Þ#KxEî û : 0NÚ {2Ï4³,XA Auâ r) çîÖ { ¹/ß€¦ · 2011-03-30 · of Air-Separation-Units (ASU) in Asia , including 3 sets of big ones above 60kNm3 oxygen an hour. The outputs

上海交通大学

硕士学位论文

空分控制系统的设计与实现

姓名：董振宁

申请学位级别：硕士

专业：控制工程

指导教师：杜秀华;朱毅

20080501

空分控制系统的设计与实现上海交通大学工程硕士生学位论文

空分控制系统的设计与实现

摘要

作为钢铁生产的辅助原料，氧、氮、氩气体的作用十分重要。高

炉炼铁及转炉炼钢过程都需要大量的氧气；氮气由于其化学性质稳

定，在钢铁生产中用来作为冷轧、镀锌、镀铬、热处理、连铸用的保

护气，直接关系到钢铁产品的质量；此外，钛、锆、锗等特殊金属的

冶炼过程都需要用氩气作为保护气。

钢铁生产中的所需的氧、氮、氩都是通过空气分离设备（即空分

设备）获得的。随着宝钢的发展，宝钢分公司空分设备日渐形成系统

的布局。而氧、氮、氩生产作为宝钢钢铁生产环节中的一部分，对空

分设备也越来越多地提出了安全生产、经济运营的要求。对控制系统

来说，则要求同时保证生产的安全性和连续性、氧氮氩生产的系统性、

生产调整的灵活性等方面。要满足这样的设计要求，利用安全、可靠、

先进的工控技术和更优的控制方案无疑是十分重要的。

宝钢分公司目前集中了亚洲最大的空分群，其中 60kNm3/h 及以

上的大型空分有 3 套。现有制氧机组的总制氧能力 300kNm3/h，制氮

能力 358kNm3/h，制氩能力 10000Nm3/h。按照公司的发展规划，现有

的空分机组尚不能满足需要，需要增设一台空分机组，制氧能力为

60kNm3/h。

本文在通过宝钢 60kNm3/h 制氧机控制系统的设计实施，论述了

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空分装置控制系统的设计与实现。

1、在讨论空分工艺流程和控制系统的基础上，介绍了宝钢新上空分

控制系统的系统结构和硬件配置。

2、防喘振控制是压缩机最重要的安全保护措施。文章从压缩机喘振

发生的机理出发，总结了防喘振技术的发展和现状，探讨了防喘振控

制技术的设计，通过喘振线、控制线、安全线的设置及限压控制，阐

述了空压机防喘振系统的设计与实现。

3、氧压机由于其运行的介质特点，对安全运行有特殊的要求。配置

了 HIMA 安全控制系统，充分利用了其数据采样与处理的高速和可靠

性能。除压缩机本体信号以外，其它信号采用了与 DCS 系统的通讯方

式连接，并在 DCS 系统中实现了各联锁控制逻辑。

4、文章对控制组态、监控画面组态、历史库数据采样及归档组态技

术进行了详细论述。通过采用一系列标准模板，充分利用了 FOXBORO

系统提供的功能，较好地实现了人机交互界面。

5、从系统的角度，对涉及空分装置安全运生产及管网稳定运行的控

制技术进行了阐述。

在论文的设计中，重点对压缩机防喘振控制技术进行了研究，并

在空压机、氧压机、氮压机控制中得到应用；实现了氧压机关键回路

的快速控制；充分应用了控制系统的特点和功能，设计了友好的人机

交互界面。通过论文设计，使设备控制较好地满足了空分生产的需要。

关键词：空分，DCS 控制系统，空分设计，DCS 系统设计

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DESIGN AND REALIZATION OF ASU CONTROL SYSTEM

ABSTRACT

Oxygen, nitrogen and argon play an important role in iron and steel

production. A mass of oxygen is needed in blast furnace running, and as

the protect gas of steel production, nitrogen is always associated with the

steel quality. At the same time, argon is usually used in some special

metal production.

Oxygen, nitrogen and argon are usually produced by air separated

unit (ASU). With the steps of Baosteel’s construction and development,

the ASUs are becoming gradually one big system, which brings forth to

Baosteel Oxygen-Plant more and more critical system requirements on

ASUs control.

Baosteel branch company (Baosteel for short) has the biggest group

of Air-Separation-Units (ASU) in Asia, including 3 sets of big ones above

60kNm3 oxygen an hour. The outputs of these units add up to

300kNm3/h oxygen, 358kNm3/h nitrogen and 10kNm3/h argon.

According to Baosteel’s stratagem, the existing units still can not meet the

need of development. Another 60kNm3/h oxygen unit is thus becoming

necessary.

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This project discusses the design and its fulfil of the ASU control

system according to the Baosteel’s new unit.

Firstly, based on the discussion of the ASU process diagram and

control system, the system structure and its hardwares are introduced in

this paper.

Secondly, according to the theory of compressor surge, anti-surge

control technique is discussed, the anti-surge control system of air

compressor is designed and fulfilled.

Thirdly, based on the introduction of the Oxygen compressor’s

control system and its connections and interlock logics to DCS, the

system design and its fulfil are stated.

Fourthly, the control configuration, monitor displays configuration,

historic data-base sampling and category configuration technique are

demonstrated in detail.

Fifthly, the technology involved ASU safety and pipe net steady

operation is also introduced in this paper from the system point of view.

In the design of this article, anti surge control technology is

researched primarily, and is applied in air compressor, oxygen

compressor and nitrogen compressor successfully. And the speedy

reaction about the pivotal part of oxygen compressor control is realized.

At the same time, the friendly interface is realized. The design meet the

require of ASU finally.

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KEY WORDS: Air separation, DCS control system, Air separation

design, DCS system design

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上海交通大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，

独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本

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文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期：年月日

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上海交通大学

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保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上方框内打“√”）

学位论文作者签名：指导教师签名：

日期：年月日日期：年月日

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第一章绪论

1.1 本课题研究的背景和意义

1.1.1 氧氮氩在钢铁生产中的作用

氧、氮、氩在钢铁生产中起着重要作用。钢铁企业最大的氧气使用场合是转

炉炼钢过程，利用吹入的高纯氧气，使铁中碳、磷、硫、硅等杂质氧化，氧化产

生的热量用来维持炼钢过程所需的温度。纯氧（大于 99.5％）吹炼可以大大缩

短冶炼时间，提高钢的产量。冶炼吨钢的氧气消耗量约在 50-60m3/t。

高炉炼铁采用富氧鼓风可以加大煤粉的喷吹量，节约焦炭，降低燃料比。富

氧纯度要求不高（含氧 24-25％），但是由于鼓风量很大，氧气消耗量也相当可

观，接近炼钢用氧的三分之一。

氮气由于其化学性质稳定，钢铁生产中用来作为冷轧、镀锌、镀铬、热处理、

连铸用的保护气；作为高炉炉顶、转炉烟罩的密封气，以防可燃气体泄漏，以及

干息焦装置中焦炭的冷却气体等，一般的保护气体要求的氮纯度为 99.99％，有

的要求氮纯度在 99.999％以上。

在金属冶炼方面，氧、氩吹炼是生产优质钢的重要措施，每炼 1吨钢的氩气

消耗量为 1-3m3，此外，对钛、锆、锗等特殊金属的冶炼，都需要用氩气作为保

护气。

1.1.2 课题背景

宝钢目前集中了亚洲最大的空分群，其中 60kNm3/h 及以上的大型空分有 3

套。现有制氧机组的总制氧能力 300kNm3/h，制氮能力 358kNm3/h，制氩能力

10000Nm3/h。按照公司的发展规划，现有的空分机组尚不能满足需要，考虑到空

分机组的故障及常规检修，需要增设一台空分机组，制氧能力为 60kNm3/h。

本课题通过宝钢新上制氧机控制系统的设计实践，论述了空分装置控制系统

的设计与实现。

1.1.3 课题研究的意义

随着宝钢的发展，生产活动节奏加快，对生产设备的稳定运行要求大大提高，

要求尽可能缩短故障分析和处理的时间，因此在项目设计、建设过程中要求全程

参与。同时，应将多年来积累的生产、设备维护经验体现到设计工作中，处理好

空分原始设计理念与宝钢生产要求之间的冲突，使空分的设计更加符合宝钢现场

的需要。即要求对空分控制系统的研究和应用更进一步，发挥自主集成的能力。

宝钢的建设和发展使“大能源”概念日益突出，空分设备也日渐形成系统的

布局。对于宝钢的制氧空分设备，也越来越多地提出了系统的要求，即由多套制

氧设备组成的空分系统作为整体为钢铁生产服务，不仅应保证单台空分的正常运

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行，还应保证在单台空分故障或产品纯度破坏情况下的氧氮氩管网稳定供能。

综上，在空分建设时仅仅依据供应商提供的设计数据，不能完全满足宝钢生

产的需要。对原有的控制方案进行研究和优化，不仅是可行的，而且是必须的。

1.2 空分简介

目前世界上一般都采用低温法制取氧气，即先将空气压缩、冷却，并使空气

液化，利用氧、氮组分的沸点不同（在大气压下氧的沸点为 90K，氮的沸点为 77K），

在精馏塔的塔板上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断地从蒸

气中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸气之中，使上升的蒸气中含氮量

不断提高，而下流液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分离。这种方法无论是

空气液化或是精馏，都是在 120K以下的稳定条件下进行的，故称为低温法空气

分离。低温法制氧，生产量大，氧气和氮气的纯度高，电耗低，是当今世界上广

泛应用的制氧方法[1]。

空分设备从不同的角度有不同的分类方法。按空分设备的主要用户来分，可

以分为冶金型和化工型。按空分设备的工艺流程来分，较常见的有外压缩流程与

内压缩流程两类[2]。

外压缩流程就是空分设备生产低压氧气，然后经氧压机加压至所需压力供给

用户，也称之为常规空分。内压缩流程就是取消氧压机，直接从空分设备的分馏

塔生产出中高压的氧气供给用户。二者的区别在于，内压缩流程的产品氧的供氧

压力是由液氧在冷箱内经液氧泵加压达到的，液氧在高压板翅式换热器与高压空

气进行热交换从而汽化复热；而外压缩流程的产品氧的供氧压力由氧压机压缩达

到[3]。本项目中，采用了外压缩流程。

1.3 控制系统的发展及现状

1.3.1 模拟仪表控制系统

模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度

低，易受干扰。

1.3.2 集中式数字控制系统

集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC、SLC或微

机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中

模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点

是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以

统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力

和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降[4]。

1.3.3 集散控制系统（DCS）

集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。它是利用计算机技术对

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生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。由计算机

技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术

及人机接口技术相互渗透发展而产生的。其核心思想是集中管理、分散控制，即

管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现

场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传

递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中

对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷[5]。

DCS 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克服

了二者的缺陷而集中了二者的优势。DCS 的结构是一个分布式、分支树状结构。

按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级，各级既相互独立又

相互联系，每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不

同级的不同功能，如实时控制、实时生产过程管理等，横向分则意味着同级设备

具有类似功能。

自主性：系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地

完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独

立运行的高可靠性子系统。

协调性：实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之间从

总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。

在线性与实时性：通过人机接口和 I/O 接口，对过程对象的数据进行实时采

集、分析、记录、监视、操作控制，可进行系统结构、组态回路的在线修改、局

部故障的在线维修。

高可靠性：高可靠性是 DCS 的生命力所在，从结构上采用容错设计，使得在

任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，

局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化配

置。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的

容错设计。

适应性、灵活性和可扩充性：硬件和软件采用开放式，标准化设计，系统积

木式结构，具有灵活的配置可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、生产流

程时只需改变系统配置和控制方案，相应使用组态软件填一些表格即可实现。

友好性：DCS 软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员，

采用实用而简捷的人机会话系统，CRT 高分辨率交互图形显示，复合窗口技术，

画面丰富，纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、

操作指导画面、菜单功能等均具有实时性。平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏

幕、鼠标器、跟踪球等操作器更便于操作。

DCS 已经历了三代。1975 年Honeywell公司推出的TDC2000 集散控制系统是

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一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散的过程

