DCS系统在制氧厂应用实例.

DCS系统在制氧厂应用实例———工艺流程
前言：随着电子技术的不断创新，计算机技术飞速发展, 空分工艺技术更是突飞猛进,随着大型制氧机组的出现对制氧机的工艺参数控制要求更加精细化、而电器、仪表和工艺设备的连锁也更加复杂。

因此,传统仪表控制方法已无法满足现在空分系统过程高自动化水准控制的要求。

而DCS控制系统既沿袭了传统仪表的优点,又将飞速发展的计算机控制技术融入其中,做到了数据集中运算参数集中管理,仪表设备和执行机构分散控制(Distributed control system)。

因此DCS控制系统已成为现代制氧机工程中自动化控制系统的首选方案。

DCS 技术也在不断变化和创新。

浙大中控有限公司的控制技术在天丰钢铁氧气厂中得到了运用。

公司简介：本公司属天津友发集团、(天丰钢铁有限公司)年产能钢坯200万吨，年生产总值64亿元。

氧气是炼钢吹炼必不可少的辅助能源，本公司有三套制氧设备1#空分6 000 m3 /h制氧机组，（2#；3#空分）两套10 000 m3 /h空分装置及其共用的公辅系统组成。

1#空分装置控制系统采用国产浙大中控公司的控制系统是JX-300X系统。

2#；3#空分装置控制系统采用国产浙大中控有限公司的升级过程控制系统JX-300XP。

三套装置的工艺设备基本相同都是用于完成从空压机、空气分离系统(包括空气预冷、分子筛系统、空分塔、氩塔等) 、氧气压缩、氮气压缩机、液体储存、气化等全过程的数据采集、设备（执行机构，电器仪表设备等）控制、逻辑控制、联锁、上至管理网等功能，实现各个生产流程的监视控制。

老系统简述：1# 空分设备由开元空分有限公司成套供应, 其控制系统是JX-300X系统、软件—Advantrol3.16。

1 #空分设备DCS 系统共配备两台主控室操作站, 供操作员监视现场的工艺参数及调节状态, 也可通过AO.DO模块实现对现场阀门的开关、设备的启停, 还可以查看某些参数的历史趋势图形、报警信息等;控室内设1 台非独立的工程师站, 主要用于计算机工程师进行系统组态和参数的浏览及修改。

浙大中控JX-300XP：2#、3#制氧机装置DCS控制系统JX-300XP、软件－－Advantrol_PRO2.5。

系统所控制的范围, 包括循环水系统、仪表空压机系统、原料空气过滤系统、空压机系统、空气预冷系统、冷冻机组、分子筛纯化系统、增压机系统、膨胀机系统、精馏塔系统、氮压机系统、氧压机系统、贮槽及加压汽化系统、调压站系统及液体产品加压汽化充瓶系统。

整个空分设备全部由DCS 系统控制, 完全实现了中央控制室的集中控制, 尤其是在几台进口压缩机组的控制方面, 达到了良好的效果。

控制方案非常成熟，得到了很好的验证，所有的高压电机（10000 VAC) 都实现了中央控制室启动和连锁停机。

系统能完全满足控制系统的设计要求, DCS 系统运行稳定、可靠。

软件系统概述：AdvanTrol-Pro 软件包是基于Windows2000 操作系统的自动控制应用软件平台，在SUPCONWebField 系列集散控制系统中完成系统组态、数据服务和实时监控功能。

