凝结水系统自控方案优化

谢文奋

（中国石油天然气股份有限公司 独山子石化公司信息网络公司，新疆 独山子 833699）

冷凝水回收系统，主要应用在造纸、石油化工、食品制造、制药、粮油加工、橡胶、棉纺印染、木业等工业企业，民用上主要应用于宾馆、医院及民用建筑[1]。某炼油厂瓦斯回收装置凝结水回收系统，主要作用是节能降耗，将装置上各种汽水换热器或生产工艺流程中所产生的冷凝水回收，进行再次利用。系统设计时，仪表控制设备均安装在简单的彩钢板房内的控制箱内，由于夏季彩钢板房内温度达50℃～60℃，房内没有通风设施，PLC控制箱内的控制元件无法散热，多次出现PLC控制器死机故障，直接影响设备的运行。

1 工作原理

凝结水回收系统是利用汽水换热器对生产工艺流程中所产生的冷凝水的回收。冷凝水相对于普通的水质量好很多，凝结水能产生大量的热能，在蒸汽供热系统中回收冷凝水是节能降耗的重要举措之一。一般凝结水温度在100多度，高温水如果直接用泵输送，输水泵前会形成负压，易使高温冷凝水汽化，对凝结水泵造成气蚀。在特定条件下，会滞留在泵体内，让气体体积瞬间膨胀，泵体发生爆裂，损坏输水水泵。传统的冷凝水回收方法是将其冷却降温后再用输水泵抽送，造成冷凝水中所含的大量热能不能被利用，而且冷凝水掺入了未经处理的冷水，使凝结水质恶化，还要重新进行水处理[2]。冷凝水回收器设计了气蚀消除措施，水泵直接抽送高温冷凝水而不发生气蚀现象，它通过罐体内的调压装置，气蚀消除装置和特制的水泵，解决了水泵的气蚀现象，实现了高温凝结水完全闭式回收。系统采用自动控制系统使冷凝水能高效回收，使能量损耗降到最低，缓解了氧对设备的腐蚀，消除二次汽[3]。

图1 控制流程图Fig.1 Control flowchart

图2 PLC控制器控制箱Fig.2 PLC Controller control box

2 自动控制系统的构成和功能

该套凝结水回收总站位于炼油老区瓦斯回收装置，回收系统为成套撬装设备。主要设备由凝结水罐、凝结水泵、液位计、温度计、流量计、控制阀、变频控制器、PLC系统以及配套管道阀门等构成，控制流程图见图1。

利用对凝结水罐自动调压、自动报警、双泵自动切换等功能，实现对凝结水回收系统的自动补水。

2.1 PLC逻辑控制器功能和组成

PLC主要用于控制工业中的自动化系统，是比较先进和常用的控制系统之一，替代硬连线逻辑控制功能。PLC系统主要由中央处理器CPU、存储器、输入输出接口、编程器几部分组成。输入接口用来采集现场各类变送器、开关和输入源信号，通过输入连接器导轨连接到PLC，并将其转化成标准的逻辑电平；输出接口用于输出信号来控制对象，其功能通过改变输入信号来控制；存储器主要用来存放程序和数据；编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以显示PLC的各种状态。该套凝结水系统使用西门子PLC300逻辑控制器[4]，现场PLC控制器控制箱见图2。

图3 变频控制器控制箱Fig.3 Inverter controller control box

2.2 变频控制器功能和组成

变频器分为交——交变频器，交——直——交变频器，利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的交流电源电能控制装置，是把工频电源变换成各种频率的交流电源，以实现电机变速运行的设备，主要由整流器、中间电路、逆变器、控制电路组成。整流器的作用是将交流电源转换成脉动的直流电压；中间电路的作用是稳压后，为逆变器和各控制线路供电，同时具有滤波作用；逆变器作用是将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压；控制电路的作用是将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，监测变频器的工作状态[5]。该套凝结水系统使用ABB ACS510变频控制器，来实现对两台凝结水泵的控制，现场变频控制器控制箱见图3。

2.3 DCS控制系统

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），自控行业又称之为集散控制系统，具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。一般由5部份组成：控制器、I/O板、操作站、工程师站、网络、图形及软件，是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、网络、显示和控制等技术，其基本理念是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。该套凝结水系统并入到瓦斯回收装置的DCS系统，使用的是横河VP系统。

