工藝液氧泵的控制探討

摘要：在大型空分裝置中，液氧內(nèi)壓縮空分裝置占有的比例最大，來自主冷低壓液氧通過液氧泵加壓后，通過高壓主換熱器復(fù)熱至設(shè)計(jì)溫度后作為產(chǎn)品氧氣送用戶使用。文章介紹了大型空分裝置工藝液氧泵的控制功能、實(shí)施方法、操作方式，從而保障工藝穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：空分液氧泵系統(tǒng)；時(shí)序控制；聯(lián)所邏輯控制；外給定PID；閥門開度記憶；工藝液氧泵 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2017）04-0054-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.028

目前在大型空分裝置中，液氧內(nèi)壓縮空分裝置占有的比例最大，來自主冷低壓液氧通過液氧泵加壓后，通過高壓主換熱器復(fù)熱至設(shè)計(jì)溫度后作為產(chǎn)品氧氣送用戶使用；液氧泵配置兩臺(tái)，其中一臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)處于惰轉(zhuǎn)備用狀態(tài)，當(dāng)工作的液氧泵故障時(shí)，惰轉(zhuǎn)備用泵在短時(shí)間內(nèi)提升到工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，保證后續(xù)工藝用氧的需要。

液氧泵系統(tǒng)是空分裝置的最重要的組成部分，它是時(shí)序控制和聯(lián)鎖邏輯及外給定PID控制的結(jié)合，本系統(tǒng)的控制是保證空分裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一，對于大型空分裝置在設(shè)計(jì)該程序時(shí)和閥門選型方面必須經(jīng)過充分的考慮以滿足工藝和用戶提出的控制要求，確?？辗盅b置運(yùn)行穩(wěn)定，保證后續(xù)氧氣的正常供應(yīng)。

圖1為兗礦國宏化工60萬噸甲醇項(xiàng)目30000Nm3/h空分液氧泵工作情況，正常運(yùn)行的液氧泵后壓力8.0MPa、泵前0.2MPa、轉(zhuǎn)速3389rpm，惰轉(zhuǎn)備用泵后壓力0.33MPa、泵前0.2MPa、轉(zhuǎn)速300rpm，若是正常運(yùn)行的泵由于某種原因出現(xiàn)故障，惰轉(zhuǎn)備用泵在10秒內(nèi)從當(dāng)前工況達(dá)到正常的工藝用氧的壓力和流量使后面煤汽化系統(tǒng)用氧不受影響，后續(xù)用氧的最低使用壓力6.5MPa，如果低于此壓力，氣化爐將不能正常工作，這樣就會(huì)造成后續(xù)生產(chǎn)停運(yùn)，損失就很大，為了保證正常生產(chǎn)不受影響，除了設(shè)備本身可靠外，在液氧泵的控制上做了以下的程序控制功能來滿足工藝的用氣要求。

1 單臺(tái)氧泵程序控制的主要功能

1.1 液氧泵加熱器的控制

加熱器通過DCS系統(tǒng)的操作畫面能手動(dòng)啟?？刂?，通過按畫面上的對話框“啟動(dòng)”、“停車”按鈕，彈出對話框“是否要啟動(dòng)”或“是否要停車”，如果要啟動(dòng)或要停車選定“是”如果不需要啟動(dòng)或不需要停車選定“取消”，就可以完成手動(dòng)啟停操作，也能避免誤操作；加熱器的控制同時(shí)受液氧泵的軸承溫度的控制要求：當(dāng)溫度小于等于5℃時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱器進(jìn)行加溫，當(dāng)溫度大于25℃時(shí)停止加溫。

1.2 液氧泵風(fēng)扇的控制

與加熱器相同，在DCS系統(tǒng)的操作畫面能手動(dòng)啟停控制，操作方法也類似；液氧泵啟動(dòng)之前先啟動(dòng)風(fēng)扇，也就是風(fēng)扇有運(yùn)行指示后氧泵才允許啟動(dòng)，風(fēng)扇運(yùn)行信號消失氧泵聯(lián)鎖停車。