对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，互相协调，一起

实施实时工业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散从而危

险性也分散。在此期间世界各国相继推出了自己的第一代DCS。第二代产品在原

来产品的基础上，进一步提高了可靠性，新开发的多功能过程控制站、增强型操

作站、光纤通信等更完善了DCS。其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信

向标准化迁移，板级模块化，单元结构化，使之具有更强适应性和可扩充性。控

制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。第

三代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是：实现了开放式的系统

通信，向上能与MAP和Ethernet接口，或者通过网间连接器与其它网络联系，构

成复合管理系统；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执

行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。过程控制组态采用CAD方法，

使其更直观方便，实现自整定功能[6]。

当今 DCS 向综合化、开放化发展。开放性的结构将方便地与指挥生成管理的

上位计算机进行数据交换，实现计算机集成生产系统。同时在大型 DCS 进一步完

善和提高的同时，发展小型集散控制系统。总的发展趋势可体现在如下几个方面：

各制造厂商都在“开放性”上下功夫，力求使自己的 DCS 与其他厂商的产品很容

易地联网；大力发展和完善 DCS 的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理

系统联结在一起，形成管控一体的产品；高度重视系统的可靠性，在软件的设计

中采用容错技术；在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控

制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；在系统规模和结构上，形成由

小到大的产品，以适应不同规模的需求。

开放性的 DCS 系统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据

在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体

化方向发展。

DCS 系统经历的数十年的发展，仍然以较快的速度在发展，事实上，DCS 仍

然具有相当的生命力。而且当今的 DCS 与十年前的 DCS 相比，已发生了根本性

的变化。

受现场总线技术、各种通用标准的软硬件技术、软连接技术、无线连接技术、

数据库技术和先进控制理论等发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功

能需求的增加，各DCS厂商（以Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB，siemens

为代表）纷纷提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容。可以说，以

Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（过程知识系统）、Emerson 公司的

PlantWeb 、Foxboro公司的A2、横河公司的R3（PRM-工厂资源管理系统），ABB

公司的 Industrial IT 系统和SIEMENS 的PCS7 为标志的新一代DCS 已经形成

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[7]。

新一代 DCS 的体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、

工厂（车间）层和企业管理层。一般 DCS 厂商主要提供除企业管理层之外的三层

功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平台

（MES、ERP、CRM、SCM 等）。所以说，当今 DCS 主要提供工厂（车间）级的所有

控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。

1.3.4 现场总线控制系统（FCS）

20 世纪 80 年代中期，现场总线技术问世。它能够提供智能化、简单化、标

准化的现场总线设备接口，将使过程控制用户在低成本、易移植、易扩展这样一

种友好的环境中进行系统设计、安装和运行，给自动化领域带来了新的革命。

自 20 世纪 80 年代末以来，有几种现场总线技术已经逐渐发展成熟，并在一

些特定的应用领域显示了影响力和优势，它们是可寻址远程变换器数据链路

HART(Highway Addressable Remote Transducer)、控制器局部网CAN (Controller

Area Network)、局部操作网络LON(Local Operating Network)、过程现场总线

PROFIBUS(Process Fieldbus)和基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)，这

些现场总线各具特色，对于现场总线技术的发展发挥着重要作用[8]。

当然，现场总线也有难以发挥其优势的场合。在很长时期内，包括 DCS/PLC

在内的许多控制系统和现行标准都会与现场总线共存，这和 DCS 出现后乃至今

天许多原有控制设备依然存在的局面相似。

目前现场总线技术在我国的应用已取得很大进展，但也存在一些问题，制约

了其推广。

在工程应用方面，工程投资比较大。虽然各种现场总线都把节省费用当成自

己的主要优点，但在实际应用中现场总线的投资比传统控制系统要大。一是试用

的系统规模太小；二是试用的系统并不分散或者是利用原有布线的改造项目，因

此无法充分发挥现场总线节省电缆的优势。

其次，调试和运行维护比较难。由于现阶段熟练掌握现场总线的应用技术和

开发技术的人才少，企业在调试和运行时经常会遇到困难。

再者，与传统控制系统相比优点不明显。以智能化现场仪表为基础的现场总

线系统与传统系统相比，其优点不仅在于控制方面，更多的在于自诊断、自校正

等自动管理方面。但是，目前国内用的系统大多数不大，没有把管理自动化和远

程诊断功能纳入系统，因此无法发挥现场总线系统降低运行维护费用的优势。

在技术方面，当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果，用户希望这

时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证；现有

的防爆规定限制了总线长度和总线上所挂设备的数量，也就限制了现场总线节省

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电缆优点的发挥；系统组态参数过分复杂，不容易掌握。但组态参数设定得好坏，

对系统性能影响很大。

在应用中，现场总线的开放、互联性及互操作性决定了与之俱来的不可避免

的安全问题。

外部网是一个由现场总线实现的自动化系统，是和企业的 Intranet 紧密结

合在一起的，存在着与 Internet 普通应用相同的种种威胁，包括窃听、盗取资

料、非法获取控制权、进行破坏、阻碍通信等。要解决这些问题，必须建立起一

套适合企业的针对现场总线应用的安全策略。在 Intranet 内部，人们容易放松警惕。由于现场总线多应用于化工、电气

及楼宇自动化控制中，这些场合都要求系统连续运行，因此现场总线可能受到的

攻击时间与普通应用相比长得多。

综上所述，现场总线并不是为解决传统控制系统不能解决的问题而出现的，

它的主要优点是更灵活、更开放，并为采用新型系统维护方式和企业管理模式提

供了可能。但对于以价格为首选条件的场合，系统规模较小、控制对象分布比较

集中的场合，以及没有扩展设备智能诊断和管理要求的场合，现场总线并不一定

是最佳选择。

1.4 本文的主要工作和论文结构

在本课题中，研究并实现的内容主要是：

（1）明确制氧工艺的要求，结合宝钢目前制氧控制系统的使用情况，进行

控制设备选型。

（2）进行空压机系统、预冷系统、分子筛纯化系统、空气分离系统、氧、

氮压缩机系统、储罐系统、水处理系统等系统的控制组态设计。

（3）研究并实现空压机、氧压机、氮压机、膨胀机等机组的防喘振控制。

（4）对空分系统原始设计方案进行优化，使之更符合宝钢生产运行的实际

要求。

（5）研究并实现现有多台空分与产品压缩机之间的联锁保护。

（6）进行以上各系统的监控画面、历史库及数据趋势、报表打印等组态设

计。

本文的结构安排如下：第一章为绪论，简要论述论文研究的背景和意义，概

述空分流程及控制系统的发展；第二章为制氧工艺及控制要求，概述制氧工艺流

程，简要论述空压机、分子筛、膨胀机等机组的控制要求；第三章为空分控制系

统系统结构，阐述空分装置对控制系统的要求及控制系统的选用情况，论述控制

系统的系统结构，详细阐述过程控制组态、监控画面组态及历史趋势组态技术与

实现。第四章为空压机防喘振控制设计，介绍压缩机喘振现象及防喘振控制技术，

阐述空压机防喘振控制器的设计与实现。第五章为氧压机控制设计，根据氧压机

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运转的特殊要求，阐述氧压机控制技术。第六章为空分联锁系统优化，对制氧机

整体的联锁保护进行论述；阐述空分区域、产品压缩机以及管网的优化控制方案。

第七章为总结和展望，对论文工作进行总结，提出进一步工作的方向。

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第二章制氧工艺及控制要求

2.1 制氧工艺概述

空分工艺的基本原理是利用空气组分沸点的不同将各组分从液体空气中分

离出来。氧气和氩产品被冷箱内的泵压缩为液体，经主换热器复热后去管网。低

压氮气经主换热器复热后去涡轮压缩机增压[7] [8]

。液体产品如下为液氧（LOX）、

液氮（LIN）、液氩（LAR）。为此，空分装置主要由以下几个部分组成：

- 空气压缩和预冷系统。

- 分子筛纯化系统，去除加工空气中的水蒸气、大部分碳氢化合物和二氧化碳。

- 换热器系统，将加工空气冷却到接近液化温度，同时加热产品。

- 精馏系统。

- 氩产品内压缩系统。

- 氧气、氮气产品压缩系统。

- 液氩/液氮储存系统。

- 水处理系统。

图 2-1 为工艺流程简图。

空气压缩系统：吸入空气首先通过空气过滤器（S1146），去除其中的灰尘和

物理杂质。然后通过空压机（C1161）增压到所需的工艺压力。

预冷和纯化系统：压缩空气在空冷塔（E2416）内和两级冷却水进行逆流直接接

触后被冷却和洗涤。在空冷塔下部，空气由循环冷却水预冷；在空冷塔上部，空

气被由从水冷塔（E2417）来的冷冻水进一步冷却。同时，下流的冷却水将加工

空气中可溶于水的杂质洗涤。剩余的杂质如水蒸气、CO2、N2O和潜在的危险物质-

碳氢化合物，在通过两个分子筛吸附器（A2626A/B）时被吸附。分子筛吸附器由

来自精馏装置的污氮气经加热后循环再生。在加热再生阶段，通过蒸汽加热器

(E2617)将再生气加热到所需温度。

热交换和精馏系统：来自分子筛系统（A2626A/B）的干燥纯净的加工空气，

在主换热器组(E3117,E3118,E3119,E4518)内与污氮气以及产品流进行热交换

后，被冷却到接近冷凝温度。低温空气分离工艺所需的冷量通过透平膨胀机

（X3471A/B）产生。压缩和纯化后的加工空气在透平膨胀机驱动的增加机

(C3420A/B)内被进一步压缩，然后被透平膨胀机（X3471A/B）吸入，膨胀后进入

低压精馏塔（T3212）的中部。

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图 2-1 工艺流程简图 Fig.2-1 Diagram of technics process

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来自主换热器的冷空气在压力塔（T3211）中进行初步分离。塔顶部为纯氮

气，下部釜液为富氧液空。压力塔（T3211）顶部的纯氮气在主冷凝蒸发器（E3226）

中和来自低压塔（T3212）的液氧换热后被冷凝，液氧被蒸发。冷凝蒸发器内的

液氧由工艺氧泵（P3366）从低压塔（T3212）釜液中抽取。冷凝下来的液氮一部

分作为压力塔（T3211）的回流液，一部分经过冷器（E3316）过冷后作为低压塔

（T3212）回流液。蒸发后的氧气返回低压塔。来自压力塔的富氧液空经过冷器

（E3316）过冷后进入低压塔（T3212）作为氧气来源。最终的分离在低压塔（T3212）

内完成，纯液氧和气氧产品在低压塔底部抽出，纯氮气在低压塔顶部抽出。来自

低压塔（T3212）的不纯氮气（污氮）在过冷器（E3316）内将冷量传给回流液体，

然后通过主换热器（E3117）离开冷箱，其中一部分作为分子筛装置（A2626A/B）

的再生气，另一部分去水冷塔（E2417）。

氩的提取：来自低压塔（T3212）的富氩气体作为一级粗氩塔（T4110）的吸

入气。一级粗氩塔顶部气体进入二级粗氩塔（T4111）的底部，进行最终的脱氧。

二级粗氩塔(T4111)顶部气体在冷凝器（E4116）内被来自压力塔（T3211）的液

空沸腾冷凝，冷凝液作为一级粗氩塔和二级粗氩塔的回流液。二级粗氩塔(T4111)

釜液通过氩回流泵（P4566）送回一级粗氩塔(T4110)顶部。在二级粗氩塔(T4111)

顶部，部分脱氧的粗氩被从冷凝器（E4116）集管出口引出，进入精氩塔（T4112）

中部,在精氩塔内脱氮。在精氩塔（T4112）顶部的冷凝器(E4118)内，来自压力

塔（T3211）的液空受热沸腾；同时精氩塔顶部气体被冷凝成液体，作为精氩塔

的回流液参与精馏。从冷凝器（E4116）来的一股反吹气流将分离出来的氮气吹

走，排入大气。精氩塔（T4112）底部釜液中，一部分液氩在蒸发器（E4119）和

液空换热后被蒸发，提供精氩塔（T4112）精馏工艺所需的上升气；另一部分纯

液氩作为产品去储罐。

氧氮氩产品：来自低压塔（T3212）底部的液氧通过空气液氧再沸器（E3217）

蒸发，然后进入主换热器（E3118）复热后离开冷箱；最后，在产品压缩机（C1561）

内压缩到所需压力。

气氮产品从低压塔（T3212）顶部引出，在过冷器（E3316）内和回流液体换

热回收部分冷量后，通过主换热器（E3119）离开冷箱。一部分通过氮气产品压

缩机（C1761,C1861）进一步压缩至所需产品压力。

液氧产品是氧工艺泵（P3366）流量的一部分，在过冷器（E3316）中过冷后

去储罐。液氮可从低压塔（T3212）顶部抽出送到储罐。去储罐的液氩从精氩塔

（T4112）釜液中抽出。

来自储罐的液氩通过内压缩泵（P4568）提高到所需的产品压力，然后进入

冷箱管线。压缩液氩在主换热器（E4518）内蒸发、复热，然后作为气氩产品离

开冷箱。

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液体备份系统：液氮产品从冷箱抽出后，储存在液氮罐（D7310）中。当氮