Advantrol_PRO2.5操作非常简单可以说是专为国人设计的，新手很快就能入门、内部组态非常人性化简单、快速。

软件内有说明书分为两部分：系统使用说明书和在线帮助。

系统使用说明书按控制系统组态工作流程介绍软件包中各软件的主要功能、使用方法及相互间关系。

方便于工程师掌握控制系统的组态工作流程和各软件的基本使用方法。

使用说明书虽然是按各个章节来写，但各章之间存在一定的联系。

在线帮助链接在各软件的帮助菜单中，详细介绍软件的工作界面、菜单和对象画面等的功能以及一些具体功能的操作方法和举例等，能快速查找指定功能的操作方法。

AdvanTrol-Pro 软件包可分成两大部分;
一部分为系统组态软件:
用户授权管理软件SCReg、
系统组态软件SCKey、
图形化编程软件SCControl、
语言编程软件SCLang、
流程图制作软件SCDrawEx、
报表制作软件SCFormEx、
二次计算组态软件SCTask、
ModBus协议外部数据组态软件AdvMBLink
另一部分为系统运行监控软件：
实时监控软件AdvanTrol、
数据服务软件AdvRTDC、
数据通信软件AdvLink、
报警记录软件AdvHisAlmSvr、
趋势记录软件AdvHisTrdSvr 、
ModBus 数据连接软件AdvMBLink 、
OPC 数据通信软件AdvOPCLink、
OPC 服务器软件AdvOPCServer、
网络管理和实时数据传输软件AdvOPNet、
历史数据传输软件AdvOPNetHis
详细介绍网址：/browse.aspx/.Share dFavorites?permissionsChanged=1
硬件系统主要设备：
一，控制站CS（一台机组一套一台机组一套只介绍其中一个站）；它是硬件系统中直接与现场设备打交道的I/O处理单元，通过不同的硬件设置和软件设置，可构成不同功能的控制站，如过程控制站PCS，逻辑控制站LCS，数据采集站DAS。

站内组件－－-
1.主控卡XP243两块互为冗余、
2.电源XP215-1八块、
3.数据收发卡XP233十二块、
4.电阻信号输入卡XP316三十六、
5.电流信号输入卡XP313三十八块、
6.电流信号输出卡XP322十六块、
7.开关量输入卡XP363十块、
8.开关量输出卡XP362十块、
9.交换机D-Link(DES-1016R+)两台互为冗余、
10.UPS电源5KVA一套、
二，操作员站OS；三台操作员站用于实现工艺过程监视、操作、记录等功能、并配有操作员专用键盘。

三，工程师站ES;用于控制应用软件组态、系统监视、系统维护。

四，工程师站和操作员站都配有加密狗。

五，报警音响；三个音响用于工艺参数超标报警。

工艺流程简介
一：本装置采用分子筛净化空气的带增压膨胀机、上塔采用填料塔、全精馏制氧、外压缩流程；
二：原料空气在经过过滤器后除去了灰尘和机械杂质后，进入空气透平压缩机，将空气压缩到约0.6MPa，然后送入空气冷却塔进行清洗和预冷。

空气从空气冷却塔的下部进入，从顶部出来。

空气冷却塔的给水分为两段，冷却塔的下段使用经过用户水处理系统冷却过的循环水，而冷却塔的上段则使用经氮-水冷却塔冷却后的低温水，从而使空气冷却塔出口空气温度达到15℃。

空气冷却塔顶部设有丝网除雾器，以除去空气中的机械水滴。

三：出空冷塔的空气进入交替使用的分子筛吸附器。

在那里原料空气中的水份、CO2、C2H2等不纯物质被分子筛吸附。

四：净化后的加工空气分为两股，一股进入主换热器E1，与返流的部分污氮气和低压氮气产品换热后进入下塔进行精馏。

另一股经空气增压机一级压缩后再分为两股，一股相当于膨胀量的空气经增压膨胀机的增压端增压后再经气体冷却器冷却，进入主换热器，从主换热器中部抽出，进入膨胀机，膨胀后进入下塔进行精馏。

另一股气体经空气增压机二级压缩，再进入主换热器冷却。

五：接近液化温度后送入精馏塔的下塔，将下塔底部得到的含氧38～40％的富氧液空节流后送入上塔，作为上塔的一部分回流液与上升气体接触传热，部分富氧液空汽化。

空气经下塔初步精馏后，在下塔底部获得液空，在下塔顶部获得纯液氮。

六：空气自下向上与温度较低的回流液体充分接触进行传热，使部分空气冷凝为液体。

由于氧是难挥发组份，氮是易挥发组份，在冷凝过程中，氧比氮较多的冷凝下来，使气体中氮的纯度提高。

同时，气体冷凝时要放出冷凝潜热，使回流液
体一部分汽化。

由于氮是易挥发组份。

因此，氮比氧较多的蒸发出来，使液体中氧纯度提高。

就这样，气体由下向上与每一块塔板上的回流液体进行传热传质，而每经过一块塔板，气相中的氮纯度就提高一次，当气体到达下塔顶部时，绝大部分氧已被冷凝到液体中，当液体到达上塔底部时就可得到99.6的液氧。

