螺杆压缩机（冷冻机组）仪表及控制系统故障原因分析及对策

关键词 | 苯乙烯  冷冻机组  控制系统

某石化公司苯乙烯装置冷冻机组为该装置精馏系统提供合格的低温冷冻水，维持负压塔系统压力正常，避免苯乙烯产品因温度过高而造成产品不合格。冷冻机组由A、B两套机组构成，正常一开一备。每套机组由螺杆压缩机、油分离器、冷凝器、节流装置、蒸发器、控制系统、辅助单元等组成，主机采用螺杆制冷压缩机，由电机驱动。冷冻机组仪表及控制系统包括现场检测仪表、现场可编程控制器（PLC）、电磁阀、控制阀、电控单元等。长期以来，机组仪表及控制系统在使用过程中存在现场检测仪表及电控单元故障多发、PLC运行不稳定等问题，导致机组故障跳停频繁，影响苯乙烯装置安稳运行。

现状及存在问题

冷冻机组控制系统由3套PLC实现。现场设有A机组和B机组两个分控台和A机组、B机组公用的总控台，分控台和总控台均装有压力传感器等控制元件。A机组和B机组的分控台分别实现本机组的运行监控和联锁保护；总控台PLC负责实现乙二醇水溶液、循环水、密封氮气等介质的压力、温度、流量参数检测和相应控制阀门（循环水出冷凝器开关阀、乙二醇水溶液出蒸发器开关阀、乙二醇水溶液供装置压力控制阀）的控制以及乙二醇泵变频调节；总控台PLC还负责将上述控制参数传输至分控台，负责A、B机组的协调控制。三套PLC系统监控参数通过RS485接口通讯到控制室分散控制系统（DCS），供操作人员实时监控。图1为机组控制系统结构示意。

机组控制程序包括启动、正常停机和故障停机程序。当机组满足启动条件并接收到信号时，机组按照程序启动运行。当正常运行的机组出现冷冻水或循环冷却水流量低于设定值、机组润滑油温超过限定值、机组出口冷冻水温度低于设定值或人为手动摁下停机按钮时，程序停止运行。当正常运行的机组出现排气压力超过设定值、机组油压差低于设定值、主电机故障等异常情况时，机组紧急停机。

a.机组仪表问题

机组联锁保护用的流量开关可靠性低，故障率高。每台机组设计两台流量开关，其中1台流量开关安装于机组冷凝器出口循环水管线上，用于检测机组冷却水流量。当机组冷却水流量低于设定值时，流量开关触发机组保护停机；另外1台流量开关安装于机组蒸发器入口乙二醇管线上，用于检测乙二醇流量，当机组乙二醇流量低于设定值时，触发机组保护停机。机组投入运行以来，4台流量开关均发生过故障停机事件，并且流量开关故障后无法在线切出维修。

机组联锁保护用的油压差开关故障频次高，油压差开关因泄漏等原因导致了机组7次故障停机。油压差开关用于检测机组润滑油压力与机组排气压力的差值，当差值低于100kPa时，触发机组故障保护停机。

热继电器、空开、中间继电器等电气元件工作不稳定，存在误动现象，引发总控台和分控台失电和润滑油泵停运等问题，导致机组故障停机3次。

b.控制系统问题

PLC控制器运行不稳定，出现CPU死机、输入和输出通道失效等问题，引起由总控台PLC控制的机组乙二醇变频泵调速信号丢失，变频泵跳停，导致机组故障停机5次。

机组仪表及控制系统设计采用普通电源（GPS），并且与润滑油泵电机为同一供电回路，控制系统供电不稳定，因油泵电机供电问题导致整个控制系统失电发生过1次。

机组距离操作室大约200米，机组启动、负荷调整、机组切换、机组停机等正常操作均需操作人员赶往现场进行操作，增加了员工劳动强度。

原因分析

机组仪表及控制系统故障原因包括现场检测仪表及电气元器件不可靠、仪表安装位置不当、现场运行环境较为恶劣、联锁条件单一可用性低、PLC及其输入输出模块非冗余配置、系统供电不稳定等。控制系统故障引发的机组跳停事件超过20余起，分析其主要影响因素有以下几个方面：