压机停车时，这个液体罐将确保中压氮的供应；此时，液氮从罐中抽出，通过备

份泵（P7366）提高到所需压力，在水浴式蒸发器中蒸发，然后供应到管网。

液氩产品从冷箱抽出后，储存在平底罐（D7510）中。需要时，通过液氩泵

加压后，由（P4568）增压后，经蒸发器蒸发，供应到管网。

2.2 控制要求

2.2.1 空压机控制

空压机控制原理如图 2-2 所示。通常情况空压机在定压和定流量下运行，当

压力或流量过高时，通过调节 PV 阀（入口导叶）和调节放散 FV 阀（放空阀）放

空流量，以保持一定的压力和流量并避免喘振发生。当产品需要量变化时，需要

图 2-2 空压机控制原理

Fig.2-2 AC control principle

对空压机的流量、压力、温度等进行控制，一般空压机在保证液体产量不变的情

况下，变工况流量调节范围在 75％～108％之间。图中是通过进冷箱的空气流量

FC2 来调节MAC入口导叶，使进冷箱的空气流量保持在设定值附近[9]。

防喘振控制原理：比较实用的自动防喘振控制是当离心式压缩机流量过小，

压力过高时，自动打开放空阀为出发点设计的。UY引入空压机出口压力，空压机

出口流量，结合空压机厂家提供的喘振曲线去控制放空调节阀，以避免喘振发生。

为安全考虑，放散阀FV应选气关阀。当喘振发生时，确保快速疏散，在考虑现场

维护方便的情况下，放散阀FV应尽量靠近主管，放散管道至消音器的距离也最好

短一些。具体控制原理为，压力、流量以百分比形式进行比较，压力为Y轴，流

量为X轴。根据试验，得出喘振时压力——流量的函数关系，根据此关系得出一

个流量下对应的喘振压力。实际压力大于理论喘振压力则发生喘振，否则安全[10]。

2.2.2 分子筛纯化控制

分子筛吸附的作用是清除空气中的水分和二氧化碳以及乙炔等碳氢化合物，

以保证空分设备安全运转；在吸附后还要进行再生，以保证分子筛吸附器的连续

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使用。一般分子筛吸附器的再生过程如图 2-3 所示。整个再生和工作过程必须严

格按照规定的控制程序和时间、压力、差压等条件以及前一步动作完成后有关阀

门的开关状态来进行。

depress heat cold repress switch

absorb

图 2-3 分子筛再生过程

Fig.2-3 MS regeneration process

目前分子筛工艺一般有变压吸附PSA与变温吸附TSA两种。分子筛对混合气体

有选择吸附的功能，其吸附能力的大小随温度、压力的变化而变化，低温、高压

有利于吸附，高温、低压有利于解吸，变压吸附和变温吸附依据的就是这一基本

原理，见图 2-4[11]。曲线 1、2是在温度Tl、T2时的吸附曲线。bl和b2是在温度Tl、

压力Pl和P2时的吸附容量。P、T、 S、 A 是 Pressure、 Temperature、 Swing、

Adsolpdon的缩写。

图 2-4 吸附容量与压力、温度的关系曲线

Fig.2-4 diagram of adsorb capability and pressure, temperature

PSA 优点：在空压机与分子筛之间仅需要一个冷却器，可省去 DCAC 系统，

无需蒸汽加热器，杜绝了冷却水进入分子筛吸附器和换热器。缺点：床多，阀门

多，切换频率高，对阀门的要求较高，设备寿命短，流程复杂。

TSA 优点：流程简单，使用周期长，事故处理余地大。缺点：需 DCAC 系统，

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蒸汽加热系统成本较高。

在宝钢现有的 7套空分装置中，5#空分采用了分子筛 PSA 工艺，其它空分均

采用了分子筛 TSA 工艺。

2.2.3 液空、液氧纯度控制

下塔的液空、液氮是提供给上塔作为精馏的原料液，因此，下塔精馏是上塔

精馏的基础。妥善地控制液空、液氮纯度的目的在于保证氧、氮产品纯度和产量。

液空纯度高时，氧气纯度才可能提高。液氮纯度高而输出量大时，氮气纯度

才能达到理想纯度。但是，液空、液氧的纯度是互相制约的。一种纯度高，另一

种纯度必然降低。并且，液空、液氮的纯度和各自的输出量也互相制约，提高其

纯度，流量必然减少。因此，液空、液氮的纯度和导出量有个平衡点，需要稳步

地、认真仔细地寻求。

下塔的操作要点在于控制液氮节流阀的开度。就是要在液氮纯度合乎上塔精

馏要求的情况下，尽量加大其导出量。这样可以为上塔精馏段提供更多的回流液。

回流比的增大可使氮气纯度得到保证。与此同时，下塔回流比会因此而减少，液

空纯度会得到提高，进而可以使氧气纯度得到提高。

液氮节流阀的合适开度需要通过液氮纯度与气氮的纯度差来判断。在正常情

况下，喷淋液氮与出上塔气氮纯度相等或液氮稍低，允许液氮纯度低于气氮纯度

0.51%～2%。纯度越低，其差值越大；纯度越高，差值越小。当气氮纯度高于 99.9%

时，则应使液氮纯度相当于气氮纯度。

如果出现液氮纯度很高，而气氮纯度比液氮纯度还低的不正常现象，则说明

导入上塔的液氮流量太少，从而造成上塔顶部塔板的液体不足，精馏段回流不够，

氮气纯度无法提高。同时，下塔也会因液氮节流阀开度太小，回流比增大，液空

纯度下降，进一步造成氧气纯度降低，此时，液氮节流阀开度必须加大。这时，

液氮纯度虽然会有所下降，但是气氮纯度反而能提高。

在具有污液氮节流阀和纯液氮节流阀的流程中，在操作时，通常用污液氮节

流阀控制液空纯度，而用纯液氮节流阀控制液氮纯度[12]。

2.2.4 膨胀机控制系统

透平膨胀机是空气分离设备获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳

定运行的心脏。其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨

胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目

的。透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。

膨胀机是一种工作在超高转速、高压力，大气量状态下的机械设备。机组的

辅助工艺系统和控制条件复杂，对机组的自动控制和自动保护功能要求很高。所

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以需要控制系统的可靠性高，控制能力强，反应速度快，信息处理范围广。

透平膨胀机的保护控制系统主要是防止发生“飞车”事故和轴承烧坏。具体

措施是先切断膨胀机进气，后卸负荷。

（1）对于电机制动的膨胀机，飞车事故大都是由于电机故障引起的。在运

转过程中，电机处于发电机制动状态，一旦电机线路或电机本身发生故障，制动

力矩消失，电机失去了制动作用，就会造成膨胀机超速。它用一测速发电机来

测量转速。在启动时，膨胀机转速逐渐升高，到一定转速时，测速发电机发出信

号，使制动电机合闸，膨胀机在制动状态下工作。一旦超速，测速发电机的信号

使三通电磁阀断电，同时报警。三通电磁阀控制的活塞式蝶阀气缸内的空气迅速

排空，切断膨胀机进气。同时阀杆转动，碰上挡板和限位开关，将电机电源切断，

紧急停车。限位开关的作用是使电机必须在确实切断进气后再停电，以确保先断

气，后卸负荷。

（2）此外，当油压过低或轴承温度升高时，都能通过继电线路切断三通电

磁阀电源，使膨胀机紧急停车。

（3）风机制动的膨胀机的保护系统由气动薄膜调节阀、三通电磁阀、气动

遥控板等组成。薄膜调节阀平时作调节流量用，发生事故时作紧急切断用。当膨

胀机超速时，安装在转速计上的超速继电器使负荷风机上的三通电磁阀断电，切

断到调节阀膜头的信号压力，将阀迅速打开，使膨胀机在最大负荷下运转，转速

下降。如果转速仍然升高，则转速计上另一继电器切断膨胀机进口三通电磁阀，

使低温薄膜调节阀膜头内的空气迅速放空，阀门关闭，切断膨胀机进气，并发出

声光报警信号。

为保障生产的安全进行，防止设备损坏，增压压缩系统设有防喘振保护，通

过调节入口导叶和旁通阀开度，用于控制通过增压压缩机的流量和压力。

（1）流量控制

由图 2-5 喘振曲线示意图可知，当增压端的流量进入到喘振区时，压缩机自

动进入防喘振保护控制，此时旁通阀调节器自动调节旁通阀的开度，使其完全打

开。为了防止增压端的流量突然达到喘振流量而损坏设备，一般设置一条与喘振

曲线相平行的防喘振控制线，当流量达到控制线时，调节器自动调节旁通阀的开

度，降低设备发生喘振的几率。

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图 2-5 膨胀机喘振示意图

Fig.2-5 Diagram of Expander Surge

（2）数学模型的建立

由喘振试验得到压力比与吸入流量关系曲线，将曲线近似直线处理，取其中

两端点坐标（x1,y1）,(x2,y2)作为固定点，得到对应的数值，由函数式 Y=aX+b

得到 a、b值，就可以绘出喘振曲线。

防喘振控制线是由大于喘振流量 10%的余度而建立的。当补偿后的进口流量

小于喘振曲线对应的流量时，旁通阀调节器自动将阀全开；当流量低于控制线对

应值，且未进入喘振区，旁通阀调节器会自动调节阀门的开度；当流量达到工作

区时，旁通阀调节器自动调节并逐步关小。

（3）入口导叶和旁通阀的控制

入口导叶和旁通阀的控制均采用手/自动调节方式和就地/远程控制方式，通

过串级回路实现手/自动调节，并进行阀位跟踪，为系统的运行提供可靠的保证。

膨胀透平系统的防喘振就是通过控制入口导叶开度、旁通阀开度，从而调节

压缩机的进口流量和压比来实现的。

2.3 本章小结

本章首先详细介绍了空气分离的基本原理，从工艺流程的角度，分别对空气

压缩、预冷、纯化、冷量提取、热交换、空气分离、氩的提取、产品及备份等系

统进行了说明。

在此基础上，分别对原料空气压缩机控制、分子筛纯化控制、液空及液氧纯

度控制、膨胀机控制进行了讨论，讨论了相关机组的控制要求。

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第三章空分控制系统系统结构

3.1 系统的控制要求

本套空分装置设计产量如表 3-1 所示。选择分子筛常温净化空气、增压透平

膨胀机制冷、规整填料塔、全精馏制氩、氧气外压缩的常规工艺流程。

整个控制系统包括空压机系统、分子筛纯化系统、预冷系统、膨胀机系统、

空气分离系统、氧压机系统、氮压机系统、液体储罐系统、水处理系统等部分，

涉及到模拟输入量 832 个，模拟输出量 184 个，数字输入量 720 个，数字输出量

432 个，共计 2100 多点。

表 3-1 空分设计产量

产品名称单位产量纯度出冷箱压力

氧气 Nm3/h 60000 ≥99.6％O2 45～50kPa

氮气 Nm3/h 64000 O2<5ppm 8kPa

液氧 Nm3/h 1000 ≥99.6％O2

液氮 Nm3/h 1000 O2<5ppm

液氩 Nm3/h 2000 O2<2ppm N2<3ppm

对仪控系统的要求：

（1）整套制氧机设备的测量和控制以中央集中控制室为主，就地检测为辅，

空压机、氧压机、氮压机、膨胀机设机旁操作盘，紧急情况下在集中控制室和机

旁操作盘均能紧急停车。

（2）控制系统对整个制氧机组（空气过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、

分子筛纯化系统、分馏塔系统、膨胀机、氧压机、氮压机、三液系统、循环水处

理等）的过程参数实现监视和控制，具有显示、操作、报警、调节、记忆、启动

联锁和保护联锁等功能，有关的联锁保护将根据工艺要求自动启动和停车，打开

和关闭阀门。

（3）空压机、膨胀机、氧压机、氮压机设置硬件联锁控制系统。压缩机所

有防喘振控制逻辑回路所耗时间要求不大于 100ms。

（4）压缩机（空压机、氧压机、高压氮压机、中压氮压机、膨胀机等设备）

配置相对独立的振动和轴位移检测装置和监视系统，该设备采用 Bently Nevada

BN3500 产品，监视系统布置在中控室内，信号由监视系统（4－20mA DC）送到

DCS 显示、报警及趋势记录。

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（5）控制、报警、监视和保护的基本功能根据控制回路独立完整的原则设

