硝酸生产中的四合一机组的设计与应用

摘要 四合一机组是硝酸生产中的主要设备，机组的好坏直接影响了硝酸生产的效率，其控制与联锁保护较为复杂。本文对硝酸装置中的四合一机组的各部分进行了介绍，对系统的设计模块及设计做了详细的陈述。对于大型机组的安全保护尤其的重要。ITCC（综合汽轮机及压缩机控制）系统是针对机组参数监测、控制、安全保护专门设计的综合性控制系统。

关键词 ITCC；紧急停车；联锁；防喘振功能；四合一机组

中图分类号TH13 文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）50-0142-02

0引言

在化学工艺上可以了解到，利用氨氧化生产硝酸需要经历三个化学反应过程：氨的氧化、氧化氮的氧化和亚硝酸气体的吸收。根据化学方面的知识可以了解到，以上的三个化学反应都是较强的放热反应，而且在加压的条件下更有利于反应的进行。因此，可以通过化学反应放出的热量和回收尾气排放的能量来维持整个硝酸生产中气体压缩机的动力消耗，此外剩下的能量由蒸汽排出，以此来达到系统能量的平衡。通过压缩机组合的概念，由此产生了“三合一机组”、“四合一机组”等的概念[1]。现在使用较多的一种压缩机组是将驱动机蒸汽压缩机和尾气膨胀压缩机与生产机空气压缩机和氧化氮压缩机组合在一起，形成一个机组。通过这样的组合，将它们的能量一起共用，能够提高机械效率。另外一种机组情况就是用电动机或者燃气压缩机取代蒸汽压缩机与空气压缩机、氧化氮压缩机和尾气膨胀压缩机组合在一起，形成“四合一机组”的概念。ITCC系统是一套集压缩机的透平调速控制、防喘振控制、抽气控制、自保联锁逻辑控制为一体的综合控制系统。

1 机组结构及数据

四合一机组的流程与布置主要是依赖于硝酸生产工艺的要求，四台机器可以设计成同轴线同转速或者设计成不同轴线不同转速，其驱动机可以设在端头，也可以设在端尾。硝酸四合一机组就是一个典型的能量自给自足型的机组，在各机组设计与选型中都必须遵循节能、环保、高效的原则。下面来具体介绍各部件的结构。

1.1 空气压缩机

在四合一机组中，空气压缩机主要是用来进行氨氧化和氮氧化的空气压缩，来实现空气的升压。在压缩机的选型方面，由于综合加压工艺和双加压工艺的不同，升压的幅度较低，一般多采用轴流式压缩机。对于轴流部分的转子叶片，一般采用反动式，这样可以调节增压的速度和效率的高低。为了适应气流的波动，静叶角度可以设计成部分可调和全部可调的形式，其调整的驱动器一般设置成液压的形式。

1.2 氧化氮气体压缩机

四合一机组中的氧化氮压缩机主要是用于将氨氧化反应生成的氧化氮气体汇合氧化用空气压缩到吸收操作过程需要的压力。为了满足压力要求，一般采用离心式压缩机。对于氧化氮气体压缩机的气流结构有一个注意的部分，尽可能减少死角。这是由于氧化氮气体与空气混合后在压缩过程中，既有NO生成NO2的反应，又有N2O4的分解反应，而后者属于吸热，影响比较大。这样不仅会导致实际的排气温度比理论计算的数值低，而且还会在金属壁或者在死角处沉积铵盐。由于铵盐结晶的过程会使体积膨胀，这样会造成腔体中隔板的变形，影响叶轮的旋转。在叶轮的选择方面，应该优先采用铸造叶轮，以提高设备的抗腐蚀性。

1.3 尾气膨胀压缩机

在四合一机组中，尾气膨胀压缩机得作用主要有：一是回收硝酸生成过程排放尾气的能量；二是为空气压缩机和氧化氮压缩机提供一个驱动器[2]。根据实际的需要，可以将尾气膨胀机设计成单级或多级膨胀，其叶轮可以设计成冲动型和反动型或者两者混用。在膨胀机的进出口配有专门的调节阀，用此来调节气量的变化，从而提高设备的效率。

1.4 蒸汽压缩机

在四合一机组中蒸汽压缩机为机组的正常运行提供了源动力，尤其是当设备开机启动，尾气膨胀机还不能工作时，蒸汽压缩机为机组提供了所需能量的85%，这个在蒸汽压缩机设计时，尤其的重要。蒸汽压缩机的气源一般都来自于硝酸生产过程中产生的热源。

2 ITCC系统介绍

ITCC（Integrated Turbine Compressor Control system）系统是三重冗余综合控制系统。该系统具有调速控制、防喘振控制、透平转速超调保护、ESD联锁保护等功能[3]。ITCC系统的硬件核心是基于三重冗余容错结构的控制器，数字量输入信号在DI模块中被分成3路，分别送给3个CPU，在CPU之中进行 “三取二”表决，分别通过3 条I/O总线送到DO模块，在DO模块中通过“方形表决电路”再次表决后, 输出到现场执行器；模拟量输入信号在A I模块中也被分成3路信号，通过A /D转换器转换成12位的数字量，然后采用选中值的算法纠正分电路中的偏差，其中输出信号经过选择器之后，输出到控制阀进行相应的控制。

