最小转速之间的任何转速下停留。一旦达到最小转速，操作人员可将转速进一步提高到工作转速。机组调速控制见图5所示。机组启动、运行及超速试验共分为九个模式0～8，在不同模式下有不同的升速目标值和不同的升降速率，并可以通过模式限制调速阀开度和电磁阀的带电状态和启动时的暖机时间。启动顺序由一系列方式和状态组成，TRICON系统中的顺序逻辑指定在任何当前方式下程序将会进入某种方式。以保证特定的程序进程以及在某一特定机械设备故障情况下采取的动作。当启动程序选择自动升速方式，透平转速将沿升速曲线自动上升。当启动程序选择手动升速方式，可由现场控制盘升速/降速按钮或操作站上的升速/降速软按钮来执行，系统默认为操作站，若由现场控制盘升速/降速按钮进行升速和降速，则通过就地盘/控制室选择开关来实现。图5循环氢压缩机C3001调速控制图3、防喘振控制离心式压缩机的控制都设有防喘振控制以防止机组喘振，这里采用了机组出口回流到入口的方式，在控制系统中利用TRICON防喘振扩展函数功能模块来完成压缩机的防喘振控制。防喘振控制策略的标准特性有：1）可选择差压或升压的算法；2）如果喘振发生，喘振安全裕度可自动修正；3）快开线功能可以在工作点向喘振线窜动时及时打开防喘振阀；4）独特的喘振控制器带有适应增益及快开/慢关响应等功能；5）比例调节功能可以“迫使”防喘振阀独立于PI调节而打开；6）灵活的启动和跳车逻辑；7）可选择手动控制器帮助设定、测试和故障排除；8）喘振逼近或透平跳车时，电磁阀触点输出可强制打开防喘振阀。TRICON系统具有独特的的防喘振方案，对于变化范围很大的不同气体条件，通过定义喘振点，提供了完全精确的防喘振控制。