横河电机DCS系统CS3000在闪电停运离心泵恢复启动方面的应用

中原油气高新股份有限公司第二气体处理厂25000t / a轻烃深加工装置为典型的连续精馏操作单元，生产过程中对各种工艺参数的变化范围要求严格，参数波动会严重影响轻烃产品质量。中原油田供电网络处于豫北电网的末端，电压波动较大，闪电现象频繁，经常造成离心泵等用电设备停运，设备的恢复启动由人工操作完成，由于运转动力设备偏多，恢复启动操作所需时间较长，系统运行参数较长时间偏离正常值，严重影响了轻烃装置生产的连续运行。运行参数调整正常一般需要 8～12 h，每次调整期大约消耗轻烃原料40～60 m3，消耗燃气 4000～6000 m3，经济损失较大。

闪电引起离心泵停运，如果在较短时间 (如 1 ～2 s)内迅速恢复启动离心泵，则闪电几乎不会影响轻烃装置的连续运行。这种行为由人工操作无法实现，但利用自动化控制系统可在瞬间完成此项操作。

第二气体处理厂 25000 t / a轻烃深加工装置自动化控制系统采用日本 Yokogawa 公司先进的 DCS(CS3000)控制系统，闪电时 DCS系统可以迅速检测到离心泵停运。通过对离心泵启动控制电路进行技术改进，遇到闪电时， DCS系统瞬间发出一个时间为 2 s的启动信号，并自动完成停运离心泵的恢复启动操作，极大程度地消除了闪电对轻烃装置的影响。

1　闪电现象发生的原因

由于高压架空配电线路均安装有自动重合闸系统，因此线路一旦发生故障跳闸，系统将自动进行一次重合闸，如果此时故障消除，则高压配电系统供电恢复正常 (此过程表现就是系统电压瞬间下降，又瞬间恢复正常，时间最长不超过 1.25 s) 。如果线路跳闸的故障依然存在，则重合闸后加速开关跳闸切断高压配电线路。一次成功的重合闸对下游用户的表现就是供电系统发生一次闪电。据资料统计，2003 年中原油田供电公司高压架空线路故障约 80%为瞬时性故障，即系统重合闸有约80%的成功率。

2　离心泵直接恢复启动的可行性

离心泵正常启动前要求关闭出口阀，降低离心泵的启动负荷，以减小电机的启动电流，使其在功率最小的条件下启动。遇到闪电离心泵停运时，能否不关闭出口阀，直接启泵成为解决问题的关键。

当离心泵停运时，电机由于惯性没有立即停下，有一个逐渐减速然后到静止的过程。理论上分析电机的启动电流是与电机负荷和转子转差率有关，即转差率越大，启动电流也就越大。电机转子静止启动转差率最大，而在其较高转速下启动 ，转差率较小。因此遇到闪电时，在电机转子靠惯性运转时期恢复启动，其启动电流应该比静止状态下的启动电流要偏小。对此，选择一台离心泵，对其电机停运后的瞬间恢复启动电流进行了测试 (电机的额定电流为 15 A ) 。经试验测定，其关闭出口阀正常启动时最大启动电流为 90 A ，针对不同时间间隔后，在未关闭出口阀条件下，电机恢复启动电流统计见表1。

表1 未关闭出口阀状态下 ，电机恢复启动电流统计

由表1数据可知，闪停在3s以内时，电机恢复启动电流均低于电机正常启动电流值。而供电系统闪电的时间一般不会超过1.25 s，因此离心泵闪停 3s以内在未关闭出口阀条件下对电机进行恢复启动可行。

3　解决方案

利用DCS系统可以监测供电系统是否发生闪电，一旦闪电引起离心泵停运，则由 DCS系统发出一个时间为 2s的启动信号，瞬间对停运离心泵进行恢复启动操作。如果闪电后供电系统能在 2s内恢复，则离心泵恢复启动可以成功完成，反之，恢复启动操作中止，待供电系统正常后由人工手动操作完成。其恢复启动操作过程的具体实现由闪电停运检测电路、恢复启动控制电路和DCS系统组态三部分协作完成。

