★合肥经济技术职业学院洪滨，王吉祥

★夏县运力化工有限公司孙爱鸿

1　概述

纯硝酸是无色透明的发烟液体，一般商品硝酸带有微黄色，有刺激性气味，属一级无机酸性腐蚀品。硝酸在化工、肥料、医药、农药、化肥、涂料、军事上有广泛的用途。目前采用氨氧化法制造硝酸的工艺主要有以下几类：常压法、加压法与综合法。其中综合法中的双加压法硝酸装置由于氨利用率高、铂耗低、氨吸收率高、尾气中的NO_X含量低、热能回收利用好、装置自动化程度高、生产成本低、单套装置规模大、综合经济性能指标优等特点，已成为我国硝酸工艺的主流。各种氨氧化法制造硝酸工艺方法的技术与经济指标如表1所示。

表1 三种稀硝酸生产工艺的主要技术经济指标

当前，以双加压法生产的硝酸产能可达到254万吨，超过全国总产量的50％。而由汽轮机、NO压缩机、空气压缩机和尾气透平组成的“四合一”机组，如图1所示，则是双加压法硝酸装置的核心设备，其在硝酸装置总投资中约占50％。

图1  硝酸“四合一”机组示意图

过去我国的硝酸“四合一”机组长期依赖进口，严重制约了国内硝酸工业的发展。经过多年的努力，陕鼓集团打破了国外核心技术垄断，实现了硝酸“四合一”机组的国产化。其机组中的蒸汽透平由杭汽引进西门子技术生产的成熟机型配套；空气压缩机为陕鼓引进的苏尔寿轴流压缩机专利技术制造；氧化氮压缩机为3级离心式压缩机，是陕鼓本身成熟的机型；透平膨胀机参照国外技术最新设计。陕鼓的“四合一”机组可开发规模为：15万吨/年（500吨/日）、20万吨/年（670吨/日）、27万吨/年（900吨/日）、36万吨/年（1230吨/日）、45万吨/年（1500吨/日）等各种不同规模的最新双加压法硝酸装置。

值得注意的是“四合一”机组必须协调一致，但由于各压缩机对气体的压力、流量、温度变化较敏感，易发生喘振。专家研究发现喘振是工作在小流量工况时发生的不稳定状态，是压缩机的一种固有现象，具有较大的危害性，是“四合一”机组损坏的主要诱因之一。

2　稀硝酸双加压工艺与“四合一”机组

2.1　稀硝酸双加压工艺

所谓稀硝双加压工艺是指氨的氧化部分采用中压（0.35～0.6MPa），NO_X的吸收部分采用高压（1.0～1.5MPa）。该法由空气中的氧和氨反应生成氧化氮，然后在吸收塔内由水吸收生成60%的稀硝酸。由于其吸收装置采用较高的压力，使得容积减少，酸浓度提高，生产强度增大，经济技术指标达到最优化。

图2 稀硝双加压法化工工艺流程图

图2为稀硝双加压法化工工艺流程图，其中，1、2为氨蒸发器，3为辅助氨蒸发器，4、5为氨过滤器，6为氨空混合器，7为蒸汽冷凝器，8为汽轮机，9为NO_X压缩机，10为减速器，11为空气压缩机，12为空气过滤器，13为尾气透平，14为氨氧化炉，15为气泡，16为废热锅炉，17为高温气-气换热器，18为省煤器，19为低压水冷器，20为NO_X分离器，21为二次空气冷却器，22为尾气分离器，23为尾气预热器，24为高压水冷器，25为吸收塔，26为漂白塔，27为冷酸器。

双加压工艺流程如下：

由界外来的液氨进入氨蒸发器蒸发，得到的气氨经过热器加热、气氨过滤器除去机械杂质后，被送到氨空混合器与空气混合。空气经过滤进入压缩机压缩后，分成一、二次空气。一次空气与氨气混合后送到氧化炉，经分布器均布于催化剂铂铑合金网上，氧化生成一氧化氮（NO）；NO气体经蒸汽过热器及废热锅炉回收能量，再经高温气-气换热器、省煤气等降温。随着温度的降低，混合气中的N0被氧化为二氧化氮（NO₂）。

NO₂气体入低压反应水冷凝器被冷却产生相当数量的冷凝酸，酸气混合物被氧化氮分离器分离，冷凝酸被泵送入吸收塔的塔板上；NO₂气体则与来自漂白塔的二次空气混合进入氧化氮压缩机，升压后经尾气预热器、高压反应水冷凝器降温进入吸收塔底部用水进行吸收，在塔底得到浓度为60％左右的稀硝酸。稀硝酸被漂白塔底部通入的二次空气气提出溶解在酸中的N0₂气体，再经酸冷却器冷却后进入成品酸槽。

