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一．引言

兖矿鲁南化肥厂是以生产化肥、甲醇等化工产品为主的煤化工企业，其气化工段采用了三台国际先进的德士古水煤浆加压气化炉，生产过程采用了DCS和PLC系统控制。DCS系统采用Rosemount公司的DeltaV系统，主要实现测点的检测、控制、监控。PLC系统采用Modicon　TSX　Quantum　PLC系统，主要实现气化炉安全系统与锁斗系统的逻辑控制，本文主要讲述德士古水煤浆加压气化炉安全系统的PLC控制系统。

二．工艺原理及流程

水煤浆加压气化工艺属气流床气化，水煤浆进料，以纯氧为气化剂。气化压力可在2.0MPa～8.5Mpa范围选择，气化温度约1300～1500℃，湿煤气主要含有CO、H₂、CO₂、H₂O、N₂ 、H₂S、CH₄等。在气化炉中进行的主要反应有：（1）煤的热裂解与挥发物的燃烧气化；（2）固定碳与气化剂（氧气、蒸汽）间的反应；（3）反应生成气体彼此间进行的反应；（4）生成的气体与气化剂、固定碳之间的反应。

原煤经湿磨制浆后成为63％（wt）左右的水煤浆，经过高压煤浆泵送入工艺烧嘴，同时来自空分的氧气（纯氧98％以上）也进入工艺烧嘴，在三流式（中心为氧气，其次为煤浆，最外又为氧气）工艺烧嘴内混合后经喷嘴喷入气化炉。在1380℃左右的高温下发生部分氧化反应产生煤气。煤气中的无机物在高温下迅速被熔化产生熔渣，与反应生成的粗煤气并流渣口和下降管进入到激冷室，下降管的底部插入激冷室液面以下。来自洗涤塔循环泵的激冷水通过激冷环均匀分布使下降管壁上形成一层水膜，激冷水与水煤气、熔渣并进入激冷室液相，经初步洗涤的煤气出下降管沿上升管进入激冷室上部的分离空间，气、水分离后出激冷室。

水煤气经文丘里时与高压灰水泵来的灰水直接接触形成雾化，在文丘里内气体进一步增湿，增湿后的水煤气进入洗涤塔塔板上液层，然后沿升气管出来经转向帽进入洗涤塔的中部分离空间，分离后的气体进入两块冲击式洗涤塔板。每层板上有带盖板的冲击孔，洗涤塔上塔板的液体经溢流堰通过降液管送入下层塔板。气体首先由下塔板冲击孔进入，经盖板转向折流与塔板上的液层接触，气体中夹带的微粒进一步沉降于液相中。洗涤后的合成气离开塔板进入塔顶部的旋流除雾器，经高效离心分离掉雾沫夹带的液滴后离开洗涤塔，送至下游工序。用于制造合成氨或甲醇。灰渣经锁斗收集，定期排出系统。黑水经闪蒸回收热量，再次沉降处理后返回系统继续使用。

三． 系统组成

气化炉安全系统就是为保证气化炉系统运行安全而设立的安全联锁系统。它主要包括气化开车联锁和停车联锁，即开停车过程中一系列的信号确认和阀门自动动作。参与联锁的系统：煤浆系统、氧气系统、氮气置换及吹氮保护系统、烧嘴冷却水系统、气化炉激冷室液位系统、气化炉出口温度系统、气化炉压力及高压氮气压力等。

1、（１）阀门Valve

SBV-01、SBV-02：煤浆切断阀；   SRV-01：煤浆循环阀；   SPV-01：煤浆管线氮气吹扫阀   OBV-01、OBV-02：氧气切断阀；  OVV-01：氧气放空阀；   OPV-01；氧气管线氮气吹扫阀　CWV-01、CWV-02：烧嘴冷却水阀；FV-208：氧气流量控制阀