解决对策

（1）流量开关重新选型并移位至上水阀内，便于故障时检修。每台机组有2个用于断水保护、联锁停机的流量开关，其中1个安装于冷凝器循环水管线上，移至上水阀内，故障时可以切出系统进行检修；另外1个安装于乙二醇系统，即蒸发器进水线上，故障时无法在线检修，需要移位。在联锁逻辑设置方面，增加机组循环水总管流量计流量低低和去装置乙二醇总管流量计流量低低联锁判断条件，分别与2个流量开关组成二取二逻辑。图3为乙二醇流量开关移位示意。

（2）取消每台机组的油压差开关、排气压力开关、吸气压差开关；新增机组润滑油压力变送器、排气压力变送器、吸气压力变送器；将机组润滑油压力联锁改为二取二逻辑，将排气压力与润滑油压力差值联锁改为二取二逻辑，图4为机组压差及压力开关流程示意。

将现场机组PLC控制改为室内DCS控制，DCS控制器、输入/输出（I/O）单元、通讯单元、供电模块等均为冗余配置，机组仪表电源改为冗余直流电源（UPS供电）。一方面改善了机组控制系统运行环境，提高机组控制系统和供电系统稳定性；另一方面，操作人员在操作室就能实现对机组的远程监视和控制，大大降低了劳动强度。

（1）机组PLCI/O点数

A、B机组PLC输入输出点数见表1，其中模拟量输入（AI）50点，数字量输入（DI）30点，模拟量输出（AO）3点，数字量输出（DO）31点，总共114点。

（2）DCS备用I/O点数

苯乙烯DCS现有备用I/O点数统计见表2。

DCS共有4对控制器，Sm01_03和Sm02_04为通用控制器；Sm03_PSA为PSA单元专用控制器；Sm04_GDS为可燃有毒气体报警器专用控制器。

Sm01_03和Sm02_04备用I/O点数为823点，可以满足冷冻机组控制系统改造需要。考虑A、B机组共用控制点极少，为了平衡两个控制器负荷，A机组I/O信号处理由Sm01_03控制器实现；B机组和公共点的I/O信号处理由Sm02_04控制器实现。考虑机组联锁控制的安全性和可靠性，机组控制和联锁点的AI、DI、AO、DO卡件冗余配置。

（3）DCS当前运行负荷

DCS当前负荷裕量，除PSA单元Sm03_PSA控制器负荷裕量53.25%接近设计规范临界值之外，其余控制器负荷裕量空间较大。Sm01_03控制器负荷裕量69.24%，Sm02_04控制器负荷裕量68.98%，均可满足A、B机组I/O所增加的运行负荷。

（4）仪表直流电源负荷

DCS仪表电源配置有三组冗余直流电源，分别给安全栅柜、端子柜、继电器柜、浪涌保护器柜、网络柜、现场其他仪表等提供24V直流电源，单边额定容量为440A，当前运行负荷39.77A，负荷率9%。冷冻机组现场仪表改为DCS控制，增加I/O点数114点，增加直流电源负荷不超过10A。因此当前配置的仪表直流电源负荷完全满足机组仪表及控制系统改造需要。

（5）主要设备控制方案

螺杆压缩机：在现场分控台设置紧急停机按钮，信号进DCS。现场不设操作柱，压缩机启动、停机由DCS远程实现，电机故障信号、运行状态信号由电气送至DCS。

润滑油泵：现场不设操作柱，油泵电机启动、停机由DCS远程实现，电机故障信号、运行状态信号由电气送至DCS。

乙二醇泵：现场增设操作柱，电机启动、停机可由操作柱和DCS实现。当运行泵故障停机或出口压力低于0.4MPa时，备用泵能实现自启。电机故障信号、运行状态信号由电气送至DCS。

电加热器：其启用、停止由DCS远程实现，运行状态信号由电气送至DCS。

苯乙烯DCS为霍尼韦尔PKS系统，其控制器、电源模块、通讯模块、带控制的输入输出卡件均冗余配置，DCS运行的可靠性远比PLC高。通过上述统计分析，DCS备用点数、控制器负荷裕量、仪表直流电源裕量等方面均符合机组控制系统PLC改造条件，按照主要设备控制方案实施机组仪表及控制系统改造就能消除故障，提高机组运行可靠性。