3.1 停运检测电路 (见图1)

闪电元器件的选型及要求：由于闪电时间很短，为给DCS系统足够的反应时间，K1 可选用一停电瞬时断开、来电延时闭合时间继电器，其时间整定值为 5 s，以确保恢复启动信号动作准确；K1同时又要做电源检测元件，因此要求 K1 的返回系数要高 ，不能低于 0.6，否则 ，其动作灵敏性偏低 ，可能发生闪电离心泵停运后，K1还没有动作发生。一般控制用交流接触器的返回系数为 0.4，K1的返回系数 0.6 以上时可以杜绝上述现象的发生。

检修开关 RK1、RK2可在更换 K1 时，不影响系统正常运行。当 K1 发生故障需要更换时，可以把 RK2闭合，确保 DCS系统不会接收到错误的停运信号，再把 RK1断开更换 K1。在 K1 更换完毕后，闭合 RK1，再断开 RK2，此刻系统即可恢复正常。电源检测元件的线圈接总电源开关的出线端，其来电延时闭合触点接到DCS系统的开关量输入端口上。

3.2　恢复启动控制电路 (见图 2)

3.3　DCS系统组态

第二气体处理厂采用日本 YOKOGAWA 公司 DCS(CS3000)控制系统，具体组态过程为：

(1) 建立四个 I/O 点：①供电指示输入点K1 -DI；②泵运行指示输入点 K2 - DI；③DCS系统控制启泵输出点 K3 - DO；④内部开关 K4。

(2) 采用 LC64 [Logic Chart ]模块对供电指示输入(K1 - DI) 、离心泵运行 (K2 - DI)与DCS系统控制启泵输出 (K3 - DO)进行DCS系统组态，其逻辑关系见表2。

注：供电系统通路时值为1，断路时值为0；离心泵运行时K2 - DI值为1，停运时值为0；DCS系统控制启泵输出闭合时值为1，断开时值为0。

其逻辑关系为只有当闪电离心泵停运与供电系统停电两者同时发生时，DCS系统恢复启泵控制输出才能闭合。为防止K1故障断开，造成离心泵自动恢复启动现象发生，一旦闪电离心泵停运与系统停电两者同时发生时，DCS系统输出闭合，延时 2s后断开。

(3) 建立供电状态监视光字牌。

(4) 利用DCS系统组态报警事件，建立顺控表，当K1断开后，触发供电状态监视光字牌，提醒操作人员发生闪电。

3.4 工作过程

(1) 闪电离心泵停运时 ， K1 动作 ，其触点发出一个开关断开信号给 DCS系统 。

(2) DCS系统收到 K1 的开关断开信号后，控制其DCS系统开关输出闭合 2s，2s后断开。

(3) 如果停电超过2s，DCS系统开关输出断开，恢复启动过程中止，来电以后只能进行人工启泵操作。

(4) 在DCS开关输出闭合2s内，如果电源能够得到恢复，则由L11→FU→SB1→DCS系统开关→KM→FR →N 构成一个回路，KM 动作闭合，离心泵来电启动，2s后DCS开关输出断开，恢复启动过程结束，泵恢复正常运行(工作过程见图 2) 。

4　结论

通过改进离心泵启动控制电路，利用DCS系统实现了对闪电停运离心泵的恢复启动操作，通过此项改进技术的应用，保障了闪电后轻烃装置连续稳定运行，经济效益显著，同时还降低了离心泵再启动时的启动电流，有效地延长了离心泵电机的使用寿命。DCS系统在闪电停运离心泵恢复启动方面的应用增效显著，也可使国内拥有同类连续生产装置的石油化工企业单位得到有益的启发，具有广阔应用前景。