GE ESD系统在40万吨/年合成氨、45万吨/年尿素项目中的应用

摘要:　

本文介绍了GE 90-70 GMR系统在达州市大竹玖源化工有限公司40万吨/年合成氨、45万吨/年尿素项目一期工程中的应用，具体就GMR系统中输入子系统、输出子系统的硬件配置，以及GMR系统在大化肥主要工段中的应用进行了描述。

一. 项目背景

大化肥行业具有工艺流程长、复杂，且属易燃、易爆危险装置，对安全要求极高的特点。安全联锁采用独立于控制系统的ESD系统显得十分必要。ESD系统是适用于高温、高压、易燃、易爆等连续性生产装置的安全保护系统。当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

达州市大竹玖源化工有限公司40万吨/年合成氨、45万吨/年尿素项目以天然气为原料，采用蒸汽转化法生产合成氨技术。合成氨装置由Farmland工厂天然气转化部分和Cytec工厂合成氨装置的其他部分组合而成。两厂均采用Kellogg工艺技术。项目工艺装置均为易燃易爆、高度危险、连续生产的重要化工装置，这就要求必须配置先进的、高可靠的设备，配置能充分满足大化肥装置及机组的紧急停车和安全联锁的ESD系统。基于此考虑，其选用了GE公司的 90-70 GMR表决系统。

二.GE的90-70 GMR解决方案简介

美国GE FANUC公司的GMR（Genius Modular Redundancy）三重化冗余控制系统是基于GE Fanuc公司的90-70PLC以及先进的智能化输入/输出模块（Genius I/O）构成的具有国际先进水平的三重化表决控制系统。此系统包含三个独立的90-70PLC以及运行在每个单独系统中的诊断程序。通过三选二的表决，系统为用户提供了高可靠性和无误差操作。还包含了输入子系统及输出子系统。输入输出子系统由智能的、可组态的Genius I/O模块组成，每个模块都有微处理器并提供通讯诊断功能，同时对输出和输入通道有电子保护功能，而且模拟量、开关量等所有模块都可以用在同一总线中。传感器信号被引入到隔离的Genius输入模块，设置在独立机架中，各自独立的CPU从每条Genius总线上接受这些输入信号并对这些信号进行表决，然后，三个CPU中的每一个CPU通过三重化的Genius I/O总线将逻辑状态结果送至输出子系统，Genius输出模块对三重化的输出数据进行表决，然后送至负载。

该系统具有如下特点：

• 容错功能（Fault Tolerant）
• 失败安全（Fail Safe）
• 高等级自检及诊断检测
• 应用灵活性，可组态逐点冗余使之可以根据指定的应用要求配置自己的硬件系统
• Genius I/O加速系统的开车进程，不须长距离拉线
• 支持中央控制和分布控制系统
• 消除保险，减低了平均修复时间（MTTR）
• 故障识别到点级，进一步降低了平均修复时间（MTTR）
• 基于20ms的扫描时间
• 支持三选二、二选二、二选一以及单机系统配置

1、 输入子系统的配置

由于输入子系统可以灵活配置，工艺信号的引入可以是单信号、双信号或是三个信号。信号可以引入单个输入模块也可以到三个模块，供PLC CPU主机进行表决，表决结果送给输出模块组再表决后输出。在该项目的设计中采用了两重化输入方式，一个现场输入信号通过端子排分配到两个独立的输入模块IC660BBD020，每个模块连接到单独的 Genius 总线BELDEN9182。

2、输出子系统的配置

GE GMR输出子系统包括四模块“H”型、二模块“I”型和二模块“T”型的模块组配置，可根据项目成本、项目规模等综合考虑选用输出子系统的配置。输出模块组对从CPU来的输出进行表决，将表决结果输出到负载。基于所有设备的可靠性和可用性 ，采用了“T”型输出配置。每一个现场输出是由两个源型（Source）模块IC660BRD020并联接在负载的一端，负载的另一端接地。这种结构即是失败安全（Fail Safe）的又是容错(Fault Tolerant)的。配置如下图所示。

3、Genius 总线BELDEN9182

整个系统的配置中，共有两条Genius总线BELDEN9182贯穿所有的DI/DO模块，每条总线的具体接线如下图所示。 

4、外配成套部分

根据信号传输、隔离、转换、分离的需要, 而且，现场仪表信号电缆需先经过过渡端子柜后再接到SIS系统的I/O卡上，因此对于上述系统，还需设置一定的辅助柜SIS1-SIS4(4个辅助柜)，其中，SIS1柜为系统电源柜和90-70PLC机架柜，配置2个9槽机架。SIS2-SIS4为Genius DI、DO模块配置柜，另外，还有3台特制操作台，用于安装选择开关、按钮、闪光报警器等。

三.基于合成氨、尿素工艺的控制方案

 在化肥厂的中／大型化肥生产装置中，压缩机组作为大型的转动设备得到了大量应用。并且作为核心装置，是生产的关键装置。所以透平压缩机组的联锁控制，是保证整个化肥装置安全生产运行的关键。此项目中压缩机控制包括了天然气压缩机联锁、空气压缩机101-J联锁、合成气压缩机103-J联锁、氨压缩机105-J联锁、CO2压缩机C-101联锁。

其他工段控制方案包括了：

• 高低温变换工段联锁
• 脱碳工段联锁
• 甲烷化工段联锁
• 工艺空气停车系统联锁
• 引风机联锁
• 送风机联锁
• 一段炉燃料安全系统联锁
• 辅锅燃料安全系统联锁
• 开工加热炉燃烧安全联锁
• 原料气停车系统联锁
• 厂级事故停车联锁

其中厂级事故联锁停车作为整条工艺流程安全生产的保障，显的尤为重要。

四.总结与展望

ESD系统作为整个化肥生产工艺装置安全联锁的核心控制系统，其可靠性和稳定性直接影响着全厂的生产安全。 GE 90-70 GMR系统提供从输入到CPU控制器以及输出的各种组合，符合IEC61508标准并可达到和获得TÜV AK1~AK6/IEC SIL1~SIL3等级认证。其在达州玖源4045大化肥项目装置上成功应用，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失，为工厂安全生产保驾护航。

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