计，保证在某一控制回路失效时不会导致其它控制回路失效。各保护功能应具有

独立性，确保生产人员及设备的安全。

（6）对各涉及重故障联锁的检测回路，在回路开路时保持原有效指示值，

只产生声光报警，不产生跳车动作。

（7）监控画面除显示各数据的数值外，同时显示数据的正常、报警、联锁

等状态信息，能从监控画面对所有显示数据进行手动强制操作。

（8）兼顾管网上的其它空分机组，避免空分故障或检修状态下对其它空分

造成影响。

3.2 控制系统的选用

宝钢股份公司制氧系统目前共有 7 套制氧机组，所采用的 DCS 控制系统为

ABB infi90 系统与 FOXBORO IA 系统两种。这些制氧机组已经历了多年稳定运行

的考验，考虑到设备日常运行和维护的成本性和技术上的继承性，本文主要针对

ABB infi90 系统与 FOXBORO IA 系统进行分析比较，确定设备选用。

3.2.1 系统的可靠性

系统的可靠性是系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，用

MTBF（平均故障间隔时间）来衡量。MTBF越大，系统的可靠性越高。一般DCS的

MTBF都在 50000 小时以上[13]。

ABB infi90 系统在宝钢股份公司制氧系统使用已有 10 年有余，迄今为止出

现的故障多数为电源模件、多功能处理模件故障及通讯设备接线松动等，因系统

进行了冗余配置，尚无由于系统软硬件原因导致空分故障的案例。系统卡件受湿

度影响较大，多次出现由于湿度较大而导致的系统异常报警、部分控制功能紊乱

的现象。

ABB infi90 电源系统采用了 N+1 冗余供电，电源模件 PAS02 以这种方式为

主模件及各 I/O 模件供电。当机柜的模件层数为 N时，电源模件就以 N＋1或＋2、

＋3配置，在宝钢 6#空分 DCS 系统中，以 N+1 设置。这种冗余设置在理论上具有

较高的可靠性和较高的裕度，但在生产过程中，因无法实时监测电源模件的实际

工作情况，因此也就无法正确评估电源系统的工作能力，出现过因电源供电能力

不足引起部分控制信号丢失的现象，也出现过在更换电源模件时，剩余电源模件

供电不足而引起系统跳车的事故。

FOXBORO IA 系统在宝钢股份公司制氧系统使用时间较短，约 5 年左右，出

现的故障多数为 I/O 卡件故障、电源模件故障、通讯故障等，发生过因温度输入

模件故障导致空压机跳车的案例，但该跳车通过软件设置可予避免。在设备安装

调试中也发生过 I/O 卡件故障。

各操作站（包括工程师站）仅在节点总线扩展组件之间进行标识。其硬件配

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置可以相同。硬盘内容除由于权限不同所装软件不同外，其它内容均相同。基于

这样的配置规则，为日常维护带来了诸多便利。

此外，FOXBORO IA 系统从监控画面不但可以监测生产状况，还可以实时监

测系统的硬件状态，内容覆盖到所有控制、通讯网络的设备，提醒生产操作和设

备维护人员及时确认、处理，避免故障的扩大。设备信息界面见图 3-1。在近几

年的生产实践中，凭借该功能，及时发现和处理了多起通信模件、打印机故障。

图 3-1 FOXBORO 设备信息界面

Fig.3-1 FOXBORO equipment information interface

3.2.2 系统的使用性能

系统的使用性能是选择DCS系统时需要关注的又一因素。必须考虑各系统是

否能满足设计目标实际的要求，包括功能方面和性能方面的要求。例如，系统的

控制功能是否满足控制方案的要求，实现是否困难，控制操作是否方便，系统的

信号处理、隔离水平、防爆能力、信号驱动能力等是否满足现场要求，系统人机

界面是否友好，是否采用窗口显示功能，系统的报警提示是否全面，报表的制作

和打印是否方便和全面等[14]。

这两个系统经过较长时间的发展完善，基本都代表了目前 DCS 系统的最高水

平，在实现控制方案方面差别不大。系统的信号处理、隔离水平、防爆能力、信

号驱动能力等也都能较好地满足现场要求。系统的报警提示、报表的制作和打印

都较方便。随着操作平台的升级换代，ABB infi90 系统与 FOXBORO IA 系统的操

作维护的人机界面都更加友好。

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ABB infi90 系统支持在 Windows NT 操作平台下利用 Wintools 或 Composer

等工具进行组态编程。近几年又推出了 PGP（Power Generation Portal）超越者操

作员站，它是一个基于 Windows 操作系统，具有 web 功能的人机接口（HIS），它

提供了一个面向对象的平台，用于信息的集成，并使用户可以在一个统一的窗口

环境内对信息进行浏览。PGP 可以与绝大多数的 ABB 的控制器，如

Symphony/Harmony、Freelance 800F、AC800M，以及任意能提供 OPC 软件的第三

方控制器配合使用。PGP 作为 ABB 公司推出的新操作员站，不但给出了编制 OPC

服务器的工具，又具有强大的数据库和一些网络套件，功能也更丰富、开放，数

据库、图形可直接转换，解决了老操作员站和 ConductorNT 存在的不足。虽然在

功能、开放性等方面可能还不如某些通用操作员站，但是 ABB 可保证 PGP 与 DCS

后续一致的技术支持和保证，费用也大幅下降。

该系统存在的不足：不支持在线组态修改，每次修改组态均需要停机时进行。

同时 PGP 与控制器的通讯速度也需要进一步提高。

FOXBORO IA 系统在软件上采用与标准的 UNIX 系统完全兼容的 VENIX 和

图 3-2 FOXBORO IA 基于 WINDOWS XP 的组态界面

Fig.3-2 FOXBORO IA program interface based on WINDOWS XP

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SOLARIS 操作系统。近几年又推出了基于 Windows XP 平台的操作系统，人机交

互界面得到进一步提高。软件备份、文件传输等操作更为便捷。支持在线组态修

改是它的一个很大的优点。由于调试、检修作业的需要，一些工艺参数经常需要

调整、修改。FOXBORO 系统支持在线组态修改，可有选择地部分下装程序，不会

为正常运转的机组带来生产波动，给日常维护工作带来诸多便利。组态界面见图

3-2。

该系统存在的不足：在组态界面方面尚有不足，基于 Windows XP 平台的操

作系统并未从根本上改善原先的填表式组态方式，为故障分析查找带来了诸多不

便。

3.2.3 系统的先进性

众所周知，仪控系统尤其是 DCS 系统发展、淘汰都比较迅速，因此在选择系

统时，先进性就成为必须考虑的又一个重要因素。系统的先进性主要是指系统是

否符合 DCS 的最新发展及水平，是否采用了先进的国际标准，体系结构是否符合

最新潮流。在考虑系统的先进性时，以下几个因素需要注意：

系统的体系结构和开放性。系统可开放性包括系统硬件、网络、操作系统、

数据库等多方面的内容。首先，系统的网络特别是上层网络应该采用国际通用的

标准网络，硬件与其他通用网络系统具有互连性，DCS的操作站和工程师站监视

器、打印机等应尽可能采用国际标准和通用设计，并是市场上可购买到的设备，

这样对将来的升级和备件均有好处。DCS的数据库应可与通用数据库兼容[15]。

厂家为该项目所选用的系统应该是该公司所提供的成熟的最新产品，而不是

过时的、即将淘汰的系统。DCS 一般 5 年左右就会翻新一版，如果某厂家的 DCS

已用了五六年而该厂家又将推出新一代系统，那么旧系统可能会清仓销售，这样，

如果只是考虑到价格因素，买了过时的系统，将来就会遇到诸如备件供应、系统

升级困难等许多麻烦。

当今的 DCS 还应提供与通用 PLC、常用智能仪表的接口等。

ABB infi90 系统通讯结构分 4 层。如图 3-3 所示。INFI-NET 是一种环型网

络结构，用一对互为冗余的环形网进行串行通信来实现 PCU、OIS、工程师工作

站(EWS)以及信息管理系统(MIS)接口之间的信号交换，可带 250 个节点。环网通

信采用顺时针存储转发方式，通过是环路接口模件 NIS 实现，环网采用同轴电缆，

其通信速率设计为 10MHz。

控制总线/模件总线的通信采用冗余的两根双绞线进行，采取广播式自由竞

争的通信方式。即总线上的主模件，包括模拟主模件(AMM)、多功能主模件(MFP)

以及网络处理模件(NPM)等，需要通信时自由向总线发送信息，如果发生多个主

模件同时发送信息，主模件检测到“碰撞”，这时所有的主模件信息退回到模件

的缓冲器中，经随机延时后重新竞争发出。设计通信速率为 1 MHz。

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扩展总线的通信是系统中实现主模件同子模件的通信，采用 8位并行的数据

通信，另有时钟线和同步线。主模件按总线上的地址逐个进行扫描，获得子模件

上的各通道的数据及状态信息，通信速率为 500kHz。

图 3-3 INFI90 系统结构简图

Fig.3-3 Diagram of INFI-90 system structure

电源系统：INFI-90 相同模件的供电方式主要采用了 N+1 冗余供电，电源模

件 PAS02 以这种方式为主模件及各 I/O 模件供电。当机柜的模件层数为 N时，电

源模件就以 N＋1或＋2、＋3配置，电源模件配置数量的多少是根据各模件的负

载大小为原则配置的，这种供电方式具有较高的可靠性和较高的裕度。正常运行

中，任一或几个 PAS02 故障，均不会影响控制系统的正常工作。

该系统从 BAILEY 公司被 ABB 收购之后并无大的改进，大体仍停留在 5 年前

的技术水平及性能指标上。

FOXBORO I/A 系统采用的是国际上通用的通信标准，例如节点总线采用了

IEEE802.3 标准，载波局域网采用了 1EEE802.4 标准，控制系统与信息管理系统

方面，I/A 系统支持多种工业标准，例如 DECNET、TCP/IP、NOVELL 等，由于这

些标准的通信，该系统可以较方便地实现控制与管理的信息一体化。

实时控制的容错功能：I/A 系统的控制处理机采用了容错技术，所有与控制

有关的变量，都采用双机并用的容错技术。容错组态的控制处理机每个都运行相

同的控制软件，在输出到现场之前，两个处理机的输出加以比较，一旦发现差错

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就启动各自的自诊断程序，找出故障并发出报警，将好的处理机的输出送至现场。

保证每次送往现场的信号都是正确的。

通信系统的冗余配置：I/A 系统的通信，无论是现场总线、节点总线均为冗

余配置，一旦其中一路出现故障就自动切换到另外一路，不影响系统的正常运行。

所有的 I/O 转换互相隔离、互相独立。无论是数字量还是模拟量，每个通道都有

独立的隔离器和 A/D 转换器，有效地把可能出现的故障限制在最下的范围之内。

电源系统：I/A 系统的电源采用分散布置的矩阵式电源系统，将电源故障对

系统的影响降到最小。现场使用实践证明，这种矩阵式电源稳定性很好，宝钢制

氧系统应用最长的时间已有 15 年以上，一直工作稳定。

抗环境污染能力：所有的 I/A 处理器所采用的元器件都是低功耗、高性能的

元器件，所有 I/A 组件都是采用 SMT（表面安装技术）生产的，所有的 I/A 组件

都是密闭的，没有任何元器件暴露在外，这种全密闭的结构有效地防止了大气、

灰尘、静电等环境污染，使 I/A 系统长期运行的故障降到最低。

3.2.4 系统的经济性

由于成本控制的关系，选择 DCS 时，经济性称为另一个重要因素。经济性能

是一个综合指标，而不是单单一个价格因素。经济性一般包含以下方面：

系统本身的价格。一般而言，在同等性能条件下，价格最优者优先中标。在

考虑这一问题时，应首先确保系统的配置合理。

系统投运的经济效益。

因为系统要求而必须实施的现场改造费用。这对于改造项目尤其重要，对很

多老的装置，所采用的仪表都很旧，但仍能使用。如果 DCS 可以直接相接，则改

造费用就可以降低，否则，改造费用就会加大。

系统维修费用，系统的维修费用是指用户购买备件的价格、多少以及售后服

务的费用，在许多情况下，有些厂商为了在竞争中获胜，大力压低价格，降低可

能的利润。但一旦系统中标，合同签订后，厂家就会通过提高备件价格或售后服

务价格而获取利润。

随着 DCS 技术的不断进步以及竞争的激烈加剧，ABB infi90 系统与 FOXBORO

IA 系统的集成成本也越来越低，二者均采用通用的工业用 PC 取代了专用的工作

站，尤其是前者，采用通用工业 PC 后，省略了原来承担操作站与控制器之间通

信任务的通信卡件，而这些卡件费用都比较高。尽管如此，FOXBORO 系统在价格

方面占有很大优势，同时，因为 ABB infi90 的备件价格也较高，因此在近几次

招标中 FOXBORO IA 系统均胜出。

3.2.5 售后服务

DCS 是一种复杂、涉及多学科技术的系统，因此，一套先进、可靠、实用的

DCS 需要强有力的管理有序的技术班子才能设计、开发出来，更需要一个设备先

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进且管理严格的生产组织才能保证生产质量。而 DCS 的售后服务同样受厂家的经

