空分行業(yè)典型電控回路及DCS的改進和優(yōu)化

袁志勇，王憧華

（1湖南郴電國際發(fā)展股份有限公司，湖南郴州，423000;2包頭天宸中邦工業(yè)氣體有限公司，內(nèi)蒙古包頭，014000）

引言

湖南郴電國際發(fā)展股份有限公司旗下的控股子公司包頭天宸中邦工業(yè)氣體有限公司（簡稱“天宸中邦”）是一家以生產(chǎn)和銷售氣體產(chǎn)品（氧氣和氮氣）和液體產(chǎn)品（液氧、液氮及液氬）的空分企業(yè)，空分設備大小為 KDON（Ar）—15000/15000/500（m3/h），隸屬于第六代全精餾無氫制氬分子篩增壓膨脹填料塔的外壓縮空分裝置，于2012年4月一次試車成功，至今已經(jīng)運行了5年半的時間。隨著空分設備的運行，陸續(xù)暴露出了很多不安全隱患，其中最多的就是頻繁地因為各種不同的電控和DCS故障導致整個空分裝置停車，對此電儀部門經(jīng)過詳細地分析，認為這套空分裝置電控和DCS設計和安裝上存在先天性的不足和缺陷。本文主要就是針對這些不足和缺陷的原因進行了分析，提出了各自的技術改進和優(yōu)化方案，并在實踐中進行了實施。

1 空壓機油泵控制電路改進

1.1 基本概況

空壓機作為制氧裝置的心臟，在整個空分系統(tǒng)中起著至關重要的作用，本套制氧裝置空壓機配備了兩臺螺桿壓縮式的油泵，空壓機在正常運行時，兩臺油泵運行狀態(tài)為一用一備（1#運行2#備機或者2#運行1#備機），如1#運行2#備機狀態(tài)下，實際運行時當發(fā)現(xiàn)1#油泵出現(xiàn)異常狀況時（溫度異常，聲音異常，電流異常等）需要運行人員將1#油泵停下來檢查并且開啟2#油泵（俗稱倒油泵），這時控制兩臺油泵運轉(zhuǎn)的電機控制回路系統(tǒng)就顯得格外重要，如果設計上稍有不合理之處，倒油泵時容易導致空壓機油泵停止運轉(zhuǎn)，導致空壓機停車，進而導致整個空分系統(tǒng)停車，本套制氧設備正是由于油泵控制回路設計上存在不足，導致運行人員好幾次發(fā)生由于倒油泵導致停車的事故，以致最后運行人員提到倒油泵都有恐懼感，針對以上情況，電儀部門對空壓機的油泵控制回路進行了一定的改造，加裝了一個轉(zhuǎn)換開關，很好地解決了油泵倒換問題，也取得了很好的效果，后期沒有發(fā)現(xiàn)因為倒換空壓機油泵導致空壓機停機的事故。

1.2 改造前油泵控制電路分析

改造前空壓機1#油泵和空壓機2#油泵的電路圖如圖1和圖2所示，下面以1#油泵運行2#備機情況對倒油泵電控系統(tǒng)進行分析：1#油泵運行時，轉(zhuǎn)換開關SA置于左邊（即⑨與⑩接通、③與④接通），1#油泵的接觸器38KM線圈得電，繼電器38K3線圈處于得電狀態(tài)，常開觸點38K3和38KM閉合，2#油泵的接觸器39KM線圈和繼電器39K4線圈不得電，39K2處于閉合狀態(tài)，39K1處于斷開狀態(tài)，在這種狀態(tài)下1#油泵處于工作狀態(tài)2#油泵處于備用狀態(tài)，當1#油泵出現(xiàn)異常需要倒向2#油泵時，先把轉(zhuǎn)換開關SA置于中間，再置于最右邊（即①與②接通、⑾與⑿接通），最后按下38SB2停止1#油泵，這時2#油泵自行啟動運行，實現(xiàn)了從1#油泵倒向了2#油泵的過程，但在轉(zhuǎn)換開關SA從中間置于右邊時，由于38K3容易由常閉狀態(tài)變成常開狀態(tài)，導致端點5失電，進而導致1#油泵停止，最后致使空壓機聯(lián)鎖停車，該電路圖存在不安全的隱患。

圖1 改造前空壓機1#油泵電控回路

圖2 改造前空壓機2#油泵電控回路

1.3 改造后油泵控制電路分析

改造后的油泵控制電路圖如下圖3和圖4所示，添加了一個轉(zhuǎn)換開關SB，以1#油泵運行2#備機情況對倒油泵進行分析：1#油泵運行時，轉(zhuǎn)換開關SB置于聯(lián)動狀態(tài)，其他控制油泵的電氣設備和倒油泵的方法與改造前一樣，但在轉(zhuǎn)換開關SA從中間置于右邊時，由于轉(zhuǎn)換開關SB一直處于聯(lián)動狀態(tài)（即①與②一直接通），即使38K3因故障由常閉變成常開狀態(tài)，端子5也持續(xù)帶電。經(jīng)過此次對空壓機油泵系統(tǒng)控制電路改進后，在最近這幾年空分系統(tǒng)運行中再沒有因為倒換空壓機油泵而導致空壓機跳車事故的發(fā)生，確保了空分裝置安全穩(wěn)定地運行。

