深冷法制氧装置优化运行研究

刘福明， 姜 超， 罗建伟， 武 广

（唐山唐钢气体有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

工业气体氧气生产中一般可获取的氧气产品有：工业O2、高纯度O2和医用O2等。设备制取O2的办法一般是利用空分技术，个别工业中采用电解水或其他方法也可获取O2，冶金行业是通常采用空分制氧，具有代表性的空分制氧技术有：深度冷冻法（深冷法）、变压吸附法和膜分离法等。

1 制氧装置现状介绍

1.1 设备配置

某公司现有的制氧设备为3 套21 000 m3/h 深冷空分装置和1 套公辅设备，可生产的产品有O2、液氧、N2、液氮、Ar 和液氩。O2产量为15 万m3/h，N2产量为17 万m3/h，Ar 产量为4 700 m3/h。

1.2 工艺结构

深冷制氧工艺流程：空压机将原料空气进行压缩、冷却及液化后，液态空气进入分子筛纯化系统进行筛分净化，净化后的空气被分为两路送至分馏塔，利用O2、N2和Ar 不同的沸点，通过重复蒸发、冷凝进行精分馏[1-2]，最终得到O2、N2和Ar 产品。

设备当前采用的DCS 控制系统[3]是PKS R101 DCS 系统，整个系统通过共享服务器和C/S 的架构实现监控。DCS 系统结构图如图1 所示。

图1 制氧装置DCS 系统结构

1.3 问题分析

设备当前控制系统为C/S 架构，服务器不能停机做检修，服务器统一监控3 套空分设备和1 套公辅设备，一旦发生故障，会直接影响所有设备的监控工作。服务器长期运行得不到有效的维护检修，导致系统出现如下问题：

1）系统程序不能备份。

2）修改程序或增加程序后，装载时会出错，存在风险。

3）服务器工程数据库部分测点、流程图数据丢失。

另外，制氧装置系统自运行以来，陆续增加了氩泵、数据采集装置等，利用了预留的I/O 接口，现在系统的I/O 接口被全部占用，没有余量。

2 制氧装备系统优化设计

2.1 系统优化方案

针对某公司制氧装置DCS 控制系统目前存在的问题，对原有DCS 系统进行分离升级优化改造，将原有的控制系统一分为二，降低问题集中的风险。更换升级分离得到的2 套系统的冗余模块和网络模块，解决老旧系统无备件、兼容性低的问题。进一步扩展I/O接口，解决I/O 接口无余量的问题。改造优化工作内容包括：

1）对系统进行分析和升级。

2）新增加1 对冗余服务器及操作站等配套装置，安装最新版应用软件，配置2 000 个I/O 接口授权。

3）分离原系统中的2 套C200 冗余控制器，形成可独立工作的DCS 系统。

4）更换升级系统硬件，采用最新版冗余控制器、冗余模块和容错以太网模块，替换原有相应部分，并对分离后的系统进行平台升级。

分离升级优化后的系统结构如图2 所示。

图2 分离升级优化后的系统结构

2.2 方案实施

结合生产中空分设备检修工作的安排以及实际生产组织情况，方案实施时先对3 号空分设备进行优化改造，然后，再对公辅设备进行分离升级。按上文优化方案对3 号空分进行升级，升级过程中更换了C200 冗余控制器、R M冗余模块和FTEB 容错以太网模块等部分。完成分离升级工作后，拆下3 号空分设备上的新板卡，安装回原卡并进行升级。升级完成的板卡可在公辅设备系统升级时再次利用。

3 制氧装备优化系统方案工业应用和经济性分析

3.1 工业应用

根据上文阐述的优化方案，对某公司3 套空分制氧装备进行改造，改造工程分3 个步骤进行：前期准备、优化改造施工和结果测试。

3.1.1 前期准备

备份当前系统的数据库、流程图等关键工作信息。升级冗余服务器，对系统进行功能性测试。准备硬件配件，完成接线，确保各设备上电正常运行。

3.1.2 优化改造施工

首先，规划建立3 号空分设备和公辅设备独立的DCS 控制系统，确认功能后从原系统中分离出来。然后，对系统进行软、硬件的升级，使用最新版本的软件系统，新增2 台冗余服务器、4 台操作站及配套件等硬件结构。对原系统硬件模块进行升级，更换新的C200 冗余控制器、R M冗余模块和FTEB 容错以太网模块等部分，并对系统平台进行升级。

3.1.3 结果测试

优化改造后，对系统各项功能进行测试，确保无误后，投入运行。主要进行以下几项功能测试：

1）测试流程图界面：正常运行制氧装置，流程图界面能正确并流畅地显示运行参数，如流量、压力、液位和设备状态等，表明流程图界面正确、无误。

2）测试参数设定功能：实际运行设备，自定义运行参数，调节设备运行状态。设定工艺参数，调节生产状态。经测试，参数设定正确有效。

3）测试报警功能：报警功能包括设备运行工艺参数的限位报警、联联锁报警和运行异常报警等，通过观察设备运行过程及报警信息，报警功能正确无误。

4）测试记录、备份功能：记录、备份功能用于记录操作人员的操作信息、备份设备运行数据，方便信息追溯，经试用观察，记录、备份功能正确无误。

3.2 经济性分析

某公司制氧装置DCS 控制系统分离改造之前，由于服务器不能停机检修，长期运行已积累诸多问题。其中，程序问题、流程图数据问题尤为突出。在生产过程中，程序故障频繁出现，程序无法备份、修改程序后装载不成功，流程图数据出错，平均解决时间为48 h。由于个别配件版本老旧，问题无法彻底解决，故障隐患仍然存在。每套设备产量按O2：21 000 m3/12 h、N2：21 000 m3/12 h 和Ar：750 m3/12 h 计算，直接损失约312 万元。另外，由于3 套空分设备和1 套公辅设备共用1 套控制系统，无法独立停机检修，其中1 台发生停车事故，其余设备也得同时停机，系统再次启动恢复生产至少需要12 h，直接损失约52 万元。以上成本损失尚未计维修相关费用。

对DCS 控制系统分离升级改造后，分为相互独立的2 套系统，1 号、2 号为1 套，3 号、公辅为1 套。2套系统可独立工作，也可同时工作。

首先设计了3 号空分和公辅设备的控制系统，确认功能后，再从原系统分离，独立做系统升级，并未造成设备全面停机。对于分离升级完成后的系统，在为期6 个月的试运行阶段，服务器在一备一用的状态下进行检修维护，排除了若干问题，避免了停机事故的发生，维护按4 h 计，另系统停机后完全启动需12 h，粗略估计可节约70 万元。此外，对空分设备和公辅设备制定了严格的1 次/月的维保计划，维保时一备一用，不耽误生产进程。在试运行期间，2 号设备因发生故障停机一次，停机至维修完成投入使用整个过程中，未影响3 号空分和公辅设备的运行，未影响生产运行，则至少可节省52 万元。

4 结语

针对某公司制氧装置配置情况、工艺流程以及DCS 控制系统现状及存在的具体问题，提出相应的解决方案。设计制氧装置分离升级优化方案，将原有1套系统分离为2 套独立的系统，并对系统软硬件进行升级或更新，解决风险集中、I/O 接口余量等问题。实施分离升级改造方案，并对改造完成后的系统进行功能测试与试运行，优化后的系统具有较较好的稳定性和经济性。