营管理方针、管理水平、人才能力的影响。

随着 DCS 的发展及各系统之间的竞争加剧，各厂商越来越重视售后服务。但

总的来看，ABB 公司由于总部地处北京，每次服务都要进行人员调配，服务的及

时性还有待进一步增强，同时，由于 infi90 系统近几年并无大的改进，infi90

系统也不是 ABB 公司重点推出的产品，因此服务人员对该系统的掌握程度还不能

现场的要求。

相比而言，FOXBORO 公司与宝钢同处上海，技术支撑和服务就比较便利，同

时，FOXBORO 公司的后续产品都与前期产品保持兼容，现场对厂家技术服务的满

意程度普遍较高。

3.2.6 系统的选用

综合以上比较分析，从设备的维护、备件管理以及发展规划等多方面因素综

合考虑，选用选用 FOXBORO I/A 系统，符合宝钢的工程实际需要。

3.3 网络结构

本文中网络结构图如图 3-4 图所示。采用这样的网络结构，具有如下特点：

1）系统处理机组件采用星形连接方式，通过Mesh控制网（Mesh 控制网络是

一种基于快速Ethernet IEEE 802.3u和GBit Ethernet IEEE 802.3z标准的交换

机Ethernet 网络）进行连接，形成过程管理和控制节点。

2)Mesh 控制网络为I/A Series 系统中的各个站(控制处理机、应用处理机、

操作站处理机等)之间，提供高速、冗余、对等的通讯，从而具有优异的性能和

安全性。

3)现场总线采用CP270控制器，使用FBI（现场总线隔离组件）进行信号和电

器隔离。FBM（现场总线通讯模件）经过FBI挂在总线上，它为控制处理机和现场

传感器/执行器提供接口，它们之间的通讯通过冗余的现场总线来完成。

4）包括控制器、操作站在内的设备均作为独立的设备处于网络连接中，网

络结构简单，层次分明。并列的操作站结构避免了相互之间因为有从属关系而相

互牵制。

5)电源系统、控制器、网络设备均采用了冗余结构，能够实现无扰切换。便

于故障检查和处理。

6)所有挂在网络中的控制设备的异常和故障均能通过操作站调用画面显示、

诊断和处理。

第 23 页


图 3-4 系统结构简图

Fig.3-4 diagram of system structure

第 24 页


3.4 硬件配置

本文中 DCS 系统主要包括控制器（CP 4 对）、I/O 卡件、工程师站 1 台、操

作站 4 台、报警打印机 1 台、报表打印机 1 台、画面打印机 1 台、组态画面打印

机 1台。其中控制器与工程师站、操作站通过网关相连，操作站与打印机通过网

关相连。

3.4.1 工程师站

工程师站为独立安装，装有系统软件和应用软件以及实时数据库、历史数据

库等管理软件。实现对空分系统控制组态、监控画面组态、历史及趋势数据的组

态功能。按照应用操作站处理机 AW 进行配置，具有应用处理机 AP 及操作站处理

机 WP 的功能，作为 AP 承担网络上的服务器功能，同时作为 WP 提供人机接口。

（1）过程控制组态

控制组态软件采用了 IACC，该软件可以通过项目浏览器，使用树形结构来

察看项目数据库，与 Windows 浏览器的文件夹展示较相似。与 ICC 相比，改变了

原来填表式组态方式，人机界面更加友好。如图 3-5 所示。

图 3-5 IACC 组态界面

Fig.3-5 Configuration Window of IACC

利用组态软件，分别对配置的 4对控制器（CS7101、CS7102、CS7103、CS7104）

组态控制。对所配置的 4对控制器，既考虑到工艺流程的分配，又考虑控制器的

负荷，其中 CS7101 实现空压机控制、空冷塔、水冷塔控制以及分子筛吸附系统

的控制；CS7102 实现空分系统包括膨胀机系统、精馏系统的控制；CS7103 实现

产品压缩机系统包括氧压机、中压氮压机、高压氮压机系统的控制；CS7104 实

现对水处理系统的控制。

（2）监控画面组态

组态工具使用 FOXDRAW 进行。本次设计中，充分利用 FOXBORO 软件功能，使

第 25 页


监控画面具有以下功能：

操作员通过操作站可以察看各生产数据对应的 I/O 卡件及通道号、信号的量

程、报警设定值等信息。如果是参与联锁的，还可以进行信号的追溯，有助于故

障分析和判断。

为实现以上功能，首先对模拟量输入/输出、数字量输入/输出、PID 控制模

块进行了模板设置，如图 3-6、图 3-7、图 3-8 所示。控制画面组态时，对这些

模板进行简单调用即可。

图 3-6 模拟量输入模板

Fig.3-6 Analog input module

图 3-7 数字量输入模板

Fig.3-7 Digital input module

第 26 页


图 3-8 PID 模板

Fig.3-8 PID module

通过以上设置，大大减少了监控画面组态工作量，提高了工作效率，同时提

高了数据显示、操作的可靠性。通过以上模板的调用，可显示如图 3-9 所示界面，

便于操作人员实时了解各数据包括数据所处的卡件位置、通道号以及量程、报警

及连锁设定值等相关组态信息。同时，由于调用了系统提供的标准模板，可实现

数据溯源查询。

为尽可能多地为操作人员提供各数据的有关信息，对各指示数据进行了动态

链接，如图 3-10 所示，同时予以标准化。

图 3-9 数据详细信息

Fig.3-9 Data’s detail information

在图 3-10 所示的 PID 数据链接中，除常规的位号、测量值、设定值、输出

值以及各数值的工程单位外，还引用了该 PID 模块的 ALMSTA（模块的报警状态）、

UNACK（报警信息未确认信息）、MA（手/自动状态指示）、TRKENL（模块的输出跟

第 27 页


踪许可信息）、BLKSTA（模块的运行状态）等信息，分别以监控画面的显示内容、

底色变化、可见/不可见指示、固定指示/闪烁等形式予以表现。

图 3-10 数据信息的动态链接

Fig.3-10 Dynamic link of data information

针对部分阀门需要接受两个 PID 控制器输出高选（或低选）信号，而未起作

用的控制器输出应实时跟踪起作用的控制器的输出这一控制要求，选用了 PIDX

模块。对涉及到的每个 PID 控制器进行“模块输出跟踪许可”设定，同时设定两

个输出保持的最小差值。经过以上设定，既满足了控制要求，提高了控制响应速

度，又能使操作人员可以实时了解起控制作用的 PID 控制器。

此外，在空分装置启动时，需要提示操作人员各启动准备条件满足与否；而

在空分故障、跳车时，也需要提示操作和设备维护人员故障原因。为此，对所有

压缩机（包括空压机、氧压机、氮压机）、膨胀机、液体泵均单独设置了监控画

面。对相关设备的启准条件、跳车故障等信息进行集中指示。通过该画面，可以

了解相关的联锁信息以及各联锁信号的当前状态。每个故障信号及复位动作均通

过 RS 触发器相关联，确保各故障信号在故障恢复后，显示状态只有在复位后才

允许恢复。满足了在开车、故障跳车时故障的分析、解决。如图 3-11 所示。

第 28 页


图 3-11 监控画面

Fig.3-11 Morniter and Control Display

第 29 页


（3）历史趋势组态及数据归档策略

历史趋势主要通过以下四个组进行组态。

采样组（Collection Points）存放要采集的过程数据采样点的名称及其采

集要求。采集来的数据可以直接用于历史趋势线的显示。采样点的个数由系统组

态时确定，所有点的采样周期都可组态成 2 秒（2 秒点的个数不超过 10％）。每

个点采集来的记录先放在内存中，满 100 条记录后一起送到一个循环文件中。

浓缩组（Reduction Groups）提供了对采集来的大量过程数据进行归约浓缩

再加工处理的方法，经过浓缩组处理的数据可提供给过程报表使用，也可以将浓

缩处理以后的数据再次进行浓缩，即串接浓缩。系统提供了八种浓缩算法：SUM

（合计值）、AVG（平均值）、MAX（最大值）、MIN（最小值）、STDV（标准差、KURT

（曲线峰态）、HIST（频度密度）、USR（用户自定义）。

信息组（Message groups）用来存放整个系统的信息。这个组的成员在系统

装入时就已组态好，用户只可修改组态参数，不能在这个组中加入或删除任何成

员。

归档组（Archive groups）：以上三个组的数据只能保存制定的时间或记录

条数，超过以后，新写入的数据将覆盖最早的数据。归档组定义它的这些成员什

么时候需要归档，然后有系统操作员定期将归档的数据拷贝到磁带或磁盘。

3.4.2 操作站

操作站布置在控制室内，电源由 UPS 供电。实现操作人员监视和操作控制制

氧机组设备功能。操作员的操作、工艺参数的报警由在线打印机自动记录并打印。

包括了工艺流程画面、报警画面、趋势画面、报表画面、操作记录和 DCS 设备诊

断维护画面等。除监控功能外，操作站还提供单个操作画面修改、软件的备份、

参数修改功能。

3.4.3 分析仪

分析仪共配置 17 套，设置在成套供货的分析机柜内，各工艺参数送入 DCS

系统，进行显示、记录、报警等处理。

（1）在分析仪采样管道上采用了电磁阀，分析仪标定维护可在分析仪器上自动

完成。通过 DCS 系统，操作人员可进行遥控，直接切换各个采样分析点，提高了

自动化程度。

（2）实现了 DCS 上对分析仪工作状态的无扰动切换。当 DCS 系统上切换至维护

状态时，相关联锁作用失效。当切换回工作状态时，联锁作用再重新投入，同时，

分析仪盘上配置了指示灯，以显示工作/维护状态。有效防止了仪表检校中因沟

通失误造成的设备跳车隐患。

（3）分析采样管道上增设了流量开关，当分析采样流量达不到要求时，DCS 产

第 30 页


生报警提示。

表 3-2 分析仪表

数量用途测量原理量程制造厂

1 分子筛空气中

的CO2含量红外 0-10ppmCO2 Servomex

1 电容式

二套探头 0-100ppmH2O Panametrics

3

产品氧气纯

度、液氧、氩

馏分含氧量

顺磁 98-100%O2 Servomex

1 氮氧化物红外 0-10ppm Servomex

3

产品氮气纯

度，液氮

LP/HP-GAN

氧化锆 0-10ppmO2 Servomex

2 粗氩含氧量、

废氮顺磁

0-100/0-5%

O2 Servomex

1 氩馏份含氩量热导式 0-15% AR ABB，Teledyne

1 粗氩中氩含量热导式 80-100% AR ABB，Teledyne

2 氩中的氧含量氧化锆 0-10ppm O2 Servomex

1 氩中的氮含量光谱分析 0-10ppm N2 Kontrol

Analytic

1

碳氢化合物含

量

二个取样点：

液氧罐

冷凝器出口

FID ppm CH4 等效

值 Teledyne

3.4.4 振动控制系统

各压缩机（空压机、氧压机、高压氮压机、中压氮压机、增压膨胀机等设备）

均配置了独立的振动和轴位移检测装置和监视系统，采用了 Bently Nevada

BN3500 产品，跳车值设置在振动卡件中，每个输入信号对应两路输出，一路输

出为 4-20mA 送 DCS 信号，一路输出为跳车节点信号送 DCS 系统。在振动盘卡件

上通过设置，实现了压缩机开车初始阶段（加载前）振动（位移）跳车设定值 3

倍增益的功能。

3.5 本章小结

本章阐述了本套空分对控制系统的要求，并结合现场使用情况，对 ABB

INFI90 系统及 FOXBORO IA 系统进行了综合比较，最终选用了 FOXBORO I/A 系统。

讨论了控制系统的系统结构，在对工程师站、操作员站、分析仪表、振动控

第 31 页


制系统等设备功能进行介绍的基础上，阐述了过程控制组态、监控画面组态及历

史趋势组态技术与实现。

第 32 页


第四章空压机防喘振控制设计

4.1 喘振现象及防范措施

喘振是压缩机性能反常的一种不稳定的状态。喘振时压力和流量周期性

大幅度变化，进一步可能会产生流量的反向，由此引起过大的轴振动、轴位

移和发热，造成轴承、密封、叶轮和转子的损坏。即使没有明显的危险发生，

机组工作寿命和效率也会降低。

如因操作不当或设备管道故障，压缩机会发生喘振，可能会严重损坏机

组。因此防喘振控制是一个重要的安全控制，目的是使工作点始终处在限定

的范围内，而不是进入喘振区，以确保机组的安全运行。它的保护范围为机

组的整个工作范围。它综合考虑了压力（压比）、流量，加上入口温度和各级

间入口温度的补偿，形成了一个设定值。该设定值随着上述各参数的变化而

自动变化流量来调节。正常时放空阀（防喘振阀）全关，由于某种原因，工

作点进入喘振线，放空阀开始快速打开，流量增加，使工作点又离开控制线。

只要故障存在，工作点就始终在控制线左右移动，但工作点始终不会进入喘

振区。故障消除后，工作点将离开控制线，恢复到正常位置。

对应于某个工况，喘振可以用在任何时刻保证有一个最小流量来避免，

否则必须打开放空阀以补充这个流量差。防喘振保护控制也不能过早地动作，

否则将引起能量的损耗，为此控制方案必须精心设计。从控制技术的观点讲，

最感兴趣的是系统的动态特性。喘振发生得非常快，目前还没有在价格上可

以接受的工艺仪表来直接测量喘振，控制系统必须能识别喘振极限线有否被

越过。为此，通常人为地在喘振线右侧设定一条控制线，其形状与喘振线一

致，但与喘振线相距 5%－8%的流量量程值。该距离越小，放空阀打开的机会

就越小，能量损失越少，但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。该距离

越大，放空阀打开的机会就越大，越能保证机组的安全，但能量损失越大。

当空压机紧急停车时，一般要求放空阀从全关到全开的时间大约在 1s－2s，

高性能的阀门大约在 0.5s。只要很小的开度就足以保证压缩机恢复至稳定可

靠的工作状态。从全开到全关，由于需要克服流体阻力约需 10s，不能太快，

以求平稳。

4.2 喘振机理研究

图 4-1 是一个离心式空气压缩机向一个密闭容器内供气的模型，从图中

可以看出，当容器中压力达到一定值时，压缩机运行点由 D 沿性能曲线上升，

到喘振点 A，流量减小，压力升高，这一过程中，流量减小，压力升高，由 A

第 33 页


点开始到 B 点压缩机出现负流量，即出现倒流。倒流到一定程度，压缩机出