ITCC系统和传统DCS等控制系统相比，主要优点为：基于SIL3级可靠的硬件平台、系统的扩性适应单机组或多机组控制、调速、防喘、负荷协调控制、灵活的机组控制软件包，如机组公用软件包、防喘振控制软件包、调速软件包。

3 T6300控制系统设计

T6300是罗克韦尔ICS Triplex公司的ITCC控制系统，T6300的应用程序采用IEC 1131 TOOLSET软件编制，为提高控制系统运行的安全性，机组控制系统与DCS系统的控制单元之间相互独立，并且分别安装在不同的控制机柜内，机组控制系统独立完成安全控制任务，与DCS系统互不影响。

控制单元（控制站）、操作员站都直接连接在系统的高速通讯网络（冗余以太网）上。连接在网络上的设备，可以在站与站之间进行数据交换，并且不分主站和从站。机组控制系统可通过标准OPC或Modbus口与第三方产品（如DCS、Bently 3500）通讯，并且支持光纤形式，重要信号参数（如联锁信号、压缩机组负荷信号）则通过硬接线连接。机组机械保护系统Bently 3500的监视信号通过Modbus通讯从3500传送到机组控制系统里，联锁信号通过硬接线从3500的输出I/O端子接至压缩机组控制系统。机组控制系统之间以及与主装置DCS之间应有数据通讯，通讯安全可靠。压缩机组调速控制系统能接受DCS（主装置的控制系统）所给定的压缩机负荷信号。

T6300系统软硬件均通过IEC61508 SIL3级和TUV AK6级安全认证。T6300保证系统在内部出现故障的状态下，仍能正确地执行程序。系统所有的模块均能在线热更换。这种设计使得T6300系统可以保持100%在线。T6300被用来处理各种实时的、复杂的、危险的生产过程，包括监测现场信号、执行逻辑运算、PID控制、输出控制信号以驱动现场执行机构。这种高级的控制系统大大提高了四合一机组的安全性和可用性，下面将控制系统的设计做一下简要的说明。

3.1 防喘振功能设计

如果工作人员对机组操作不当或设备管道故障，机组的压缩机会发生喘振，这样会严重损坏机组，影响机器的寿命。因此防喘振控制是机组中一个重要的安全控制。将防喘振控制切入到系统中，可以根据工作点运行的情况结合防喘振曲线，实时的控制喘振阀的动作。当喘振发生时，可以通过对入口补充回流量来解决问题。具体的方法是通过对应的防喘振阀门开始向打开的方向动作，使对应出口的压缩气体回流到对应的入口处，这样通过增加入口的气流来使机器回落到正常的工作区域内，这样就达到了防喘振的目的。

该套ITCC系统对于防喘阀的控制除了手动与自动模式以外，还有一手动带后备模式。当防喘阀处于手动带后备模式时，则防喘阀处于手动控制状态，ITCC系统将对操作点进行监测。在这种情况下，将操作点的值与系统根据现场参数计算出的喘振线进行比较，当操作点的值与喘振线的值接近时，ITCC系统将接管手动模式，这样就会将喘振阀自动调节到一定的安全开度，防止喘振的发生。

3.2 ESD保护设计

紧急停车系统（ESD）其作用是当硝酸四合一的相关参数（如振动、温度、压力等）超过一定的限度时，能够使机组立即停车以免造成严重的事故。在工业生产中，压缩机组超速的原因一般是由于蒸汽压缩机的压力突然增加，导致压缩机入口流量减少而引起原动机的超速。在压缩机出现超速的情况下，可以通过关闭蒸汽压缩机的蒸汽阀，以此来切断压缩机的动力来源，从而实现紧急停车。ITCC系统在此套压缩机紧急停车超速保护方面做了双重的保障。ITCC系统在压缩机开机过程中，如果转速在规定的时间内超过了临界转速的上限，则控制器就会发出紧急停车信号从而对硝酸机组进行紧急停车,同时，系统还安装了独立的WOODWARD203超速停车控制器，进一步提高了整个系统的安全性。

3.3 联锁逻辑设计

四合一机组是硝酸生产的核心设备，控制点复杂，如何开车、停车以及稳定的运行对于生产系统是相当关键的。T6300系统是一种故障安全型控制系统，当故障发生时，能够实现安全的停车，联锁输出具有切换至预先设置的状态或联锁状态功能。系统设计了超速联锁、临界转速联锁保护、喘振保护，通过内部程序来实现机组的联锁停车逻辑和开机启动顺序的控制。极大提高了系统的可靠性和可用性。

4 结论

硝酸四合一机组控制装置自运行以来，系统运行稳定、安全、可靠，产量得到了明显的提高，经济效益十分显著。ITCC操作站上装有多种分析软件包，通过对机组各测量数据进行分析，对设备运行情况和工艺指标控制情况进行分析，及时解决设备隐患，改善工艺控制指标，使硝酸生产装置能够有效可靠的运行。

参考文献

[1]乔海星，于军，薛丽菊.硝酸生产中的四合一机组[J].化工设备与管道，2000(5)：32-34.

[2]周聪勇，马德洁.硝酸四合一机组的设计与应用[J].风机技术，2000(4)：21-23.

[3]邱晋刚.ITCC系统的应用与维护总结[J].中氮肥，2009(1)：47-50.

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