WBV-01：洗涤塔循环泵入口事故供水切断阀；   SHV-01：合成气遥控阀

（２）旁路开关（Ka1－Ka16）：

①、氧气流量（3个），分别为：Ka1（FT-208A）、Ka2（FT-208B）、Ka3（FT-208C）

②、烧嘴冷却水（4个），分别为：Ka4（FT-220）、Ka5（FT-221）、Ka6（TI-218）、Ka7（PI-209）

 ③、气化炉出口温度（3个），分别为：Ka8 （TE-214A）、Ka9（TE-214B）、Ka10（TE-214C）

④、煤浆流量（3个），分别为：Ka11（FT-205）、Ka12（FT-206）、Ka13（FT-207）

⑤、气化炉液位（3个），分别为：Ka14（LSLL-208A）、Ka15（LSLL-208B）、Ka16（LSLL-210）

注：所有旁路信号均为DI点。

    （３）假信号开关(联锁调试用)：

①、煤浆流量（1个）：FT-205  （假信号为AI值）

②、氧气流量（1个）：FT-208B  假信号为AI值）

③、气化炉液位（1个）：LSLL-208B  (假信号为DI值）

④、高压氮气压力（1个）：PT-205B  （假信号为AI值）

⑤、低压氮气流量（2个）：FSH-2011, FSH-2012  (假信号为DI值）

2、停车触发信号系统

（1）、氧气流量信号：FT-208A、FT-208B、FT-208C<4000Nm3/H（3选2跳车）

（2）、烧嘴冷却水进口流量偏低（FT-220<7.5m3/H），出口流量偏高(FT-221>22.4m3/H)，温度高高(TE-218>70℃),压力高高信号(PT-209>3.0MPA)（4选2跳车）

（3）、气化炉激冷出口合成气温度高高值信号：TE-214A、B、C>258℃（3选2跳车）

（4）、煤浆流量信号：FT-205、FT-206、FT-207< 7.1 m3/h跳车（3选2跳车）

（5）、激冷室液位低低信号：LSLL-208A、B， LT-210A或是LT-210B<1.6m（3选2跳车）

（6）、手动停车

四． 系统配置

1．  系统硬件

本PLC系统采用Modicon TSX Quantum系统，该系统是具有数字量处理能力的专用计算机系统。Quantum具有模块化、可扩展的体系结构，用于工业和制造过程实时控制，它包括Quantum系列CPU、I/O模板（以及采用远程I/O的800系列）、I/O接口、通讯模板、电源和底板。

在气化炉安全系统中，为提高系统的可靠性，大多数DI、DO点都作了双路输入（输出），因此配置一套安全系统PLC共需AI（1～5VDC）14个，DI点（220VAC）113个，DO点（220VAC）42个，模拟量因有三选二联锁信号，需将三个信号分布在不同的模块上，系统作如下配置：

CPU：系统的点数并不多，为使有较为充足的用户内存，可选用16K用户内存的140CPU11303。

AI卡：选用8通道单极性模拟量输入模板140ACI03000，14个模拟量需用2块AI模板，由于三选二信号的要求，必须配置3块AI模板。

DI卡：选用32点离散量输入模板，230VAC输入的卡为：140DAI75300，113点共需4块DI模板。

DO卡：选用16点离散量继电器常开输出模板，即140DAO84000，42点共需3块DO模板。

电源：选用8A冗余电源模板140CPS12400。

底板：系统已配置模板共13块，选用16槽底板。

配置图如下：

　　另外，该系统还配有两台监控机，用于编程和操作工监控。其中一台为服务器，另一台为客户机，它们与控制器间使用Modbus Plus通讯协议，用细缆进行连接。

2．  系统软件

系统编程软件使用concept2.2，concept包括IEC编程语言功能块图（FBD）、梯形图（LD）、顺序功能流程图（SFC）、指令表（IL）和结构化文本（ST）以及面积Modsoft的梯形图（LL984）。我们所使用的程序是用梯形图（LD）来实现的。

监控软件使用Citect5.4，主要用于对PLC系统的运行情况、参数等进行监控，以及记录事件、趋势、报警等。

五．典型逻辑实现

1．三选二联锁

　　在此PLC程序中，多次使用到三选二联锁。其逻辑图如下（以氧气流量FT-208A/B/C为例）：

　该逻辑图实现了以下功能：三个量中，只要有任何两个量达到跳车条件，即会引起气化炉跳车。

2．第一故障报警

引起气化炉停车的原因有多种，当发生停车事故时，为了查清事故原因，就要做第一故障报警。

下面以三个故障信号为例，讲述实现方法。

如图，设有三个引发跳车的故障10101、10102、10103。故障锁存后，00101、00102、00103分别代表三个引发跳车的故障，10099为复位按钮。

      当第一故障出现并锁存后，其它故障不能将第一故障覆盖直至系统复位。如此便达到了查清气化炉停车原因的目的。

六．结束语

该系统自投入运行以来，运行效果良好，很好的满足了复杂的逻辑控制要求，保障了气化炉的安全长周期运行。实践证明，PLC系统具有可靠性高、结构形式多样、模块化组合灵活、编程方便、安装、维护简单等优点。