圖3 改造后空壓機1#油泵電控回路

圖4 改造后空壓機2#油泵電控回路

2 純化系統(tǒng)分子篩電加熱器控制電路及DCS控制面板改造

2.1 故障現(xiàn)象

本套空分設備含有2個臥室分子篩吸附器，配備3臺電加熱器，每臺電加熱器分固定組和調(diào)功組，固定組采用華通機電有限公司生產(chǎn)的DW15-1000型萬能式斷路器控制電路，調(diào)功組采用可調(diào)功率的調(diào)功器控制，合計功率為675 kW。純化系統(tǒng)分子篩設計為每4 h切換一次，電加熱器一天要頻繁地啟停12次，本套空分系統(tǒng)運行以來，頻繁地發(fā)生因電熱管接地故障導致低壓進線柜斷路器越級跳閘，甚至導致高壓段變壓器進線柜斷路器跳閘，以及因分子篩電加熱器固定組萬能式斷路器自身的機械脫扣部分故障，導致分子篩加熱周期結束后萬能式斷路器不能正常分閘，電加熱器持續(xù)高溫導致電加熱管絕緣被破壞進而導致低壓進線柜及高壓變壓器進線柜斷路器跳閘，致使停機事故。

2.2 故障原因分析

電儀部門經(jīng)過分析，一致認為該故障的頻繁發(fā)生主要有以下幾點原因：（1）斷路器選擇不合理，DW15-1000型萬能式斷路器在正常條件下是作為線路的不頻繁轉(zhuǎn)換之用，而純化系統(tǒng)分子篩電加熱器一天要頻繁地啟停12次，分合過于頻繁，導致該萬能式斷路器機械部分疲勞磨損嚴重，時間久了之后出現(xiàn)不能正常分斷的現(xiàn)象；（2）電加熱器的控制主回路設計的不合理，存在電路保護缺失，正常情況下大功率的電加熱器主回路除了設計能可靠分斷的過電流保護裝置和短路保護裝置（如斷路器）之外，一般還需要加裝快速熔斷器作為副保護，目的是為了防止電加熱器一旦故障出現(xiàn)越級跳閘斷電現(xiàn)象；（3）DCS控制面板存在缺陷，當分子篩從加熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔浯禒顟B(tài)時，此時電加熱器由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，但是由于主電路上的故障導致電加熱器沒能斷開，一直處于加熱狀態(tài)，加上電加熱器沒有污氮氣流過，運行人員從DCS面板上不易察覺，缺乏報警裝置，時間過長之后，電加熱管因溫度過高燒壞出現(xiàn)跳閘斷電現(xiàn)象。

2.3 改進措施

針對分子篩電加熱器頻繁出現(xiàn)故障而造成空分系統(tǒng)停機的事故，結合對故障原因的判斷分析，電儀部門提出了四種合理的技術改造方案，具體方案如表1所示。自從方案實施以后，再沒出現(xiàn)過因電加熱器的故障導致低壓和高壓斷電而致使空分系統(tǒng)停車的事故。

表1 改進項目一覽表

3 10 kV高壓一段電容柜控制電路改造

3.1 問題分析

10 kV高壓一段母排電容柜電容的容量為3000 var，設計時考慮是需要補償高壓一段全段的電氣設備，但在本套空分系統(tǒng)空壓機電機（8400 kW）停機后，該電容柜不能自動檢測系統(tǒng)無功補償狀態(tài)而自行斷開，需要電氣人員手動對其進行分閘，而電氣人員并不時時刻刻地在空分設備現(xiàn)場，這樣就造成高壓一段出現(xiàn)電容過補償現(xiàn)象，導致母排電壓升高，此時不但對高壓電氣設備絕緣造成破壞，并且經(jīng)1#變壓器變壓后，低壓一段電壓也由380（V）升高至440（V），導致低壓一段母排所帶的電氣設備過電壓運行，曾經(jīng)就出現(xiàn)過由于空壓機停機電容柜斷路器沒有自行分閘導致高壓直流屏整流模塊A燒壞，并造成模塊B受損，去往高壓的控制直流母線也超壓，危及到了高壓全段電氣設備的安全運行，最終被迫更換兩個模塊，公司損失慘重。最后電儀部門經(jīng)過分析，認為空壓機電機負荷占到整個高壓一段的三分之二，應該將空壓機電機斷路器的狀態(tài)作為是否切除高壓一段電容補償?shù)臈l件，也即是空壓機啟動，電容柜合閘，空壓機停止，電容柜必須分閘。

3.2 改造措施

基于以上判斷和分析，電儀部門對10（kV）高壓一段電容柜的控制電路加裝了一個具有延時功能的繼電器，當空壓機電機分斷后，該延時繼電器幾秒后吸合，電容柜控制分閘回路接收到延時繼電器的吸合信號而斷開電容柜的斷路器，實現(xiàn)了空壓機電機和電容柜聯(lián)鎖跳閘的控制，保證了高壓和低壓設備的安全。如果采用更換帶有自動補償?shù)母邏弘娙莨窬C合保護裝置，一臺價值大約五千元，而前者只需幾十元就很好地解決了此問題，而且經(jīng)過長期實踐效果很好，可謂是用了最少的成本解決了最大的問題，為企業(yè)節(jié)約了成本。