1.3 液氧泵本身的聯(lián)鎖停車

1.3.1 啟動(dòng)條件：風(fēng)機(jī)運(yùn)行、軸承溫度大于

-40℃、進(jìn)口閥開度大于95%、空分預(yù)冷系統(tǒng)聯(lián)鎖解除條件同時(shí)滿足才允許啟動(dòng)液氧泵。

1.3.2 停車條件：風(fēng)機(jī)停運(yùn)、軸承溫度大于120℃、迷宮溫度低于-150℃、氧氣出冷箱溫度低于0℃、出口壓力高于8.9MPa、空分預(yù)冷系統(tǒng)聯(lián)鎖停車、緊急停車臺(tái)停車信號條件之一滿足時(shí)液氧泵聯(lián)鎖停車，從而保障設(shè)備安全，停車時(shí)使進(jìn)出口閥的電磁閥失電關(guān)閉氧泵進(jìn)出口調(diào)節(jié)閥（同時(shí)程序置4mA信號輸出給現(xiàn)場閥門定位器，閥門為故障關(guān)，保障電磁閥失電和定位器的輸入信號同步）、關(guān)氧泵回流閥（程序置20mA信號輸出給現(xiàn)場閥門定位器，閥門為故障開，使氧泵與冷箱其他設(shè)備隔離）。

1.4 變頻調(diào)速控制

液氧泵的轉(zhuǎn)速是通過變頻調(diào)速進(jìn)行控制的，變頻器的給定值為外給定，由DCS系統(tǒng)輸出4～20mA信號到變頻器，變頻器根據(jù)此給定信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，同時(shí)變頻器把轉(zhuǎn)速信號反饋給DCS進(jìn)行顯示，方便操作。

1.5 電機(jī)的電流

液氧泵運(yùn)行的電流信號進(jìn)DCS顯示，根據(jù)電流大小可以作為判斷運(yùn)行泵是否故障。

1.6 進(jìn)出口閥門的電磁閥控制

電磁閥在不參與聯(lián)鎖或調(diào)試過程中可以手動(dòng)操作讓其得電（可操作閥門的開度大?。?、失電（關(guān)閉閥門），在投入聯(lián)鎖后電磁閥的控制不受人為操作影響，聯(lián)鎖信號才能讓其得電或失電。

2 兩臺(tái)液氧泵互為備用的控制功能

2.1 操作畫面按鈕及操作參數(shù)設(shè)置

對加熱器、風(fēng)機(jī)均設(shè)“啟動(dòng)”、“停止”按鈕，對液氧泵設(shè)“啟泵”、“停泵”按鈕，對每臺(tái)泵設(shè)“獨(dú)

立/互備”按鈕，對電磁閥設(shè)“得電允許操作”、“失電全關(guān)”按鈕，為了防止誤操作，每個(gè)按鈕的操作均需確認(rèn)才生效。

2.2 操作畫面參數(shù)設(shè)置和顯示

為了方便在不同工況下的操作，在操作界面上對每臺(tái)泵的轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口閥門的開度、回流閥的開度、泵出口壓力調(diào)節(jié)回路的PID調(diào)節(jié)器的外給定設(shè)定值在權(quán)限許可下可以進(jìn)行修改，界面上同時(shí)顯示設(shè)定值和當(dāng)前運(yùn)行的值。

2.3 互為備用程控說明

以一號液氧泵正常運(yùn)行二號液氧泵惰轉(zhuǎn)備用加以說明。

2.3.1 參數(shù)設(shè)置：兩臺(tái)泵運(yùn)行達(dá)到各自的運(yùn)行參數(shù)后做如下設(shè)置：（1）把兩臺(tái)液氧泵的“獨(dú)立/互備”按鈕設(shè)置為互備方式，操作畫面顯示“互備”；（2）二號泵轉(zhuǎn)速輸出的設(shè)定值設(shè)為正常工作泵的轉(zhuǎn)速值：3389rpm；（3）二號泵出口閥的開度設(shè)為正常工作泵出口閥的開度：100%；（4）二號泵回流閥的開度設(shè)為正常工作泵回流閥的開度：20%；（5）二號泵出口壓力PID調(diào)節(jié)的外給定值設(shè)為正常工作泵的出口壓力值：8.0MPa。