由吸收塔出来的尾气进入尾气分离器，分离夹带的液滴后在换热器中被二次空气加热，然后在尾气预热器、高温气-气换热器中被高压氧化氮气体加热至360℃进入尾气透平膨胀机。

在废锅中产生的饱和蒸汽经汽水分离器分离后进入过热器，被加热至440℃左右，大部分蒸汽供本装置的蒸汽透平使用，小部分送界区外蒸汽管网。

2.2　硝酸“四合一”机组（如图3所示）

图3 基于双加压法硝酸“四合一”机组

硝酸“四合一”机组由空气压缩机、氧化氮压缩机、透平膨胀机、蒸汽透平组成。其工作机理是：通过汽轮机（蒸汽透平）和尾气膨胀机（尾气透平）所提供的能量来驱动NO_X压缩机（离心式压缩机）和空气压缩机（全轴流式压缩机）做功，四个机组一体化工作，才能完成稀硝酸工艺的生产任务。其中“透平”是外来语Turbine的音译技术名称，它泛指具有叶片或叶轮的涡轮机械。通常透平压缩机和汽轮机、燃气轮机、水轮机等原动机构成透平压缩机机组。

透平膨胀机是硝酸装置流程中能量回收的重要设备之一。它利用经尾气反应器处理后的高温高压尾气冲动膨胀机叶轮回收部分能量，以减少汽轮机的耗气量。由于透平膨胀机一级静叶在热态下调节受限，如果控制失灵，极易发生喘振。

2.3　机组控制系统

“四合一”机组控制系统配置2台操作站（OS）和1台工程师站（ES），主机为SIEMENS专用工控机PC5478，采用RAIDl阵列方式实现冗余硬盘数据的实时备份。系统平台为英文版Windows XP，并安装了WinCC监控软件。控制站（AS）由一对冗余、容错的CPU417-4H构成S7-400FH系统，在冗余的PROFIBUSDP总线下挂8个分布式ET200M从站，其中5个从站配置标准I/O模块，另外3个从站配置F型故障安全模块，用于机组重要的联锁保护信号使用。通过CP341模块分别实现与BN3500和DCS的MODBUS数据通讯。

图4 “四合一”机组DCS控制系统界面

如图4所示，机组的启/停控制属于全自动的控制模式，启动过程中除了在怠速期间可以操作暂停/继续功能键外，其它的操作不能进行人工干预操作。机组的启/停控制由1～6步序组成，蒸汽透平启动复位前须具备相应的开车条件。蒸汽透平启动后的升速和调速是由系统里的斜坡控制器和速度控制器分阶段分别进行控制。在现场操作盘上可对蒸汽透平的启/停和速度控制进行相应的操作。在1～5步序中发生联锁跳车保护都会立即进入到6步序中的6～1或6～2中去执行相应的阀门动作，完成系统停车保护。

“四合一”机组现场控制模块主要参数如表2所示。

表2 “四合一”机组现场控制模块主要参数

3　硝酸“四合一”机组安全控制系统

实现硝酸装置启停车联锁、调速控制、冷凝器液位、各低压泵、轴流及离心压缩机静叶、各调节阀的自动调节、防喘振控制、机组仪表目动报警及各电机控制、机组启停车联锁、油雾电棚、润滑油加热器、盘车电机的控制是硝酸“四合一”机组安全控制系统的基本要求。

为了使硝酸“四合一”机组控制系统具有较高的安全水准，控制系统做了以下研发与创新：

（1）独特的历史曲线分析技术（分析方法上的创新）;

（2）具有完善可靠的监测数据采集技术;

（3）独创的面向机械故障诊断MDBase数据库（数据库创新）;

（4）丰富的信号分析技术;

（5）实时在线的多窗口谱分析技术及机组总体状态的扫描技术;

（6）各类黑盒子数据的谱分析技术;

（7）全自动的启、停机瞬态响应技术。

3.1　“四合一”机组防喘振技术

喘振的发生是一个复杂的过程，既与旋转脱流形式有关，又与管网容量及其它一些因素有关。在喘振的先兆定义上，目前国际上仍然以Moore-Greizer的一维非线性模型为基础，即式（1）：

其中，U-叶轮出口线速度；α-当地音速；V_p-储气容积；L_C-动叶的平均直径；A_C-入口等效面积；B表示了在压缩机系统的容腔内气体的压力和作用在容腔中的内力的比值，它在整个压缩机的非稳态性能上起着决定性的作用。