口压力下降（B-C），又恢复到正向流动（C-D）。这样气流在压缩机中来回流

动，形成喘振。发生喘振时流量大幅波动，机组剧烈振动，如不及时采取措

施加以控制，会使压缩机转子和静子经受交变应力作用而断裂；使极间压力

失常而引起强烈振动，导致密封及推力轴承损坏；使运动元件和静止元件相

碰，造成严重事故。所以应尽力防止压缩机进入喘振工况。

图 4-1 喘振的形成

Fig.4-1 Origin of Surge

如果压缩机进入喘振状态，由于气流的剧烈振荡性质，使机器处于极度

危险中，因此喘振不论对轴流压缩机还是离心压缩机都是严格禁止的。长期

以来人们一直致力于喘振这类复杂物理现象的理论和实验研究，取得了许多

显著成果。

Greitze 和 Moore 提出了分析压缩机失稳现象的统一模型，简称 M-G 模

型，这一模型在系统稳定性分析失速与喘振的数值模拟和压缩机动态特性模

型构造等方面已得到较好应用。Mccaughan 依据 M-G 模型，运用分叉理论分

析了压缩系统非稳定性的特性，定性地提出了经典喘振与深度喘振的区别。

经典喘振即没有回流的小振动，振动频率接近赫姆霍兹共振频率。深度喘振

即包涵完全混乱甚至倒流的振动，振动频率低于共振频率。并提出了压缩机

的动态响应规律与旋转失速的特性有关。与以上研究者不同，Elder 和 Gill

把离心压缩机喘振的特性与具体压缩机部件对非稳定产生的效应相联系起

来，大致把影响喘振特性的因素归纳为：特性线的压力梯度、进口导叶的冲

角、扩压器通道形成和集流器类型等。

4.3 防喘振技术的发展及现状

第 34 页


4.3.1 喘振被动控制

4.3.1.1 概述

在正常运行情况下，压缩机运行在工作点处，工作点的位置决定于流量

和压力，当入口流量减少、出口压力增加时将使压缩机工作点更靠近喘振线，

压缩机的运行状况随时变化如停机、入口或出口流量阀可能关小或关闭、即

通过流量改变影响压缩机运行，使之可能出现喘振。为避免离心压缩机进入

喘振区域，被动控制方式是在系统工作的最小流量点与喘振点之间留有足够

大的稳定区域，阻止工作点到达喘振点。对于空气压缩机，通过打开放空阀，

对于其他成分压缩机，通过打开连接压缩机出口与入口的旁通阀控制防止喘

振便可维持最小流量。

4.3.1.2 传统的防喘振控制

表征和分析压缩机运行的特性，一般用性能曲线，即用图形表示能量头

或压力和功率如何体积 Qv 而变化，如图 4-2 所示（其中 Pd 为压缩机出口压

力，Ps 为入口压力，n为转速）。

图 4-2 压缩机性能曲线

Fig.4-2 Compressor Performance curve

从图可知，不稳定的区域是喘振线左侧所有区域。只要保证压缩机吸入

流量大于喘振点的流量 Qp，系统就会工作在稳定区，不会发生喘振，因此，

控制系统就是用控制流过压缩机流量的方法来防止喘振，常用的控制方案有

2种：固定极限流量（最小流量）法与可变极限流量法。

固定极限法：从图上看，压缩机正常可达到的最高转速下的临界流量为

Qp，如果能保证在任何转速下，入口流量控制在大于 Qp＋S（S 为安全裕度，

可根据需要设定），压缩机就会工作在安全区。

可变极限法：固定极限法用于防喘振控制，优点是方案简单，系统可靠

第 35 页


性高，投资少，尤其适用于固定转速的压缩机控制。但在变转速时，如果机

组在转速较低的场合下运行，会造成流量裕度过大，能量浪费很大，对这样

的场合，可用可变极限法。

根据压缩机厂家提供的出厂压缩机的性能曲线及公式，经简化，可以得

到与喘振线平行的控制线，在不同的转速下，使压缩机运行在相同的安全裕

度下，不造成浪费。

一般情况，两种传统的控制方案，能满足大多数压缩机的防喘振控制要

求，但对一些特殊的运行场合，如入口压力、温度等工况经常变化，传统的

方法容易造成误操作。

4.3.1.3 工况变化对传统防喘振控制的影响

某些压缩机在运行过程中，工况条件会经常发生变化，如气体分子

量、入口压力和温度等的波动，偏离了原设计的工作状态，从而导致喘振条

件发生相应的变化。从图 4-3 中，可以清楚地看到，当气体分子量、入口压

力和温度变化时，喘振边界的变化情况。

此，在变工况条件下，原有的传统控制策略已经不再适合，它很容易

使防

种介质，如果保持工况相似，即

保持

的压比ε和效率不变。如果用ψ和 Ma 表示它们的性能曲线，ψ以

图 4-3 工况变化对喘振线的影响

Fig.4-3 Influence of surge line on various operating

因

喘振控制阀发生不必要的动作，造成机组的波动。

4.3.1.4 相似原理及其在压缩机上的应用

相似原理认为，同一压缩机，使用同一

机器马赫数 Ma、进口流量系数ψ、定容与定压比热系数值 k相等，当工

艺参数发生变化时，利用欧拉方程、能量方程、连续方程等，可证明压缩机

ZRTQ sv

表示（R为气体常数，Z为压缩性常数），Ma 以ZRTn s 表示（n为压缩机转

速），显然，这样绘出的性能曲线，与传统性能曲线相比，在应用时不受进口

第 36 页


条件限制，如分子量 Mw、入口温度 Ts、入口压力 ps 等变化时，性能曲线不

受影响，不会发生上图的变化，该曲线有通用的优点，故称之为通用性能曲

线。如下所示：

),( RQf v=ε ZRTnZT ss （4-1）

考虑到ZRTPQQ ssvm =，得出：

)( ZTQf=ε , RnPZRT sssm （4-2）

其中，Qm 为质量流量。

4.3.1.5 通用性能曲线在防喘振控制中的实际应用

之前，我们注意到，其

纵坐标参数 Pd/Ps 是很容易测量的，但

图 4-4 压缩机通用性能曲线

Fig.4-4 Compressor universal performance curve

在采用通用性能曲线用于机组实际的防喘振控制

ssm PZRTQ用常规仪表检测有一定

难度，且要求检测变量较多，实际上， ssm PZRTQ是可以简化的。

气体密度ZRTP ss=ρ （4-3）

节流装置检测公式为：ρhKQ =m （4-4）

将以上二式代入 ssm PZRTQ，可得：

sssm PhKPZRTQ = （4-5）

这样，通用性能曲线横坐标为 sPhK，总坐标为 Pd/Ps，只要检测 3

第 37 页


个变量，Pd、Ps、h 就可以产生不受工况影响的通用性能曲线。

如果温度检测点设在压缩机出口，要考虑 K值变化带来的误差，消除该

Ts/Td，

成为

误差要引入进、出口温度比的修正，对通用性能曲线上的横坐标，乘上

ss PhK

Td

T

。

4.3.2 喘振主动控制

随着压缩机向高压比、高转速和高性能方向发展，以及人们对压缩系统

失速问题研究的深入，并且伴随着微电子技术、测试技术和控制技术的发展，

在 1985

感器、信号处理器、控制机构和发动机本体所构成的主动控制闭环系统。后

年前后由 Epstein、Ffowcs Williams 和 Greitze 提出了对叶轮机械

压缩系统失稳现象实施主动控制的设想，从此开始了喘振主动控制的研究。

他们认为失速是由微小扰动诱发的，而在扰动发展的初期，基本遵循线性规

律发展，而引入的扰动量大小是由流场内的扰动反馈得到的。

主动控制的最大收益就是使压缩机工作在特性高压比区域，充分发挥压

缩机性能。1986 年，Epstein 首先提出灵巧发动机的概念。这种发动机由传

与 Ffowcs Williams 和 Greitze 合作，正式提出对叶轮机械失稳现象实施主

动控制的设想，并构思了一种简便的主动控制措施。1989 年，Ffowcs Williams

和 Huang 运用声场和流场相互干扰的原理，首次实现了对叶轮机械压缩系统

实施主动控制的设想，以 Grtizer 喘振动态非线性方程组为数学模型，将方

程演变为线性小扰动形式。Ffowcs Williams 和 Huang 以喘振起始信号作为

控制信息的设想为当今压缩机旋转失速和喘振现象和预报性控制和自适应控

制的研究奠定了基础。Sling 等于 1990 年开辟了离心压缩机喘振现象结构控

制的先例。在此期间，Ffowcs Willams 等也开始对整机喘振现象进行了主动

控制方面的研究。由于整机喘振现象既要全面考虑压缩机、扩压器、燃烧器、

透平和喷嘴的动态响应特性，又要排除由于燃烧、振动而产生的噪声信号，

其次还要考虑整机喘振现象和持续时间应控制在极短时间内。整机喘振现象

主动控制的艰巨性更为突出，而工程意义更为深远。Ffowcs Willams 用喷入

燃烧室的高压空气流作为附加扰动源来抑制喘振振荡。分别建立了压缩机、

燃烧室、透平的一阶动态响应方程，并考虑了附加扰动效应。实验仅在原喘

振边界附近达到了抑制效果，两年后，他在整机上再次实施了主动控制技术，

使发动机能在出现喘振前多输出 10%额外功率。这次实验他改换了动作机构，

设计了两套控制方案。一类是与压缩机中非对称扰动而诱发的旋转失速有关

的控制方案，一类是与整个压缩系统有关的对称扰动而诱发的喘振控制方案。

并对第一类现象作了详细理论分析和数值模拟。1996 年，W.M.Jungowski 在

一个压缩机上对主动及被动控制进行研究，指出用紧密连接压缩机的球阀进

第 38 页


行控制，甚至在流量一直减少到零时也不发生喘振，用滑阀进行主动控制时

有效果，但同时采用的一个被动节流阀会见地压缩机效率。如果在压缩机的

旁通管道放置一个振荡器可以不用节流阀就可以达到主动控制，两种主动控

制都可以使压缩机临界流量降低 30%。

对压缩机喘振的控制分为主动控制与被动控制，比较二者可发现，被动

控制要阻止运行点到达喘振界限，而主动控制是左移压缩机的喘振边界。被

动控

统，需注意扫描速度，与防喘振控制有关的控制回路的扫描

时间

本项目中，空压机由 MAN TURBO AG SCHWEIZ 生产，型号为 RIKT 125-3，

空

艺压力 500Kpa，压缩机级间的热量被中间冷却器中

的冷

，流量或压力波动造成的工作点的偏移幅度和速度都有

很大

制系统相对比较简单，主动控制系统比较复杂。近年来对主动控制研究

较多，可以说是今后的一个重要的发展方向。由于本文所涉及的是面向冶金

行业实际压缩机组的自动控制，在防喘振控制方面采用了相对比较简单的被

动控制策略。

控制系统应选用数字式控制系统，如 DCS 系统、PLC 系统或单回路调节

器。如用 DCS 系

应尽可能短（如 100ms 或更短），从安全的角度来讲，也需适当加大控制

线与喘振线的距离。如用 PLC 系统，每一机组应单独用一个 PLC 控制器进行

控制，否则如一个 PLC 控制器控制的内容太多，特别是模拟量处理太多，其

扫描速度也将变得缓慢，从而影响系统的响应时间。

4.4 防喘振控制器的设计

为单轴离心式压缩机。

气进入原料空气过滤器内除去灰尘和其它机械杂质，然后进入空气透

平压缩机经多级压缩至工

却水带走。压缩后的工艺空气进入空冷塔冷却，再经分子筛纯化后进入

空分冷箱，在冷箱内通过与产品气分换热、液化和精馏塔内的精馏，分离成

氧、氮、氩产品。

空气压缩机为制氧生产提供原料空气，作用非常重要。由于受到上下游

管道和阀门等的影响

的随机性。常规控制器采用单一的 PI 算法往往难以实时有效地预防和抑

制喘振的发生。因此有必要设计出适合于制氧工作需要的防喘振控制器，使

其具有更灵活的组态方式，用多种控制方式提高系统的适应性和可靠性。综

合目前国内外透平压缩机的防喘振控制策略，可做出图 4-5 所示的防御体系

及控制方式。

第 39 页


Outlet pressure

Control line

4.4.1 喘振线

喘振线是压缩机在不同工况下各对应喘振点的连线，为试验所得。

与本机组采用空压机入口流量PV HΔ （公式如下）进行喘振线的绘制与

控制。其中采用公式如下：

11 P

Tdp×

1kPV ×= （4-6）

⎥⎥⎥

⎢⎢ −⎟⎟⎜⎜× 1

22

⎦

⎤

⎢⎣

⎡

⎠

⎞

⎝

⎛−

××=Δ

−

1

2 1

12

21

kk

PP

kkRTH

（4-7）

其中，为空压机入口流量（已作温压补正）；

为空压机入口温度；

82.29931 =k

27.29=R

4.12 =k

PV

dp为空压机入口差压；

1T

1P 为空压机入口压力；

2P 为空压机出口压力。

Surge line

Inlet flow

Quick response line

图 4-5 防喘振控制体系

Fig.4-5 Antisurge control architecture

第 40 页


现 1所示：

表 4-1 空压机喘振线测试数据

点数（KPa

ABS）

1T （（KPa）（mbar）

（m3/h）

场测试各点数据如表 4-

1P dp PV℃）

2P 导叶开

度 HΔ

1 99 14.6 355.23 11.14 16022 10 165333

2 15.22 15 190674 17972 99.2 420 14.14

3 97.5 19.59 513.8 25 20.7 236605 20612

4 98.6 14.7 547.62 29 21.36 233727 21036

5 98.6 15.15 563.95 35 23.38 243290 21521

6 98.14 15.28 586.19 40 24.7 252795 21979

根据试数到＝喘量× 各

数（KPa

ABS）

（℃

（KPa）

导叶开

（mbar）

（m3/h）

测据，得如下控制线（流量振流 110%）点：

表 4-2 空压机控制线数据

dp PV HΔ点 1P 1T ） 2P

度

1 5000 100000

2 15.22 15 181866.3 16022 99.2 420 14.14

3 97.5 19.59 513.8 25 20.7 209741.4 17972

4 97.5 19.59 513.8 25 20.7 260265.5 20612

5 98.6 14.7 547.62 29 21.36 267619 21521

6 98.6 15.15 563.95 35 23.38 278074.5 21979

7 320000 23000

绘图如下：

图 4-6 空压机喘振线与控制线

Fig.4-6 AC Surge Line and Control Line

第 41 页


4.4.