2.3.2 正常工作的泵故障可能是如下的原因：泵工作得是否正常最終反映在出口壓力和輸送量上，若是泵工作在額定轉(zhuǎn)速工況附近，用氧量保持不變的情況下出口壓力值偏離工況比較大，說明泵有故障，故障可能是以下原因引起：汽蝕或喘振、迷宮密封異常、電氣故障等原因；泵若汽蝕對泵的損害最大，可能會(huì)對葉輪造成不同程度的損壞，汽蝕時(shí)也會(huì)使振動(dòng)增大，同時(shí)由于低溫液體離心泵在安裝過程中可能會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，導(dǎo)致在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子不對中，產(chǎn)生不平衡力從而造成零部件松動(dòng)、局部溫度過高誘發(fā)振動(dòng)及喘振，在泵的工作中若是出現(xiàn)以上嚴(yán)重對泵有損壞的可能或?qū)罄m(xù)用氧造成影響的情況時(shí)必須在短時(shí)間內(nèi)把惰轉(zhuǎn)備用泵投入額定工作狀態(tài)、停運(yùn)故障泵來保證工藝的穩(wěn)定和設(shè)備的安全，切換后兩泵的互備自動(dòng)轉(zhuǎn)為獨(dú)立運(yùn)行，待故障泵維修后，重新啟動(dòng)作為備用，此時(shí)需要手動(dòng)投入互備按鈕。

2.3.3 惰轉(zhuǎn)備用泵自動(dòng)投入額定工況的過程：（1）轉(zhuǎn)速給定：程序設(shè)計(jì)時(shí)把操作畫面上設(shè)定的正常工況下運(yùn)行的轉(zhuǎn)速自動(dòng)賦值給DCS的AO輸出去作為變頻器的設(shè)定值，變頻器按照新的設(shè)定參數(shù)去控制液氧泵的變頻電機(jī)，使變頻電機(jī)在10秒內(nèi)從當(dāng)前的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，泵切換時(shí)由程序進(jìn)行給定，切換完成權(quán)限交給操作員；（2）氧泵出口閥控制：惰轉(zhuǎn)備用泵的出口閥是關(guān)閉的，靠回流量來維持其惰轉(zhuǎn)工況的，當(dāng)轉(zhuǎn)為主工況時(shí)出口閥的電磁閥帶電，同時(shí)把操作畫面上閥門的開度值自動(dòng)賦值給DCS的AO輸出，使閥門開到設(shè)定開度；（3）氧泵回流閥控制：惰轉(zhuǎn)備用泵工況回流閥是按出口壓力為惰轉(zhuǎn)壓力設(shè)定值進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的，閥門開度比較大，當(dāng)轉(zhuǎn)為主工況時(shí)，閥門的開度在3～5秒（時(shí)間可調(diào)）內(nèi)按照時(shí)間斜率預(yù)關(guān)到主工況運(yùn)行時(shí)的設(shè)定開度，出口壓力的設(shè)定值自動(dòng)賦值為主工況的設(shè)定值，延時(shí)6～8秒（時(shí)間可調(diào)）投入閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，并對壓力的控制進(jìn)行限幅控制，保證壓力穩(wěn)定在7.5～8.5MPa之間，從而來保證后續(xù)工況大于6.5MPa的使用壓力和液氧泵的安全運(yùn)行，泵切換時(shí)由程序進(jìn)行給定，切換完成通過出口壓力自動(dòng)控制，權(quán)限交給操作員。

3 液氧泵的操作

低溫液氧泵長期工作在低溫工況，其操作有嚴(yán)格的操作程序，每臺(tái)泵在獨(dú)立程序控制中單獨(dú)啟動(dòng)，啟動(dòng)前需要做如下的主要準(zhǔn)備工作。