对于任一个压缩系统都有一个临界的Bcr值，当工况点B＜B_cr值时，不稳定工况为旋转失速；当工况点B＞B_cr值时，不稳定工况为喘振。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，己经得到了较好应用。影响硝酸“四合一”机组喘振的因素不是单一的，往往是多种因素综合作用的结果，主要因素如下：

（1）压缩机转速变化时，其性能曲线也将随之改变：当转速提高时，压缩机叶轮对气体所做的功将增大，在相同的容积流下，气体的压力也增大，性能曲线上移；反之，转速降低则使性能曲线下移。对应不同转速，喘振流也不同。

（2）当转速增大时，喘振流也增大，随着转速的增加，喘振界限向大流区移动。通过实测可得到不同转速下的喘振点，将这些喘振点连接起来，就得到一条喘振界限线。

（3）在化工生产中，在工艺条件波动的情况下，压缩机进气温度、压力、气体组分影响分子的变化都会引起压缩机性能曲线及喘振点的变化。进气状态也是诱发压缩机喘振的因素之一。

（4）压缩机的实际运行工况远离设计点，流量小于最小设计值，在叶轮内出现气流的严重旋转脱离。

（5）与压缩机联合工作的具有一定容的管网的压力高于压缩机所能提供的排气压力，造成气体倒流，并产生大幅度的气流脉动。

硝酸“四合一”机组的喘振有以下危害：

（1）由于喘振时气流强烈的脉动和周期性振荡，会使气体的压力、流量大幅度地波动，破坏工艺系统的安全性和稳定性。

（2）加剧轴承与轴瓦的磨损，破坏润滑油膜的稳定性，严重的会使支撑瓦和止推瓦块烧毁。

（3）会引起动静部件的摩擦，使压缩机轴承弯曲变形，严重的情况下会使叶轮损坏。

（4）破坏压缩机轴封装置，使工艺气体通过轴封处的泄漏量增大。

（5）影响与其连接的动、静设备的安全正常运行，破坏机组的测控仪表，严重的会使塔、管线及换热器损坏。

防喘控制依据机组的机械性能特性及喘振曲线（初始喘振检测独立于压缩机性能曲线），结合式（1）计算公式来实现，具有直观的人机界面和工作点状态，从而使压缩机工作于最佳工作点，控制系统根据压缩机入口流量、入口压力、出口压力及相应的温度，利用完善可靠的监测数据采集技术来判断是否发生喘振。如发生喘振，则由防喘振控制器的输出值进行调节防喘振控制阀，实现提前保护，达到防喘振的目的。对于先进防喘振系统，使用初始喘振检测/超驰非常重要，因为它不仅提供确保初始或喘振尖峰条件被检测到的方法，而且通过消除内部尖峰函数使备份控制更加容易，它也提高了防喘振控制环节的响应速度。通过外部初始喘振和喘振尖峰的调节，防喘振控制系统具有高的防喘振响应速度和操作效率。

3.2　防喘控制方案

针对上述问题，对硝酸“四合一”机组的防喘振系统进行设计，思路如下：

（1）在WinCC中组态防喘振控制，同时做机组控制点画面，以实现对机组状态的实时监测。组态设计原理图如图4所示。

利用WinCC的折线函数模块，对压缩机的性能曲线采用折线法，我们就可确定压缩机的安全工作区域，从而可确定机组的防喘振线。以此防喘振线作为设定值，通过PID模块来进行调节。

（2）通过可变增益来实现输出的调节作用。此增益值是可以改变的，来调节调节阀动作的快慢，保证机组能在喘振时迅速回到正常状态。

（3）针对以前的控制信号输出易使装置停工的问题，设计输出改为分程控制。当输出信号在0～35％时，使小阀打开，30％～100％时火阀打开，使风量不至于防空过量。

图5 “四合一”机组防喘控制曲线

图5中，折线l（红线部分）是机组的喘振线，折线2（绿线部分）是机组的安全线或防喘振线，蓝线中的点即为机组当前的工作点。该工作点构成的控制线在折线2的右方时，可认为机组处于正常状态；处于折线2的左方、折线l的右方时，机组处于临界状态；处于折线l的左方，可认为机组已发生喘振。这样，机组的实时状态就可以一目了然了。

