容積式能量回收系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

薛 倩，薛樹琦，劉永強(qiáng)，李 順

（1.河北科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，石家莊 050018；2.北京京運(yùn)通股份有限公司，北京 100176）

0 引言

在能源缺失和工業(yè)效益等因素下，國(guó)內(nèi)外許多科研人員已經(jīng)致力于能量回收技術(shù)的應(yīng)用研究。能量回收技術(shù)最早應(yīng)用于海水淡化工藝，隨后應(yīng)用到越來(lái)越多的行業(yè)。在化工行業(yè)，合成氨工藝中廢液的高壓能量被浪費(fèi)[1]，能量回收技術(shù)的應(yīng)用能有效的解決這個(gè)問題，不同形式的能量回收裝置涌現(xiàn)出來(lái)。容積式液壓能量回收裝置利用液壓能量一次轉(zhuǎn)換，理論上回收效率達(dá)100%，實(shí)際應(yīng)用中則是部分代替銅液泵對(duì)低壓新鮮銅液增壓。

1 能量回收機(jī)的應(yīng)用背景

容積式能量回收裝置采用立式雙作用液壓缸結(jié)構(gòu)，工作時(shí)雙缸交替使用。PLC和人機(jī)界面等組成能量回收電氣控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控能量回收系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。能量回收系統(tǒng)根據(jù)工藝要求對(duì)廢液的高壓能量進(jìn)行回收，進(jìn)而利用到低壓新液的加壓工序中，減少了能量的浪費(fèi)，縮小了高壓泵的使用范圍，從而節(jié)省電能的使用，為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

在合成氨工藝流程中，洗滌原料氣時(shí)需要高壓新鮮銅液，銅洗結(jié)束后流出銅洗塔的廢銅液仍帶有高壓能量，廢銅液進(jìn)入再生系統(tǒng)時(shí)不需要高壓能量，通過多級(jí)減壓閥將其高壓能量減掉[2]，銅洗塔工藝流程如圖1所示。在銅洗工藝流程中裝有能量回收裝置，利用高壓廢銅液的能量對(duì)新鮮低壓銅液進(jìn)行加壓，供洗滌原料氣使用。高壓銅液在洗滌過程中會(huì)有部分能量損失，而流出銅洗塔后通過管道、閥門進(jìn)入活塞中也會(huì)損失小部分能量，因此在實(shí)際工程中還需要小型的高壓銅泵為系統(tǒng)提供部分動(dòng)力[3]。

圖1 銅洗塔工藝流程圖

2 能量回收系統(tǒng)的工作流程

容積式液壓能量回收裝置的主體是雙作用液壓缸，液壓缸內(nèi)由活塞隔離成上下兩個(gè)腔室，硬件部分還包括換向控制集成塊（換向閥件、壓力傳感元件等）、配流塊（為雙液壓缸的進(jìn)、排液閥集成塊）、供料泵和活塞組件等。

高壓廢銅液由銅洗塔底部排出，其中小部分銅液經(jīng)過減壓閥直接進(jìn)入再生系統(tǒng)，而大部分廢銅液經(jīng)過管道、閥門進(jìn)入能量回收裝置，回收其高壓能量后進(jìn)入再生系統(tǒng)。

圖2 能量回收機(jī)工作過程圖

回收裝置工作時(shí)，供料泵將低壓新鮮銅液輸送到A缸上腔后，下腔連接的電磁閥打開，高壓廢銅液進(jìn)入下腔，高壓廢銅液推動(dòng)活塞上行對(duì)低壓新鮮銅液加壓，上腔連接的排液閥門打開，將加壓的新鮮銅液泵入銅洗塔頂部。A缸動(dòng)作的同時(shí)B缸上腔進(jìn)液閥開啟，由供料泵供應(yīng)的新鮮低壓銅液進(jìn)入B缸上腔推動(dòng)活塞下行，下腔連接的電磁閥打開，下腔被回收能量的低壓廢銅液由B缸下腔排出進(jìn)入再生系統(tǒng)。

當(dāng)A缸活塞上升到限位點(diǎn)時(shí),接近開關(guān)1KT閉合，進(jìn)而控制進(jìn)液電磁閥閉合，排液電磁閥打開，供料泵提供新鮮銅液由進(jìn)液閥進(jìn)入A缸上腔推動(dòng)活塞下行，下腔廢銅液經(jīng)排液電磁閥排出進(jìn)入再生系統(tǒng)。當(dāng)B缸下行至限位點(diǎn)時(shí)，接近開關(guān)4KT閉合，下腔連接的排液電磁閥關(guān)閉，進(jìn)液電磁閥開啟，來(lái)自銅洗塔的高壓廢銅液進(jìn)入B缸下腔，高壓液體推動(dòng)活塞上行對(duì)上腔新鮮銅液加壓，上腔排液閥開啟將新鮮銅液排出進(jìn)入銅洗塔。雙缸如此循環(huán)，交替上行、下行工作[4]。