线是防喘振控制器的基准线，一般设定在喘振右侧 10%－15%

处。

于快速响应线和喘振线之间，用来起动一种开环步进控制

功能

喘振控制器相比，新型控制器除了进行防喘振控制以外，还

可以

算法并行，另外建立一套限压 PI 算法，然后从两个控

制器

算法，但是在进入 PI 单元之前，先对防喘振控制偏

差和

的压力都在极限值所限定的

范围

器在正常投运和报警状态下都采取了许多安全措施，防止人

2 控制线

喘振控制

它将压缩机喘振线右侧的区域划分为左右两部分，即控制区域和安全区

域。当压缩机运行在安全区域时，控制偏差呈正值，控制器会根据 PI 运算结

果，减小防喘振阀的开度，直至工作点位于控制线上。如果压缩机工况波动，

使其进入控制区域，控制器的输入将使防喘振阀开打，增大放空量，将工作

点拉回至控制线上。

4.4.3 快速响应线

快速响应线位

，设置目的在于，在很恶劣的工况下，仅凭 PI 作用和非线性作用，未必

能及时制止压缩机工作点向喘振区的快速偏移。为此，可以通过监测控制偏

差的减小速率来判断工作点的左移速度（即对控制偏差进行微分）。如果该速

率大于预定值，而且压缩机的工作点已经移至释放线左侧，控制器就按预设

的时间间隔（如 0.1s）阶跃性地减小其输出信号，一步一步地扩大防喘振阀，

释放压缩机出口压力，让压缩机脱离喘振危险。这种在一定范围内限制压缩

机工作点左移梯度的方法可称为梯度控制方式，属开环控制。在梯度控制功

能的作用下，如果压缩机工作点的位置或左移速度已经得到有效控制，控制

器就逐渐削弱输出信号中附加的梯度控制分量，恢复到正常的控制方式。

4.4.4 限压控制

与常规的防

同时进行压缩机出口压力高限控制和入口压力低限控制。因为防喘振阀

所控制的回流量或放空量，不仅能防止喘振，而且还可以限制压缩机的进出

口压力，使其不得超出预先确定的阈值。新型防喘振控制器一般采用两种方

法完成限压控制：

（1）与防喘振 PI

输出中进行低选，使阀门有足够的开度，既能保证防喘振要求，又能满

足限压控制的需要。

（2）只使用一套 PI

限压控制偏差进行低选，取其中较小的一个作为最终控制信号，调节防

喘振阀的开度，同时实现限压和防喘振控制。

事实上，压缩机正常稳定运行时，其出入口

之内，限压控制的控制偏差或控制输出总大于防喘振控制的对应值，使

防喘振控制具有较高的优先权。

4.4.5 安全措施

防喘振控制

第 42 页


为因

换到手

动状

控制器的输出增加得太快，使防喘振阀猛

然关

在额定转速以下运行时，控制器将其输出锁定在最小

值处

在本章中，介绍了压缩机喘振现象及防喘振控制技术，详细介绍了本项

目中空压机防喘振控制器的设计与实现。总的来说，防喘振阀开度由以下条

素，输出输出异常或者控制器软硬件故障给压缩机带来危险。

（1）控制器一经调试、设定完毕，为了安全起见，一般不允许切

态运行。但在自动状态下，操作人员也可以通过 DCS 切换，在一定范围

内对防喘振阀进行控制。这两种手动信号均进入控制器，与控制器的自动控

制输出信号低选，然后调节阀门开度。也就是说，允许操作者将阀门开得更

大一些，但不会关得比控制器所要求的开度还小，防止误操作造成压缩机喘

振。如果确实需要全行程手动控制，可以通过手动超驰开关将自动控制完全

切除，手动任意调整控制输出。

（2）即使在自动状态下，如果

小，也有可能造成喘振。为此，在控制器内部设置了一个非对称输出单

元，对控制器输出的增长速率进行限制，但不限制其减小速率，使防喘振阀

具有慢关快开功能。

（3）压缩机停车或

，排除了在压缩机具备带载条件以前，手动关闭喘振阀的可能。开车过

程中，如果压缩机具备带载条件，控制器内部的斜率发生器缓慢低增大输出

信号，关小喘振阀。

Start ramp 100-0%

4.5 本章小结

PIC1110

MAX

FV1110

FYS1110

PT1185

HIC1110

FIC1110 MAX

ramp

CO low limit

CO low limit

PV

PV

Calculation of Control Variable SP_PV

TE1113

FT1110

CO

图 4-7 防喘振阀控制逻辑

Fig.4-7 Anti-Surge valve control logic

第 43 页


件实

2.0）；

较，机运行点

位于

振阀在

FIC1

，其余按照③所述动作。

阀的开度。

的开度。

现逻辑控制，取信号高选输出。这些条件为：

压缩机入口流量控制 FIC1110（例如比例带常数 140.0，积分常数 2.0）；

压缩机出口压力控制 PIC1110（例如比例带常数 20.0，积分常数

手动输出控制 HIC1110。

控制器所发信号为渐关快开信号，确保机组运行安全稳定。

①在 FIC1110 的控制逻辑中，实际流量与控制器控制线计算流量进行比

判断空压机运行点的位置，同时计算喘振距离 DEV。如果空压

控制线上，设定流量开始向右平移（增大）1％（平移量为 DSL+1），共

可平移 15 次。其中 DSL 为喘振线与控制线的距离（为常数 10.0）。

②防喘振线右侧为安全区域，压缩机运行该区域时，防喘振阀开度为零。

③当压缩机运行在控制线上时，控制线按①所述移动，防喘

110 的作用下开始动作，使压缩机运行点回到安全区域。

④当压缩机运行在安全线上时，防喘振阀开度在现有基础上增加 10％，

其余按照③所述动作。

⑤当压缩机运行在喘振线上时，防喘振阀开度在现有基础上增加 75％，

以使压缩机远离喘振区域

本机组的防喘振控制，在以上常见的控制方案的基础上，增加了喘振距

离及移动速度控制，当满足下列条件时，增大防喘振

①压缩机运行点与喘振线的距离（DEV）控制，在控制线右侧设置安全裕

度(例如设置为 20%)，当压缩机运行点进入该区域时，增大防喘振阀

②压缩机运行点向喘振线的移动速度控制。将喘振距离对时间取微分

dtdDEV 作为控制量，当该速度较快（例如设置为＞0.4）时，增大防喘振

阀的开度。

当以上二条件之一消失后，防喘振控制模式返回至压力流量控制模式。

器的输出保持跟踪防喘振阀的开度，确保发生喘振时，喘振控

制器

喘振控制

的输出从当前开度的基础上增加，加快阀门动作时间。

第 44 页


第五章氧压机控制设计

氧压机作为空分产品压缩机，工作介质为氧气。由于氧的化学性质非常

活泼，能助燃，并与一切可燃物都可进行燃烧，与可燃气体按一定比例混合

后极易发生爆炸，其强烈的氧化性质又能促进一些物质自燃，因此在氧压机

的控制设计中对安全的要求极高。

1）氧压机跳车保护的所有回路要求灵敏度高，反应快。

2）氧压机生产信息要求实时指示和报警。

3）要求进行必要的设置，以便对氧压机启动过程进行提示。要求实时指

示引起跳车的故障信号，以便于运行和设备人员分析和处理。

4）实现氧压机的防喘振保护控制。

5）氧压机故障后各阀门应处于安全状态，避免发生燃爆等安全事故。

鉴于以上设计要求，设置了 HIMA ESD 紧急停车控制系统，负责氧压机停

车联锁保护控制，对除本体以外的信号，则通过 MODBUS 通讯的方式与 DCS

连接，实现防喘振保护控制和实时指示报警。

5.1 氧压机控制画面设计

氧压机控制画面采用了与整个空分控制相一致的风格，对氧压机运转数

据进行实时指示和报警。为节约空间，氧压机电机旁设置了启准信号指示，

并将指示信号分为五类：工艺参数启动准备完毕；氧压机本体启动准备完毕；

氧压机电机启动准备完毕；氧压机硬联锁启动准备完毕；氧压机电气启动准

备完毕。同时，还设置了四类跳车指示：工艺条件故障跳车；氧压机本体故

障跳车；氧压机电机故障跳车；氧压机硬联锁故障跳车。如图 5-1 所示。

为更清晰地对启准信号及跳车信号进行指示，另外设置了如图 5-2 所示

监控画面，对以上各类信号进行展开指示。同时，设置了故障复位键，故障

发生后，只有按下故障复位键并且故障信号消失后，故障指示才能消除。

第 45 页


图 5-1 氧压机监控画面

Fig.5-1 Monitor and Control display of OC

第 46 页


图 5-2 氧压机启准跳车画面

Fig.5-2 Start permission and Trip display of OC

第 47 页


5.2 HIMA ESD 紧急停车控制系统

ESD 是英文 Emergency Shutdown Device（紧急停车系统）的缩写。按照

安全独立原则要求，ESD 紧急停车系统独立于 DCS 集散控制系统，其安全级

别高于 DCS。在正常情况下，ESD 系统是处于静态的，不需要人为干预。作为

安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只

有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过 DCS 系统，而直接由 ESD 发出保

护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

HIMA 公司于 1908 年创建于德国曼哈姆，是一家从事安全控制系统研发

和生产的专业公司。自 1970 年开发出世界上第一套“故障安全”型紧急停车

系统（ESD）以来，其安全控制的技术和理念一直引领着行业发展的潮流，并

且已经作为制定安全控制系统国际标准（DIN19250 和 IEC61508）的基础。

在本设计中，采用了 HIMA ESD 紧急停车控制系统，将停车联锁保护控制