使气相中的氮纯度达到99.99％。

一部分氮气进入冷凝蒸发器中，冷凝成液氮．作为下塔回流液。

同时上塔底部的液氧汽化，作为上塔的上升气体，参与上塔的精馏。

七：从下塔中部抽取一定量的氮馏份送入粗氩塔，粗氩塔在结构上分两段，第二段氩塔底部的回流液经液体泵送入第一段顶部作为回流液，经粗氩塔精馏得到98.5%Ar，2ppm O2的粗氩，经液化器液化后送入精氩塔中部，经精氩塔精馏在精氩塔底部得到纯度为99.9997%Ar的一部分精液氮作为产品抽出送入贮槽。

八：从附塔顶部抽出纯氮气，行经过冷器、主换热器复热后出冷箱供其它厂区使用。

九：从上塔顶部引出污氮气，行经过冷器、主换热器复热后出冷箱，然后进入电加热器作为分子筛再生气体，多余气体送水冷塔或放空。

从上塔下部得到的纯氧出来后再与空气进行换热后气化，通过氧压机送炼钢、炼铁其它厂区使用。

空分工艺控制系统
循环水在空分装置内主要对两大部分进行换热降温;
一、工艺设备保护降温：风机等等……这些设备，风机如果长时间高负荷运行温度就会升高直至烧毁，而根据电机功率的大小采用降温的方式也不同，小功率的
一般采用自冷和风冷，而大功率电机就要采取水冷却。

而空分设备的大功率电机有空压机、氧压机、氮压机、都要使用循环水来降温,确保设备正常稳定工作。

二、工艺介质降温：当介质温度达不到工艺要求的温度时，就要通过循环水来降温介质温度，循环水自身降温采用的是凉水塔风冷散热，循环水的温度和环境温度相近，对于空分装置来说循环水换热降温只是初步降温。

要想深度降温，循环水就要通过费氮、冷冻机来获得更低的温度。

空压机的的电机是高压异步电动机、制造厂商：上海电气、型号：800Y83107、功率：5400KW、电压：10000V。

一套装置有一台空压机，进气压力是-10KPa,出口压力是0.65MPa，流量是28000m3/h。

空气经过空气净化过滤器除去空气中所含的粉尘后进入空压机一级压缩，根据能量转换和守恒定律可知,空气在空压机内压力增大而体积变小,空气的能量(焓值)一定要增大,即出口空气的温度要升高，空气通过压缩温度会升高，所以要经过换热器降温，防止空气温度过高烧毁风机轴瓦。

空压机为四级压缩，达到工艺需要的压力后去预冷系统。

1、空压机连锁停机的条件（OR或的关系即：有一个条件满足便发出指令）
2、SV1015放空阀的连锁放空条件
3、启动空压机所必须具备的条件（AND与的关系即：当所有条件都满足时才允许发出指令）
4、空压机２台油泵的自动切换：
空压机润滑油系统共有２台油泵，互为备用。

#1油泵先启，当润滑油压力低时，系统自动启动#2油泵，当润滑油压力正常时停#1油泵，对其进行检修。

如#2油泵先启，当润滑油压力低时，系统自动启动#1油泵，当润滑油压力正常时停#2油泵。

这样做到“先启先停，不分主备”，提高设备利用率，同时安全可靠。

来自空压机的空气在预冷系统，经过两级换热，一级是与循环水换热，二级是循环水先与来自分馏塔的费氮气换热降温在通过冷冻机二次降温，然后和空气换热降温，塔顶出来的冷空气进入下一道工艺纯化系统。