4　基于WinCC的硝酸“四合一”机组安全控制系统

该控制系统将防喘振控制切入该系统中，根据工作点的运行情况，结合防喘振线，可实时控制喘振阀的动作，具有对喘振线的温度补偿、阀门的快开慢关、自学习、报警等一系列功能，实时保护机组的正常运行，同时根据工艺情况实现跳车控制。监控系统实现机组气路系统、油系统、冷凝系统、轴系统的实时监控。一次表在线修改量程、报警值、机组启停车联锁的实时监测、工作点的实时监控、各泵的手自动控制、各检测点的历史趋势、报警、EXCEL日报表生成功能、操作员在线对各调节阀的调节。

该控制系统允许对每个应用的需求从防喘振到完全的性能控制（负荷能力、负载分配、去耦）进行组态。基于WinCC，我们开发出“四合一”机组态防喘振控制技术及其启动-暖机-加速-运行-超速试验-停车的顺序控制方案，并能结合现场流行的英国ICS、美国GE和德国SIEMENS等公司的自动化产品。从单点I/O控制到三重化，安全等级从SlL-1到SlL-3，真正实现了“四合一”机组的集成控制（ITCC），“四合一”机组的性能控制更为优化。

图6 基于WinCC防喘控制组态设计流程

4.1　控制功能描述

硝酸“四合一”机组安全控制系统，下位机系统使用西门子S7-400PLC完成现场设备监测、数据处理；上位机系统采用西门子WinCCV5.1平台实现对现场数据可视化的监控。该系统上位机采用客户机服务器的体系结构，WinCC服务器负责从下位机采集、处理和存储数据；客户机从服务器上共享/访问数据库，并进行数据的组态和运行监控，通过通信网络将PLC控制器实时采集的数据进行各种处理，在上位机的显示器画面上显示。PLC控制系统根据操作工从HM1、控制开关、按钮的指令信号，进行现场设备控制。位于操作室和PLC室的WinCC操作站和WinCC服务器用于工艺控制，它们之间的通信将通过开放、交换式的快速以太网实现。来自现场的执行机构和传感器的信号被采集到相关的RI/O站，通过开放的PROFIBUSDP网送至PLC控制系统。几乎所有的操作都通过WinCC操作站的显示器、鼠标和键盘来实现。

组态设计流程的延时动作是指防喘振控制阀FV-40270、FV-50270提前2秒先打开放空，其余联锁阀再动作，以更好地保护机组实现平稳停车。其停车信号主要包括以下现场控制模块：

（1）润滑油压PALL-10383（3选2）;

（2）透平出口压力PAHH-20510（3选2）;

（3）透平出口温度TAHH-20510（3选2）;

（4）BN3500的振动跳车信号（N选1）;

（5）透平末级保护信号;

（6）工艺停车信号ESD-31000;

（7）防倒流保护信号FALL-50209（3选2）;

（8）MFC速度控制故障;

（9）PCV20205运行故障。

4.2　软件配置

自动化控制系统软件采用西门子公司的PCS 7 V5.2软件包，PLC控制系统软件采用STEP7V5.2版本编程，HMl监控系统采用WinCC V5.1版本编程，HM1服务器采用英文Windows2000 Server操作系统，HMl操作站都是采用英文Windows 2000 Professional操作系统。WinCCV5.1中Sybase SQLAnywhere数据库运行于服务器上，存储在实时数据库中的数据，可以通过多台HMIClient实现数据实时交换。作为Client/Server结构，HM1上监控的数据全部通过服务器提交查询、修改等指令，通过光纤以太网再传送至PLC，完成对现场设备的在线监控与操作。

WinCC作为HM1软件系统，它将工厂控制软件真正集成进自动化过程中。WinCC用户友好组件允许应用程序的无错误集成。WinCC，一个过程可视化应用程序能够使用户方便地观察自动控制过程的全部特征。WinCC将Windows应用程序的体系结构和便于使用的图形设计程序结合起来。WinCC包括用于解决过程监控和控制任务的所有元素：

（1）WinCC项目工程环境

·图形-设计工厂现场；

·归档-将带时间标识的数据/事件存储到SQL数据库；

·报表编辑器-为要求的数据产生报表；

·数据管理器-定义并采集现场数据。

（2）WinCC运行系统允许操作员与机械运行相互作用

（3）HMl的编程工具WinCC具有可扩充性、开放性

·基于客户机/服务器模式；

·从简单到复杂的任务扩充；

·集成ODBC/SQL数据库；

·强大的标准接口（如OPC、OLE、ActiveX）；

·通用的脚本语言ANSIC；

·针对所有主要PLC厂商的通信接口。

4.3　防喘振控制算法参数

·进口流量测量差压API（FT-50209D，0～15kPa）;

·压缩机排气压力P2（PT-50229，0～0.6MPag）;