能量回收裝置在回收高壓能量的過程中，對(duì)新鮮銅液不斷提供高壓能量并將其送入銅洗塔，減少了傳統(tǒng)工藝中高壓泵的電能消耗。

3 能量回收系統(tǒng)的電控部分

3.1 電氣控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)車間級(jí)工作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的趨勢(shì)，能量回收系統(tǒng)加強(qiáng)了電氣控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。電氣控制系統(tǒng)采用PLC、觸摸屏、變頻器、傳感器以及組態(tài)王等硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)能量回收過程中的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，包括銅液壓力信號(hào)、液缸位置信號(hào)、供料泵工作情況、主機(jī)流量等信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電氣控制系統(tǒng)主要包括人機(jī)界面、組態(tài)軟件以及硬件結(jié)構(gòu)等。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

人機(jī)界面部分采用西門子公司的S7-200PLC和TP171系列觸摸屏，通過組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)能量回收系統(tǒng)的組態(tài)和監(jiān)控。TP系列觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制面板，增加了文本顯示量，豐富了顯示界面，提高了工作人員對(duì)人機(jī)界面的可操作性。PLC和CPU通信模式通用性強(qiáng)，可與整個(gè)合成氨生產(chǎn)工廠DCS系統(tǒng)互聯(lián)互通。數(shù)據(jù)采集儀器將采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送到PLC，通過液晶屏顯示出來(lái)，組態(tài)軟件的圖形界面可以直觀的呈現(xiàn)出工作現(xiàn)場(chǎng)，工作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采集信息進(jìn)行分析，采取調(diào)整措施保障能量回收機(jī)正常工作并處于最佳狀態(tài)。

3.2 PLC的報(bào)警設(shè)置及控制功能

在能量回收系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器將檢測(cè)到的高低壓廢銅液及新鮮銅液的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的電流信號(hào)，直接送入PLC中，PLC再傳輸?shù)接|摸屏顯示出來(lái)，PLC根據(jù)程序員設(shè)定的各項(xiàng)壓力報(bào)警極限，實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警，工作情況嚴(yán)重時(shí)能量回收機(jī)將自動(dòng)保護(hù)停車。接近開關(guān)將檢測(cè)到的位置信號(hào)直接傳入PLC，PLC根據(jù)程序指令實(shí)時(shí)控制電磁閥通斷電，進(jìn)而控制液壓缸往復(fù)自動(dòng)換向。

3.3 組態(tài)軟件及人機(jī)界面

能量回收系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，組態(tài)王是一個(gè)具有易用性、開發(fā)性和集成能力的通用組態(tài)軟件，它向下能與低層數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的雙向通信。組態(tài)王強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能和仿真功能，使得能量回收系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段以及今后的使用階段具有直觀的實(shí)時(shí)監(jiān)控性。

對(duì)于能量回收系統(tǒng)電氣控制部分，組態(tài)王軟件以畫面和報(bào)表的形式將能量回收機(jī)的工作狀態(tài)展現(xiàn)在操作人員眼前，如圖4所示，方便工作人員實(shí)時(shí)地監(jiān)視控制系統(tǒng)運(yùn)行。組態(tài)王將從能量回收系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)記錄在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫的方式形象地表示出來(lái)，同時(shí)完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢(shì)曲線等監(jiān)視功能，并生成立式數(shù)據(jù)文件。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析

容積式能量回收系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案中針對(duì)以下環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

圖4 組態(tài)界面圖

4.1 液壓沖擊

由于某些因素影響，液壓系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊，如閥門的迅速開啟或關(guān)閉會(huì)引起液壓沖擊，應(yīng)盡可能減慢電磁換向閥的移動(dòng)速度，適當(dāng)降低閥門的控制壓力，或加入阻尼裝置。選用氣動(dòng)閥作為先導(dǎo)閥，輔助電磁閥控制液體流量，降低功率消耗。