换热方式分为三种：
1、热交换，
2、热辐射，
3、热对流。

预冷系统采用的是热对流，也就是说介质与介质直接交叉换热，这种换热应方式在不改变其物理特性的情况下有两种：一、相同的介质换热，二、两种不同的介质换热，但是两种介质必须是不同的相态。

本套制氧机分子筛纯化系统采用卧式双层床结构的纯化器，采用吸附法净化过滤空气中的水分、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物。

吸附法就是用活性氧化铝、分子筛等吸附剂在常温下将空气中所含的水分、二氧化碳等吸附质吸附，加热再生时利用吸附剂高温下吸附容量减小的特性，在把吸附质解吸出来，从而达到连续净化空气的目的。

在分子筛纯化器切换控制中，主要控制分子筛在再生过程中的阀门切换。

分子筛再生过程共分五个步骤，他们是卸压、加热、冷却、升压和切换。

卸压：分子筛纯化器在较高工作压力下完成工作，而在较低的的压力下进行脱附再生。

在纯化器由吸附转为再生时，首先将纯化器内的压力降下来。

此时缓慢打开纯化器旁通阀对纯化器卸压。

纯化器出口压力小于0.01MPa方可进入加热阶段，如卸压时间走完，纯化器出口压力仍大于0.01MPa，程序暂停。

加热：加热阶段开始后，经再生电加热器加热过的高温污氮气通过分子筛床层，对其进行加热。

在加热阶段，设置了电加热器运行联锁条件，包括污氮流量小于10000m3/h停机、电加热器温度高于联锁值停机等条件，其中电加热器温度联锁值可由运行人员在监控画面上修改。

同时由于在加热阶段不用全部电加热器都打开，因此还在监控画面上设置了选择键，当就地控制箱手柄打到DCS控制进入加热阶段后就自动启动运行人员选中的电加热器，减少了运行人员的工作量。

冷吹：冷吹开始后，关闭电加热器，污氮通过旁路进入纯化器，将床层中的热量带出来，从而为再次投入使用做准备。

在冷吹过程末段，需要关闭相应的冷吹阀，同时打开污氮放空阀，在这两个阀门切换完后，才能开始升压步骤。

由于这两个阀门总的开关时间可调，因此在程序中用总的冷吹时间减去阀门的开关时
间，得到的这个时间点作为两个阀门开始切换的条件。

升压：升压开始，关闭纯化器放空阀，打开进气阀，给纯化器通入从预冷系统来的空气，对纯化器进行升压。

切换：打开再生纯化器空气进气阀和出口阀，两个纯化器都处于工作状态，使两个纯化器均压，它们之间切换不引起系统波动。

1 透平膨胀机的工作原理及其特点
透平膨胀机是一种高速旋转的低温设备,介质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能,并由工作齿轮和轴承输出外功,根据能量转换和守恒定律可知,介质在透平膨胀机内绝热膨胀获得动能,输出外功时,介质的能量(焓值)和压力一定要减少,即出口介质的温度和压力要降低。