·入口导叶位置反馈（ZT-50285，150N7501）;

·喘振报警线，即图5中的折线2（设置报警值C1，5％）;

·喘振响应线（无）;

·喘振跳车线，即图5中的折线1（设置跳车值C2，0％）;

·实际喘振线，即图5中的控制线（现场实测）。

4.4　组态逻辑图

监控部分采用SIEMENS的WinCC组态软件，利用其功能模块可以实现防喘振控制。其逻辑图如图7所示。

图7 WinCC组态设计简图

图7中，FUNC-VAR模块：折线函数模块，利用给定的点绘出一段折线；PID模块：PID调节器模块，对给定的参数进行PID调节；CALCU模块：计算模块，可以进行编程和计算的模块；SPLIT模块：分程模块，对输出进行分程。

在逻辑图中，先根据喉部差压及机组的性能曲线由FUNCVAR模块来确定机组的喘振折线，经过CALCU模块进行偏置后，确定机组的防喘振曲线。偏置函数为CPV=BICLINE3.CPV*（1-P01），式中B1CLINE3为喘振线，P01为偏置数。以防喘振线的值为设定值，以主风出口压力为测量值，进行PID调节。

PID调节器BICll05的输出信号进CAL07模块进行高选的计算，以实现自动和手动的切换，并可保证机组的安全，防止误操作。

4.5　组态程序

其程序如下：

4.5.1　高选程序

IF（BICll05.MV>HCll05.MV）THEN

CPVl=BICll05.MV

ELSE

CPVl_HCll05.MV

ENDIF

4.5.2　调节阀快开慢关程序

CPV2=CPVl-P01

IF（CPV2<=-0.1）THEN

CPV=P01-0.1比较输出与当前阀位的差值，以判断阀是关是开

ELSEIF（CPV2>=75）THEN

CPV=P01+75

ELSE

CPV=CPVl

ENDIF

P01=CPV

IF（{BIC1105AB.MODE.AuT}）THEN

{BICll05AB.MODECAS}=1

ENDIF

其中，P01用来保存前-周期的阀位输出值。

4.5.3　可变增益程序

此外，还要增加可变增益实现根据输入与给定的偏差大小调节控制作用的强弱，以保证机组在接近喘振状态时能加大调节幅度，远离喘振区。在远离喘振区时，可降低调节幅度，保持机组的平稳运行。

先由函数CPV=B1C1105DV*100/BICll05.SH+48.0确定可变增益的折线函数BINLINE4，再编写可变增益的程序如下：

Al=BICLINE4.CPV/l00.0+0.999

IF（P01=0）THEN

A2=BICll05.P

ENDIF

IF（A）>1.0)THEN

BICll05.P=A2/（BICLINE4.CPV*0.04+1.0）通过修改调节器的比例度改变调节器作用

P0l=1

ELSE

BIC1105.P=A2

P0l=0

ENDIF

程序中，P01=1表示增益增大了，P01=0表示原始增益，程序初始化时将它置为0。这样，我们就利用WinCC的功能模块实现了对机组的防喘振控制。

5　结束语

硝酸“四合一”机组安全控制系统的建构，降低了整个生产线操作故障率与操作工地劳动强度，提高了劳动生产率。由于该机组自动化水平较高，使得整个生产线只需5个操作工负责操作和生产。目前该系统已调试完成，运行稳定。

★基金项目：教育部学徒制教指委项目（2023kt138）。

作者简介：

洪　滨（1962-），男，合肥巢县人，高级工程师，教授，现就职于合肥经济技术职业学院，研究方向为工业电气与自控系统设计、新能源与智能制造技术开发。

王吉祥（1990-），男安徽宿州人，硕士，现就职于合肥经济技术职业学院，研究方向为工业机器人技术。

孙爱鸿（1967-），女，安徽淮南人，高级工程师，现就职于夏县运力化工有限公司，研究方向为化工工艺与工程安全。

参考文献：

[1] 西安交大透平压缩机教研室. 透平压缩机测试技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 1982.

[2] 李连生. 压缩机技术研究进展及其应用[J]. GM通用机械, 2016 (9) : 20 - 26.

[3] 聂超群. 压缩机旋转失速先兆[D]. 北京: 北京航空航天大学, 1996.

[4] 余勇. 离心压缩机喘振主动控制理论模化与喘振先兆的实验研究[D]. 西安: 西安交通大学, 1997.

[5] 聂超群. 喘振主动控制模式的研究[J]. 工程热物理学报, 1996 (l7) : 423 - 427.

摘自《自动化博览》2024年9月刊