集中在 HIMA 控制柜中完成，回路响应周期为 20ms，每 KB 程序的循环周期约

为 0.02ms。紧急停车保护信号如表 5-1 所示。

表 5-1 氧压机紧急跳车信号

序号项目

1 低压段轴承温度 TI1517 高

2 高压段轴承温度 TI1537 高

3 增速箱轴承温度 TI1556 高

4 增速箱推力轴承温度 TI1559 高

5 高压段密封压力 PDI1555 低

6 低压段密封压力 PDI1573 低

7 高压段轴承振动 VI1517 高

8 低压段轴承振动 VI1527 高

9 增速箱轴位移 VZI1518 高

10 氧压机冷却水流量 FI1509 低

11 氧压机出口压力 PI1585 高

12 氮气密封压力 PI1553 低

13 氧压机入口压力 PI1513 低

14 油压 PI1598 低

15 油温 TI1598 高

第 48 页


5.3 与 DCS 的通信

按照设计，氧压机本体信号通过 MODBUS 总线方式引入 DCS 系统进行生产信

息的指示、趋势显示及报警等。同时，用于氧压机运行所必须的辅助设施如润滑

油系统、冷却水系统等有关信号则直接进入 DCS 系统，参与氧压机的生产数据指

示、系统联锁保护等。

通过 MODBUS 通信方式与 DCS 连接的信号如表 5-2 所示。

表 5-2 MODBUS 信号表

5.4 压机控制逻辑

以下各表表示了在 DCS 中实现的氧压机的控制逻辑。

5.4.1 启准条件

氧

第 49 页


逻辑项目

And 电机具备启动条件 EL1581-6

And 冷却水流量 FI1509 正常

And 无跳车联锁信号

And 排油烟机运转 ES1591-1

And 润滑油温度 TE1598 正常

And 氮气密封压力 PIT1550.1 正常

And 氮气入口阀 HV1522 开

And 氮气入口压力调节器 PIC1521 设置为自动，压力设置为 60KpaG

And 氧气入口阀 HV1503 关

And 氧气送出阀 HV1523 关

And 高压段防喘振阀 HV1518 关

And 低压段防喘振阀 HV1524 关

And 紧急喷氮阀 HV1520 关

And 防喘振阀 HV1510 开度大于 95％

And 导叶 HV1511 处于最小位置（不大于 11％）

And 氮气入口压力 PIT1521 正常

以上条件全部满足后，氧压机具备启准条件，监控画面显示所有信号正常。

5.4.2 氧气入口阀打开联锁条件

逻辑项目

And 氧压机已运转

And 电机启动 30 秒后

And 氮气入口 HV1522 阀开

And 氮气入口压力调节器 PIC1521 设置为自动，压力设置为 50KpaG







And 氮气入口压力 PIT1521 正常

以上条件若不满足，氧气入口阀 HV1503 为锁死状态（操作画面为 L 状态高

亮），不能操作。见图 5-3。

第 50 页


5.4.3 高压段防喘振阀允许动作条件

逻辑项目


And 氮气入口阀 HV1522 关

And 氧气入口阀 HV1503 开





5.4.4 加载条件

逻辑项目





And 氮气吹扫阀 HV1521 关

图 5-3 氧气入口阀控制

Fig.5-3 HV1503 Control display

第 51 页






5.4.5 卸载条件

逻辑项目







5.4.6 氧气送出阀开启条件

逻辑项目




And 氧压机已加载





And 氧压机加载 15 秒以后


5.4.7 氧气送出阀关闭条件

逻辑项目




And 氧压机已卸载


第 52 页






5.4.8 氧压机正常停车条件

逻辑项目

And 氧压机已卸载



5.5 小结

在本章中，介绍了氧压机的控制。根据氧压机运转的特殊要求，选用了 HIMA

ESD 紧急停车控制系统，与 DCS 之间通过 MODBUS 协议进行通讯；阐述了氧压机

本章

软件控制逻辑。

第 53 页


第六章空分系统联锁优化

6.1 空分系统联锁设计

由于空分流程包括了从原料空气压缩、预冷、纯化、膨胀、精馏到产品压缩

等一系列过程，各流程之间又相互关联，因此往往单个机组的故障会引起其它机

组运行的异常。而原设计资料中只有各台单体设备的联锁保护要求，未从系统的

角度对空分的联锁保护提出要求。为此，对各机组之间的联锁保护进行了设计。

以便减轻因单体机组异常跳车后操作人员的操作负荷，减少误操作的可能，最大

限度降低设备故障为生产过程带来的影响，使空分系统在故障发生后尽可能早地

处于安全状态。空分系统保护联锁见图 6-1。

第 54 页

图 6-1 空分系统联锁

Fig.6-1 Interlock of ASP s ystem


6.2 多台空分与产品压缩机的联锁控制

图 6-2 空分区域系统图

Fig.6-2 ASU area system diagram

在原有的设计中，7#空分的产品压缩机为 7#氧压机、8#、9#中压氮压机、

7#、8#高压氮压机。8#空分的产品压缩机为 8#氧压机、10#中压氮压机、9#高压

氮压机。两台空分与各自的产品压缩机相联系，而两套设备之间无直接关系。

由图 6-2 可以看出，到目前为止，几台空分已形成了一个系统，特别是 7#、

8#空分产品连通后，为了最大限度地保证气体管网的稳定，需要增加生产调整的

灵活性，打破原有产品压缩机与空分的配置结构。这样就需要将空分与产品压缩

机的联锁保护控制放在整个区域的系统中进行考虑。

基于以上需求，采取了以下控制方案。

7#空压机或 8#空压机跳车后，7#氧压机、8#氧压机中如果只开一台，则不

受影响；如果两台都开，则卸载其中一台。8#中压氮、9#中压氮、10#中压氮中

如果只开一台，则不受影响；如果开两台，则卸载其中一台；如果三台开，则卸

载其中两台。7#高压氮、8#高压氮、9#高压氮中如果只开一台，则不受影响；如

果开两台，则卸载其中一台；如果三台全开，则卸载其中两台。

实现中，对所有压缩机均采用进口压力联锁设置（采取不同的压力设定值）；

同时单独设置监控画面，运行人员根据压缩机检修及耗能情况，选择需要加入联

第 55 页


锁控制的机组；对未选择的机组，不受压力联锁控制。经过这样的设置，既保证

了相关机组快速保护动作，又能适应生产现场检修、生产调整的需要。

6.3 本章小结

本章中，从空分系统的角度，对制氧机整体的联锁保护进行了论述；同时，

以现有的制氧机组组成的空分区域、产品压缩机以及管网为研究对象，从稳定供

能出发，提出了控制方案。

第 56 页


第七章总结与展望

7.1 论文总结

本文讨论了空分工艺流程，就空分内、外压缩流程的特点，在投资成本、运

行费用、安全可靠性等各个方面进行了比较。讨论了控制系统的发展，阐述了本

课题的研究内容及重要意义。

讨论了空分流程的典型控制，包括空压机控制、分子筛纯化控制、液空液氧

纯度控制、膨胀机控制、自动变负荷控制等。

详细阐述了 DCS 系统选型原则。针对系统的可靠性、实用性、维修性、先进

性、经济性、售后服务等各方面进行了讨论。并利用这些选型原则，着重对 ABB

infi90 系统与 FOXBORO IA 系统进行了比较。

阐述了宝钢新上 60kNm3/h 空分控制系统的设计，详细讨论了空分控制系统

系统的设计原则，详细讨论了空压机防喘振控制、分子筛顺序控制、氧压机保护

控制等，论述了空分系统优化控制方案。通过对该空分机组控制系统的设计实践，

论述了空分装置控制系统的设计与实现。

在项目的研究和实践中，整理、优化了现有的控制方案，为空分控制系统自

主集成积累了一定的经验。

7.2 研究展望

空分系统的控制中包括空压机、膨胀机、氧压机、氮压机等压缩机组的控

制及空气分离系统的控制。其中压缩机组的控制既要实现安全保护、还要尽可能

考虑降低设备的能耗，在相同条件下，应优先考虑安全性。而在空气分离系统的

控制中，联锁保护应予以重点关注。总之，安全与节能是空分控制系统考虑的重

点，在这方面，国外的许多空分设计已经有了很多探索和实践，但针对国内的环

境、国产的设备，仍有很多工作可做。

第 57 页


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第 59 页


eliminates FCCU compressor surge Problems oil and gas Journal.87～94.

第 60 页


致谢

本论文是在导师杜秀华副教授的悉心指导和帮助下完成的。在课

题研究及论文撰写期间,杜老师严谨的治学作风、忘我的工作态度和

清晰的工程思想使我受益匪浅。在此我谨向杜老师表示诚挚的敬意和

由衷的感谢!

在论文的开题及中期审核中，李少远教授、陈坚教授为研究课题

的顺利进行及论文的撰写提出了许多很有价值的指导性意见，在此表

示由衷的感谢！

感谢所有的院系领导和老师,他们在我学习期间给予了许多工作

上的支持和帮助。

本论文课题的研究及实施得到了宝钢分公司能源部有关领导和

同事的大力支持和帮助，在此一并表示感谢。

最后,对所有评阅本论文和参加答辩的老师、教授表示感谢。

第 61 页


攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

[1] 董振宁. 空压机防喘振控制的设计与实现. 深冷技术. 2007（06）：38～41.

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