透平膨胀机是利用压缩气体在机内绝热膨胀,输出外功产生冷量来获得低温气体的。

作为吸取低温的主要设备,与节流方法相比,具有绝热效率的特点;与往复式膨胀机相比,具有体积小、重量轻、加工气量大、运转周期长、工作性能可靠等特点。

因此,透平膨胀机在空调、低温气体的分离和液化中,都占有主地位。

2 透平膨胀机的构造及其性能
透平膨胀机由通流、制动、支承、密封、隔热板、机身及测速七部分组成。

通流部分的主要零件有蜗壳、导流器、工作轮、气缸壁及扩压器。

蜗壳是为了使工质能均匀、稳定的在导流器各喷嘴及工作轮内进行能量交换的蜗状流道。

导流器是使介质进入工作轮时具有一定动量矩的零件。

制氧的工艺原理使空气液化,然后根据空气各组分沸点的不同,在精馏塔内进行精馏、获得氧、氮及几种稀有汽体。

因此,要通过空分设备使气体分离,首要的条件必须在空分设备中造成低温,以使空气液化并保证精馏工况的正常进行,这就提出了空分设备中如何获得低温及怎样产生冷量的问题。

在空分设备中,获取低温的方法通常有两种,一种是压缩空气在节流阀中节流膨胀;另一种是压缩空气在膨胀机中的绝热膨胀。

3 空气设备制氧的原理和工艺流程
空分设备是用深度冷冻的方法,用空气作原料生产氧、氮及其它稀有气体的装置。

所谓深度胀机的轴承润滑方式由润滑油改为本机组空气。

轴承体及止推轴承都是用黄铜制成的,可以避免在偶然情况下与主轴相互巨烈磨擦而烧坏。

止推轴承采用气囊槽的环向供气形式,其上有16 只供气孔。

此轴承用气体润滑,轴承与轴颈之间的配合隙很小,不允许有油、水及机械杂质混入,否则会影响使用,以致引起卡机的严重事故。

与本机轴承配套的管路都应经过严格清洗吹扫,与本机组织配套的管路上装有镍片精过滤器,它能够有效地防止引起卡机的机械杂质进入轴承内部。

由于空气轴承膨胀机是用空气润滑,所以转子转速可以达到6 万转/ 分钟,大大提高了制冷量,缩短了制氧时间,同时,对防止介质污染,设备安全运行都起到了很好的效果。

4 在空分设备中加装透平膨胀机的优点
采用空气增压透平膨胀机,不仅便于操作,减少了维修量,而且延长了整个机组的使用周期,缩短了制氧时间,提高了制氧产量,节约了大量的能源,全年总节约价值超过千万元。

1 分馏塔的工艺原理
空气液化,然后根据空气各组分沸点的不同,在精馏塔内进行精馏、获得氧、氮及几种稀有汽体。

2 工序
空气被冷却至接近液化温度后送入精馏塔的下塔，空气自下向上与温度较低的回流液体充分接触进行传热，使部分空气冷凝为液体。

由于氧是难挥发组份，氮是易挥发组份，在冷凝过程中，氧比氮较多的冷凝下来，使气体中氮的纯度提高。

同时，气体冷凝时要放出冷凝潜热，使回流液体一部分汽化。

由于氮是易挥发组份。

因此，氮比氧较多的蒸发出来，使液体中氧纯度提高。

就这样，气体由下向上与每一块塔板上的回流液体进行充分接触传热使气氧液化而液氮气化，而每经过一块塔板，气相中的氮纯度就提高一次，反之液相中的氮纯度就降低一次，当气体到达下塔顶部时，绝大部分氧已被冷凝到液体中，使气相中的氮纯度达到99.99％。

一部分氮气进入冷凝蒸发器中，冷凝成液氮．作为下塔回流液。

同时上塔底部的液氧汽化，作为上塔的上升气体，参与上塔的精馏。

上塔回流液有两种一是液空回流二是液氮回流。

将下塔底部得到的含氧38～40％的富氧液空节流后送入上塔，作为上塔的一部分回流液与上升气体接触传热，部分富氧液空汽化。

由于氧是难挥发组份，氮是易挥发组份，因此，氮比氧较多的蒸发出来，使液体氧纯度提高。

液体由上向下与上升气体多次传热传质，液相中的氧纯度不断提高，
当液体到达上塔底部时就可得到99.6％的液氧。

回流二能将氧和氮的纯度进一步提高，液空和液氮的回流比根据生产需要而调节。

3 PID污氮流量控制
本装置在开车阶段，由于工艺设计和设备不太协调导致导致污氮流量一直控制不太理想，原因为流量计的安装位置不符合仪表安装规程，调节阀百分比（调节阀开度和流量为线性）不合格，排出了执行机构问题后发现是锥形阀芯问题，更该流量计安装位置，更换调节阀（直接换厂家）后达到稳定控制。

在这对污氮控制做一下简单介绍：分馏塔为了稳定上塔压力，需保持污氮流量的稳定，而在分子筛阀门切换过程中，由于加温调节阀、冷吹调节阀、放空调节阀、同时动作，给氮气流量的稳定造成一定的影响。