3.1 啟動(dòng)前的準(zhǔn)備

3.1.1 液氧泵接觸的是氧介質(zhì)需要禁油，因?yàn)檠鯕夂陀突旌蠒?huì)引起火災(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)，因此需要確認(rèn)脫脂情況。

3.1.2 密封氣的確認(rèn)：迷宮密封液氧泵需要通干燥的密封氣進(jìn)行密封，通常為干凈干燥的氮?dú)饣蚋稍锏膬x表空氣。

3.1.3 確認(rèn)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，多級離心泵一般為逆時(shí)針方向（單級泵多為順時(shí)針方向），結(jié)合使用說明書確認(rèn)。

3.1.4 啟動(dòng)加熱器，加熱器的控制按照軸承溫度情況進(jìn)行自動(dòng)控制，小于5℃自動(dòng)啟，大于25℃停加熱器；啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。

3.1.5 液氧泵的預(yù)冷：打開進(jìn)液閥和與之有關(guān)的手動(dòng)閥，對泵進(jìn)行預(yù)冷，關(guān)閉氧泵的回流閥和出口閥，預(yù)冷時(shí)間通常為：60分鐘左右。

3.2 啟動(dòng)

充分預(yù)冷后啟動(dòng)液氧泵，打開泵出口閥、回流閥的開度一般控制在70%～80%、打開冷箱外面的氧氣放空閥、關(guān)閉氧氣送氣閥，并行升壓，通過DCS輸出信號慢慢給變頻器加載使泵從低轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)回流閥和氧氣放空閥的開度，使壓力達(dá)到泵的工作壓力，穩(wěn)定后把氧泵回流閥和氧氣放空閥投入自動(dòng)調(diào)節(jié)，若后續(xù)工況需要用氧，進(jìn)行氧氣放空閥和氧氣送氣閥的切換，慢慢打開氧氣送氣，同時(shí)慢慢關(guān)閉氧氣放空閥，穩(wěn)定后投入自動(dòng)，氧氣放空閥通過壓力進(jìn)行控制、氧氣送氣閥通過用氧量的流量進(jìn)行控制；惰轉(zhuǎn)泵啟動(dòng)時(shí)泵的出口閥是關(guān)閉的，通過回流閥控制其惰轉(zhuǎn)工況，兩泵都運(yùn)行穩(wěn)定后把它們均投入互備狀態(tài)，程序設(shè)計(jì)時(shí)先運(yùn)行的泵為主泵，當(dāng)運(yùn)行的主泵故障時(shí)惰轉(zhuǎn)泵轉(zhuǎn)為主泵，故障泵處理好后變?yōu)槎柁D(zhuǎn)備用泵。

3.3 停泵

正常停泵：按下畫面上的停車按鈕并確認(rèn)，切斷液氧泵電機(jī)的電源，緩慢關(guān)閉氧泵的進(jìn)出口閥、緩慢關(guān)閉回流閥，打開相應(yīng)的手動(dòng)液體排放閥、加溫復(fù)熱液氧泵到常溫；聯(lián)鎖停泵自動(dòng)完成進(jìn)出口閥、回流閥關(guān)閉工作。

4 結(jié)語

兩臺(tái)液氧泵的互為備用的自動(dòng)切換大大提高了整套空分系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，減少了增壓機(jī)末級空氣的放空，同時(shí)更好地滿足了后續(xù)工況連續(xù)用氧的要求，降低了由于液氧泵故障引起后續(xù)工藝停車的風(fēng)險(xiǎn)，為整個(gè)工藝過程提供了安全保障，運(yùn)行穩(wěn)定可靠在投運(yùn)的許多內(nèi)壓縮空分裝置中得到了廣泛的驗(yàn)證。

作者簡介：文國榮（1964-），男，四川空分設(shè)備（集體）有限責(zé)任公司空分事業(yè)部自控室主任，高級工程師，研究方向：過程控制自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：蔣建華）