空壓機干燥塔監控系統升級改造

王愛民，鐘凱誠

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

1 干燥塔的工作原理

無熱再生式干燥塔有左右兩塔，正常運行時，一塔進行干燥操作，另一塔進行再生操作。干燥塔內裝有干燥劑，靠干燥劑的吸水性將通過干燥塔的氣體中的水分吸附，達到干燥空氣的目的，這一過程稱為干燥過程。壓力下降的干燥空氣，經膨脹后在與吸附水分飽和的吸附劑接觸時，吸附劑中的水分向再生空氣轉移，這一過程式稱為再生過程[1]。根據圖 1所示的干燥塔流程，通過再生流量調節閥的調節，大約 15%的出口干燥空氣被用來再生干燥劑。標準的無熱再生干燥塔按美國全國電器制造商協會(NEMA)規定的 10min循環設計：干燥 5min，再生 4min 20s，升壓 30s，降壓 10s。

表1 干燥塔10 min循環工作梯形圖Tab.1 Ladder diagram of 10-minute cycle work of drying tower

從表1可以看出干燥和再生過程中，左右兩塔的進氣閥和再生閥的位置，左塔進氣閥對應圖1中③，左塔再生閥對應⑨，右塔進氣閥對應④，右塔再生閥對應⑩。當干燥塔內與管道同壓的 5min干燥期間，另一塔的干燥劑進行再生，再生塔的壓力為大氣壓。

圖1 干燥塔流程圖[2]Fig.1 Flow chart of drying tower[2]

2 存在的問題

平臺干燥塔沒有工作異常報警功能，若現場人員未及時發現，會影響干燥塔的處理效果，造成儀表氣露點過高，在低溫時儀表氣中水分凝露，影響氣動閥門的控制靈敏度和精度，進而影響流程的穩定性，甚至造成關停。

平臺干燥塔曾出現過進口和再生閥、電磁閥全部關閉的情況，導致后端儀表氣急速下降，由于現場人員反應及時，迅速切換至備用干燥塔，避免了平臺停產。如果能增加干燥塔運行狀態反饋功能，實時監控干燥塔實際運行狀態是否與 PLC發出的指令一致，當出現不一致時，立即輸出聲光報警，提醒人員及時進行處理，避免生產流程受到影響。

3 改造過程

干燥塔新增工作異常報警功能主要檢查 2個方面：首先，監測雙塔的進口閥和再生閥的反饋閥位是否與控制器的輸出指令一致；其次，監測干燥塔的實際壓力是否與程序控制的壓力一致。

由于平臺干燥塔控制器為廠家封裝產品，無法對原程序進行編輯擴展，增加相應報警功能。通過新增西門子S7-200 PLC實現干燥塔異常時輸出相應故障報警，并探索使用該西門子控制器代替原控制器，實現干燥塔的干燥和再生控制。

3.1 改造思路與措施

新增干燥塔的閥門狀態異常報警原理如圖 2所示。從干燥塔原控制器中將雙塔的進口閥和再生閥的4路控制信號引入到新增西門子 S7-200 PLC中，將閥位的反饋信號同樣引入新增PLC中，經過對比，如果出現異常即輸出報警。

圖2 改造原理圖Fig.2 Schematic of transformation

新增干燥塔工作壓力異常報警，在干燥塔上新增壓力開關，監測干燥塔在干燥過程中是否能正常升壓，在再生過程中是否能充分泄壓，向新增PLC中實時反饋干燥塔內的壓力狀態，當出現不符時輸出報警，提醒人員進行倒機檢修。

3.1.1 編寫程序

利用西門子STEP 7編寫程序，包括監控干燥塔的進氣、再生閥門開關狀態和干燥塔氣壓狀態，如有異常發出聲光報警，提醒相關人員進行處理。

利用STEP 7編寫相應的程序實現對干燥塔的進氣、再生閥的指令信號和反饋信號的監控，如有異常立即輸出鎖定報警。如圖3所示，當B塔的進氣閥的控制信號和反饋信號出現不一致時輸出鎖定報警，并發出聲光提示。分別對雙塔的進氣和再生閥進行編程，實現對4個閥的實時監控。

圖3 監控B塔進氣閥異常的程序截圖Fig.3 Program screenshot for monitoring abnormity of tower B inlet valve

利用STEP 7編寫相應的程序實現對干燥塔的再生和干燥過程的壓力監控，如有異常立即輸出鎖定報警。此段程序針對的是干燥塔閥門由于某種原因引起驅動機構和閥門脫開，無法正常進氣或排氣，但是閥位反饋正常的情況。如圖4所示，當塔A處于干燥過程，若壓力開關未反饋出干燥塔內有壓力，輸出鎖定報警；同樣，當塔 A 處于再生過程，若壓力開關未反饋出壓力降低至大氣壓，輸出鎖定報警。

圖4 監控A塔運行工作壓力異常的程序截圖Fig.4 Program screenshot for monitoring abnormity of tower A operating pressure

3.1.2 程序測試

為確保和驗證新增 PLC編程的正確性，充分利用現場搭建的 PLC仿真試驗臺對其進行試驗。使用繼電器代表干燥塔的進氣和再生閥門，繼電器的觸點代表閥門的狀態反饋，按照程序I/O點表進行接線。

進行干燥塔閥門故障報警測試：在閥門應該處于關閉狀態時，將閥門的反饋置于打開狀態，程序能夠輸出閥門故障報警，同時測試其他狀態閥門狀態與指令不一致時，能否輸出相應的閥門故障報警，實現雙塔的進氣閥和再生閥的實時監控，具體見表2。

表2 程序實現對各閥門開關狀態監控Tab.2 Program achieving to monitor switch state of each valve

進行干燥塔氣壓異常報警測試：用2個手動開關代替監測干燥塔壓力的壓力開關，當塔內壓力與工作運行壓力不一致時，能夠輸出壓力故障報警(圖5)。

圖5 利用搭建的PLC仿真臺測試程序Fig.5 Testing program using PLC simulation platform

通過以上測試可知，編寫 PLC程序能夠滿足干燥塔閥門故障和塔內壓力異常時，輸出故障報警。

3.1.3 現場安裝

為了保證與原有控制系統相互獨立，在原控制盤內新增4個繼電器，將干燥塔雙塔的進氣閥和再生閥4路信號分別引入新增PLC中，進行程序控制。按照程序輸入輸出點位進行安裝和接線，制作支架，對PLC、報警聲光等安裝和固定。經現場實際測試，壓力開關設定在 0.5MPa，程序監控效果較好，能及時有效地輸出報警。

3.2 程序探索

通過對干燥塔工作原理的分析，能夠判斷改造新增的西門子 PLC也可以實現干燥塔的干燥和再生循環工作過程。編寫相關控制程序，在 PLC仿真試驗臺上測試，能夠實現控制干燥塔運行。通過該西門子PLC控制干燥塔的干燥和再生循環工作，可以實現干燥塔控制器與平臺其他設備控制器的統一，有利于優化庫存。目前西門子 PLC作為干燥塔專用控制器的備用控制器，一旦專用控制器出現問題，可立即使用該 PLC代替原控制器控制干燥塔的運行，節省現場檢修時間。

4 效果評價

通過分析干燥塔的工作原理，創新性地提出新增工作異常報警反饋功能。在改造投用 6個月后，出現塔內工作壓力異常報警，經現場檢查是左塔的再生閥閥桿發生斷裂，在再生過程中無法泄放濕氣。經過現場實際驗證，此次干燥塔改造在干燥塔工作異常時能及時發出聲光報警，在保證干燥塔運行正常的同時，切實降低了巡檢人員的勞動強度。