3 现场状况

3.1 凝结水系统控制方案解读

热水自装置进来，进入到凝结水罐内，利用双法兰液位计测得的液面信号传输到PLC逻辑控制器内，当液面达到罐体80%或液面低于20%时，PLC逻辑控制器发出启停泵信号，来控制两台凝结水泵，凝结水泵一开一停相互切换来保证罐内液面。凝结水泵启停的控制方式有两种：手动操作和自动操作。手动操作时，将现场PLC逻辑控制器控制箱上的手自动开关，SA1放置手动位置，按SB1按钮，1#凝结水泵启动运行，按SB3按钮1#凝结水泵停运；按SB2按钮，2#凝结水泵启动运行，再次按SB3按钮2#凝结水泵停运；当被测液位高于设置高限时，两台泵均不能运行。自动操作时，将手自动开关SA1放置自动位置，将工频和变频开关SA2放置工频位置，当液位达到设定的高液位时，1#凝结水泵启动运行；当液位低于设定低限时，1#凝结水泵停止运行；当液位再次达到高液位限时，2#输水泵启动运行，当液位低于设定低限时，2#输水泵停止运行，随着液位的升降到限位值，两台输水泵交替运行。当工频和变频开关SA2放置变频位置时，液位高于上限设定值时，1#、2#凝结水泵受时间控制交替运行。两台输水泵任意一台出现故障，另一台输水泵自动运行。正常操作过程中变频控制器控制液位在60%。

表1 PLC逻辑控制器信号地址分配表Table 1 Signal address allocation table of PLC logic controller

3.2 优化前控制方案

现场有两个控制箱，分别是PLC逻辑控制器控制箱，内部集成了PLC逻辑控制器、触屏、24V直流稳压电源、隔离安全栅、电源控制开关、隔离继电器、接线端子等，如图3 PLC逻辑控制器控制箱。一个是变频控制器控制箱，内部集成了变频控制器、接触器、电源控制开关等，如图3变频控制器控制箱。2016年安装凝结水回收系统时，瓦斯回收装置未更换成横河DCSVP系统，采用欧陆小系统，未将控制方案引入到欧陆系统内，通过就地PLC逻辑控制系统实现控制。该套凝结水回收系统位于瓦斯回收装置的东南方向，距离中控室400m左右，操作人员均在中控室内，凝结水泵房内无人值守操作。过程参数液位、温度、流量监测和控制均由现场PLC实现，控制过程未远传监控，操作人员对整个控制的过程及PLC运行状态无法实时监测，发生故障无法及时发现，给设备的正常运行带来隐患，靠操作人员每隔1h巡检，增加了操作人员的劳动强度。PLC逻辑控制器信号地址分配表见表1。

图4 凝结水罐液位自动控制逻辑Fig.4 Automatic control logic of condensate tank level

图5 凝结水液位手动控制逻辑Fig.5 Manual control logic of condensate level

3.3 优化后控制方案

取缔现场PLC逻辑控制器、稳压电源，PLC的操作触屏、2个切换按钮、3个启停泵按钮，PLC逻辑控制器箱改为现场中间接线箱。PLC逻辑控制器内的逻辑完全移植到横河DCSVP系统内，通过DCS系统内部组态实现逻辑关系，控制凝结水泵的启停、报警、状态及过程参数显示。正常操作时，DCS根据现场液位输出调节信号到现场变频控制器，通过变频器控制器调节凝结水泵转速来控制凝结水罐液面。当凝结水罐液位达到高限或是低限时，DCS系统输出控制信号启停和切换两台泵工作，同时将参与逻辑条件和显示仪表信号，传送到瓦斯回收装置DCS机柜间，在DCS系统上显示，实现远程控制和监测。现场测量信号点有1个液位信号、1个温度信号、1个流量信号及1台控制阀控制信号、2个变频控制器信号、4个泵状态信号。图4为凝结水罐液位自动控制逻辑，图5为凝结水液位手动控制逻辑。

4 应用效果

实施后完全取代原先的控制方案，减少中间环节，降低设备成本，减轻操作人员劳动强度，方便操作人员远程操作控制，提高了设备运行的安全可靠性；在DCS系统上对参数设置了声光报警上下限，并建立了历史数据库，方便故障分析和诊断；通过TS服务器实现数据远程管理。