對(duì)于活塞換向或制動(dòng)時(shí)在液壓缸內(nèi)產(chǎn)生的液壓沖擊，可以利用一些緩沖裝置來(lái)減少?zèng)_擊力度。液壓缸中常見的緩沖結(jié)構(gòu)有圓柱形環(huán)隙式、圓錐形環(huán)隙式、可變節(jié)流槽式和可調(diào)節(jié)流孔式，如圖5所示[5]。

圖5 液壓缸的緩沖裝置

比較四種裝置后選取圓錐形環(huán)隙式緩沖結(jié)構(gòu)，其緩沖柱塞為圓錐形，緩沖環(huán)形間隙隨位移的變化而變化，即通流截面面積隨緩沖行程增大而減小，使機(jī)械能的吸收較均勻，其緩沖效果較好，相較可變節(jié)流槽式裝置而言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[6]。

4.2 流量調(diào)節(jié)

進(jìn)入銅洗塔的高壓銅液流量需要滿足銅洗工藝需求，流量的變化對(duì)工業(yè)生產(chǎn)影響很大。為保證銅洗塔不間斷供應(yīng)銅液，兩個(gè)液壓缸交替工作時(shí)，雙缸活塞上下行時(shí)間差應(yīng)盡可能小。當(dāng)活塞上、下行到極限時(shí)，PLC檢測(cè)到位置信號(hào)并計(jì)算出液缸運(yùn)行時(shí)間，對(duì)兩缸活塞的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較，時(shí)間差過大時(shí)需要調(diào)整運(yùn)行時(shí)間，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓缸的流量可調(diào)節(jié)活塞運(yùn)行時(shí)間。

供料泵輸入到液壓缸的銅液流量影響著活塞下行時(shí)間，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率可調(diào)整供料泵的運(yùn)行速度，對(duì)輸出流量進(jìn)行控制，進(jìn)而縮小兩缸運(yùn)行的時(shí)間差。變頻器頻率與供料泵電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系如下式：

其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；

f為變頻器頻率；

p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

影響活塞下行時(shí)間的流量可通過調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)整，工業(yè)中常通過手動(dòng)閥控制閥門開度調(diào)整流量，由于手動(dòng)調(diào)節(jié)偏差較大、調(diào)節(jié)滯后，故選擇與控制系統(tǒng)相連的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)PLC檢測(cè)到流量信號(hào)時(shí)，分析實(shí)際情況對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥發(fā)出命令，控制流量在設(shè)定值偏差范圍內(nèi)。在流量調(diào)節(jié)過程中，可利用PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

圖7 診斷界面

4.3 設(shè)備故障診斷功能優(yōu)化

當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，一般由檢修人員檢查各個(gè)設(shè)備或線路是否正常，這樣造成故障停車時(shí)間較長(zhǎng)，影響了生產(chǎn)進(jìn)度。針對(duì)這一因素，在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)中增加了自診斷功能界面（如圖7所示），將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)量實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示在診斷界面中，如電機(jī)啟停狀態(tài)、閥門開啟關(guān)閉狀態(tài)等，工作人員實(shí)時(shí)了解和掌握設(shè)備運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)，確定其整體或局部正常與否，早期發(fā)現(xiàn)故障并判斷故障的部位和程度，分析故障原因，及時(shí)排除故障。這大大縮短了故障檢修時(shí)間，縮短了工廠故障停機(jī)的時(shí)間，降低了對(duì)維修人員的依賴程度，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

容積式能量回收系統(tǒng)采用以PLC為核心的電氣控制部分，人機(jī)界面作為操作人員與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的橋梁將PLC采集數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)出來(lái)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行工況。分析了系統(tǒng)優(yōu)化方向，使能量回收系統(tǒng)能高效、穩(wěn)定的工作。

[1]曹志錫, 汪小洪, 趙文宏, 等.銅氨液能量回收機(jī)在合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 31(1): 75-77.

[2]朱蕓, 曹志錫, 洪孝鵬.活塞式多相流能量回收裝置的研究[J].液壓與氣動(dòng), 2010, (1): 77-79.

[3]楊守智, 張沖, 李姝娟, 等.原料氣洗滌液體能量回收機(jī)的研究與開發(fā)[J].化肥工業(yè), 2003, 30(4): 26-27, 37.

[4]楊守智, 馬小兵.合成氨原料氣濕法脫碳富液能量回收方法的選擇[J].化肥工業(yè), 2006, 33(5): 17-19.

[5]袁承訓(xùn).液壓與氣壓傳動(dòng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2008,61-62.

[6]張平格.液壓傳動(dòng)與控制[M].冶金工業(yè)出版社, 2006,76-78.