4 單電源改雙電源技術改造

4.1 問題分析

本套制氧機組電氣上采用的是兩路電源，簡稱為1段電源和2段電源，分別取自不同的電網(wǎng)系統(tǒng)，目的是為了防止因某一段電源突然斷電而不至于引起重要的設備出現(xiàn)安全事故（即失控）。但隨著制氧機組的運行，電儀部門發(fā)現(xiàn)制氧機組電控系統(tǒng)設計上存在缺陷，其將一些重要的用電設備（主要照明、高壓直流屏、DCS控制系統(tǒng)等）設計成只采用一段電源供電，一旦該段電源由于故障跳閘斷電后，另外一段電源無法及時給其供電，最終導致嚴重的事故后果，曾經(jīng)就發(fā)生過夜間因為低壓1段進線柜故障跳閘斷電，導致全廠一片漆黑，運行人員只能靠打手電去停相關的設備，高壓直流屏及DCS控制系統(tǒng)由于沒有補充電源，加上UPS電源與此同時也出現(xiàn)故障，最終導致空壓機電機沒能及時接收到聯(lián)鎖停機信號跳閘停機而致使出現(xiàn)空壓機燒瓦事故，給企業(yè)造成了重大損失，其他由于單電源供電造成類似的小事故經(jīng)常發(fā)生。

4.2 改造前后電路圖對比與分析

針對單電源供電問題，電儀部門對其進行了升級改造，即在原制氧機組重要的電氣設備基礎上加裝了一個由欣靈電氣設備有限公司生產(chǎn)的雙電源自動切換裝置，型號為XLDQ3NMB—100/4P，并且將原來只能由1段電源供電的電控系統(tǒng)改造成可以由1段和2段電源分別供電的電控裝置，改造后的電路圖如圖5所示。

這樣改造后只要配電室兩路電網(wǎng)不同時跳閘斷電，必定有一路電源能及時給這些重要的電氣設備供上電，確保了控制電源的可靠性，保證了重要電氣設備的安全性。

圖5 改造后雙電源電路系統(tǒng)圖

改進前重要的電氣設備只能由低壓母排1段進行供電，一旦低壓1段電源由于故障跳閘斷電，將導致重要的電氣設備直接失電，也沒有其他電源給其供電；改造后有兩段電源（低壓母排1段和低壓母排2段）進行供電，加裝了一個雙電源自動切換開關，正常運行時由低壓母排1段進行供電，2段處于備用狀態(tài)，一旦低壓1段由于故障跳閘斷電，該雙電源自動切換開關在3秒內(nèi)便由低壓母排1段自動切換到低壓母排2段進行供電，及時地保證了重要設備電控系統(tǒng)不斷電，確保了設備安全穩(wěn)定地運行。

5 方案實施后效果總結

通過對本套15000 m3/h的制氧機組電控和DCS四種故障的分析及改進方案的實施，取得了很好的效果，歸納起來主要有以下幾點：

（1）空壓機油泵需要倒換時，再沒有出現(xiàn)過因電控回路的不合理設計導致空分設備停機事故的發(fā)生，操作人員也不再對倒換空壓機油泵有抵觸感和恐懼感。

（2）電加熱器做了簡單的電控和DCS改造后，再沒有出現(xiàn)因電加熱器高溫燒壞電加熱管的現(xiàn)象，更沒有出現(xiàn)像改造前因高溫頻繁燒壞電加熱管導致越級跳閘斷電致使整個空分設備停機的事故發(fā)生，公司的管理和技術人員也不用像之前一樣時常性地半夜三更起床來處理此類故障和開機。

（3）10 kV高壓一段電容柜的電控回路只是經(jīng)過簡單的添加了一個空壓機常開觸點和一個延時繼電器便解決了因空壓機停機后電容柜不能聯(lián)鎖跳閘的問題，既保證了設備的安全，也為公司節(jié)約了成本，取得了很好的效果，經(jīng)改造后，沒有出現(xiàn)之前類似的事故。

（4）單電源改雙電源之后，即使有一段電源突然斷電，另外一段電源會立刻通過雙電源自動轉(zhuǎn)換開關恢復電源系統(tǒng)，保證了一些重要設備的安全性，沒有再出現(xiàn)之前的全廠一片漆黑等現(xiàn)象，更沒有出現(xiàn)過類似因單電源設計不能及時供電導致空壓機燒瓦這種重大事故的發(fā)生。

（5）通過對上述電控和DCS改造，技術人員的水平得到了提升，經(jīng)驗得到了積累，而且敢于對設計上存在的不合理之處提出質(zhì)疑和想法。

上述列舉的這四種優(yōu)化方案的實施確實消除了本套空分設備存在的一些重大安全隱患，使得空分設備的控制和保護系統(tǒng)變得更加地完善可靠，制氧機組運行也更加地安全穩(wěn)定。

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