因此就存在这3个调节阀匹配的问题。

在分子筛切换的不同阶段，3个调节阀的开关状态是不同的，当一个调节阀开启的同时，另一个调节阀要关闭，在这个过程中，为了保持再生污氮流量的恒定，程序设计调节阀在打开、关闭时段，阀门的开关过程分为5步，即阀门的开关呈阶梯增减，5步阶梯值可调。

同时设置调节阀总的开关时间，这样每步在开度值变化时可以稳定一定时间，减少系统扰动。

通过5步开度值和总开关时间设定，经过不断摸索，使阀门达到最佳匹配状态，从而保持流量的稳定。

调节阀在打开时，是按时间分5步阶梯形打开的，当阀门开度达到第5步开度值，表明阀门已开到稳态值，接着自动转为PID调节。

在切换过程中，阀门输出值OP值赋给PID的输出值，这样在转换为自动调节时，就实现了无扰切换。

PID调节的设定值SP值为一个定值流量，当调节阀转换为自动调节后，阀门立刻根据现场实际值PV值与SP值的差值进行修正调节。

调节阀在关闭时，自动从PID控制转为手动控制，同时给阀门的OP值赋第1梯级关度值，按时间分5步阶梯形关闭，最后将阀位输出置零位。

从精馏塔下塔中部抽取一定量的氮馏份送入粗氩塔，粗氩塔在结构上分两段，第二段氩塔底部的回流液经液体泵送入第一段顶部作为回流液，经粗氩塔精馏得到98.5%Ar，2ppm O2的粗氩，经液化器液化后送入精氩塔中部，经精氩塔精馏在精氩塔底部得到纯度为99.9997%Ar的一部分精液氮作为产品抽出送入贮槽。

由于厂区生产的不稳定性，导致用氩量不稳定，出现氩气不足现象。

为减少浪费、节约成本、不影响厂区正常生产、将多余的氩气以液态储存。

当供氩量不足时，用液氩储存罐的液氩，经过气化补充厂区用氩。

一套空分装置有三台氧气压缩机，本套装置配套的氧压机是开元空分生产的ZW-82/30氧气透平压缩机，设计进气压力是80KPa,出口压力是3MPa，流量是5000m3/h。

高压异步电动机、制造厂商：江苏锡安达防爆有限公司、型号：Y600-12、功率：900KW、工作电压：10000V。

1、氧压机的自动调节系统：
控制系统的主要调节回路有：吸入压力及排出压力调节系统，吸入氮气压力调节系统，混合气体与氧气差压调节，轴封氮气与混合气体差压调节，轴封氧气与混合气体差压调节。

2、吸入压力及排出压力调节系统：
本系统为保证氧压机吸入压力和排出压力恒定而设。

通过检测吸入压力，调节氧压机入口导叶的开度，从而改变氧压机的流量，以保持吸入压力恒定。

若由于供给氧压机的气量不足，以至于入口导叶关小到极限值，而此时吸入压力仍低于规定值时，则由程序控制自动打开高压旁通阀，靠回流来维持吸入压力恒定。

排气压力与吸入压力经低值选择由程序判断输出作为PV值参与控制高压旁通阀，另外排气压力还作为高压放空阀的PV值，参与调节高压放空流量。

但是这两个调节的SP值是不一样的，应先打回流，后放空，确保排气压力不超过规定值，并且不影响其它的调节系统。

3、氧压机的氮气试车：
在氧压机主断路器合闸1分钟后，中压旁通阀应该关闭。

在氮气试车时，此阀的关闭由运行人员手动完成，后续的步骤同氧压机正常启动完全一样。

4、混合气体与氧气差压调节：
混合气与进口氧气差压作为混合气与进口氧气压差调节阀的PV值，使调节阀通过改变开度值来保持混合气体与吸入氧气之间的差压恒定。

5、轴封氧气与混合气体差压调节：
轴封氧气与混合气体之间的差压由差压变送器送至控制系统，当差压偏离设定值时，通过调节混合气与氧气平衡管压差调节阀的开度，改变由高压缸轴封氧气室流回低压缸吸入管道的氧气量来维持差压设定值。

当调节系统失效导致差压降低至低1级时报警，低2值时停车。