空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制改造與應(yīng)用

山信軟件股份有限公司萊蕪自動(dòng)化分公司，山東萊蕪 271104

一、前言

山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司60000m3/h空分系統(tǒng)作為型鋼區(qū)域配套的制氧系統(tǒng)，為型鋼高爐轉(zhuǎn)爐鋼鐵的生產(chǎn)提供所必須的氧氣、氮?dú)?、氬氣以及特種稀有氣體，因此機(jī)組是否穩(wěn)定運(yùn)行直接決定型鋼區(qū)域的鋼鐵生產(chǎn)的產(chǎn)能，具有舉足輕重的地位。

依照空分工藝的要求，主要的設(shè)備流程由空壓機(jī)系統(tǒng)、預(yù)冷及凈化系統(tǒng)、增壓機(jī)系統(tǒng)、膨脹機(jī)系統(tǒng)、冷箱系統(tǒng)以及儲(chǔ)槽后備系統(tǒng)六大系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

由圖1可以看出，增壓機(jī)系統(tǒng)作為中間“樞紐”，在整個(gè)空分系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行中占據(jù)了不可或缺的地位。增壓機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，而防喘振保護(hù)控制又是增壓機(jī)控制功能的核心內(nèi)容，直接關(guān)系到增壓機(jī)是否能夠穩(wěn)定、安全、高效地運(yùn)行。如果防喘振保護(hù)控制部分一旦出現(xiàn)異常情況，就會(huì)導(dǎo)致以下兩種極端現(xiàn)象的發(fā)生：

① 沒有發(fā)生喘振，定位器誤動(dòng)作，造成增壓機(jī)喘振停車，嚴(yán)重影響生產(chǎn)；

② 設(shè)備發(fā)生了喘振，控制系統(tǒng)無法消除，對(duì)設(shè)備和人身產(chǎn)生危險(xiǎn)。

因此，進(jìn)行增壓機(jī)防喘控制既可以降低因增壓機(jī)喘振造成的空分系統(tǒng)停機(jī)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)的影響率，同時(shí)又避免了喘振對(duì)增壓機(jī)軸承和葉輪轉(zhuǎn)子等產(chǎn)生的硬性損壞。

本文針對(duì)增壓機(jī)運(yùn)行過程中防喘閥門出現(xiàn)的問題，分析防喘控制系統(tǒng)，通過更換閥門定位器和優(yōu)化防喘參數(shù)兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)防喘控制的改造與優(yōu)化。

二、60000m3/h空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘閥控制系統(tǒng)構(gòu)成

60000m3/h空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘閥控制由DCS控制器及現(xiàn)場(chǎng)閥門定位器控制兩部分構(gòu)成，DCS控制采用空分控制系統(tǒng)中最先進(jìn)的FOXBORO I/A系列控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)閥門定位器采用西門子公司生產(chǎn)的定位器和MTS公司生產(chǎn)的位移傳感器。

圖2為防喘振控制功能原理圖。此喘振線是根據(jù)增壓機(jī)的喘振實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，通過一個(gè)7波段函數(shù)繪制而出的特性曲線，喘振線的確定融合了入口流量與壓比之間的關(guān)系，反應(yīng)了增壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的物理特性。喘振線（Surge Line）確定以后，在喘振線的基礎(chǔ)上向右平移10%的控制裕量DSL（Control Margin）得到控制線（Control Line）[1]。增壓機(jī)全速運(yùn)行以后，DCS發(fā)出指令信號(hào)，使防喘閥電磁閥得電，防喘閥門處在全關(guān)狀態(tài)，增壓機(jī)運(yùn)行在控制線（Control Line）下方的穩(wěn)定區(qū)域；增壓機(jī)在運(yùn)行過程中，一旦工況出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致越過控制線，防喘振控制系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間做出判斷，并將所得出的指令下達(dá)到防喘閥門定位器，通過定位器控制閥門的開度使之遠(yuǎn)離喘振線（Surge Line）的不穩(wěn)定區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)防喘振保護(hù)的控制。

在設(shè)備維護(hù)過程中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，西門子定位器和MTS位移傳感器對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力較差，特別是工作在長期振動(dòng)的環(huán)境中故障率較高，而且因?yàn)榉来y門定位器和位移傳感器均相互獨(dú)立的直接安裝在工藝管道上，生產(chǎn)過程中振動(dòng)相當(dāng)高，定位器誤動(dòng)作的出現(xiàn)在所難免。

在60000m3/h制氧空分系統(tǒng)投產(chǎn)后，增壓機(jī)在最初運(yùn)行的一年時(shí)間內(nèi)共出現(xiàn)了4次防喘閥門定位器異常，其中3次造成了增壓機(jī)停車，1次因防喘閥門定位器原因停機(jī)檢修。防喘閥門定位器異常歷史趨勢(shì)見圖3。

以上情況說明，西門子防喘閥門定位器在振動(dòng)較大的環(huán)境中工作穩(wěn)定性差，無法滿足增壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

此外，防喘控制需要進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)增壓機(jī)機(jī)組防喘保護(hù)實(shí)現(xiàn)快、準(zhǔn)、狠，從而有效減少故障的發(fā)生，避免事故停機(jī)。

三、技術(shù)改造方案與實(shí)施

1、更換閥門定位器，避免防喘閥門誤動(dòng)作。

首先，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在問題，考慮到抗振性，同時(shí)結(jié)合制氧老區(qū)的改造經(jīng)驗(yàn)，我們決定使用山武AVP201系列分體式智能定位器替代現(xiàn)有定位器。該系列定位器在閥門工作穩(wěn)定性、閥門初始化簡易程度和抗振性能等方面表現(xiàn)較好，可以在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，使用該系列定位器替代現(xiàn)有西門子定位器加MTS位移傳感器的控制方式，可以減少現(xiàn)場(chǎng)控制元件數(shù)量，對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化和備品備件統(tǒng)一化都是有利的。

山武智能定位器可作用于角行程閥門和直行程閥門的執(zhí)行器，與普通閥門定位器安裝方式相同，為防止改造過程中可能出現(xiàn)固定螺栓松動(dòng)的情況，需進(jìn)行防松動(dòng)處理。具體的安裝過程不再做贅述，定位器與DCS接線方式如圖4所示。

閥門定位器順利完成安裝后，閥門需要通過具體的人工參數(shù)設(shè)定，并根據(jù)閥門的開到位、關(guān)到位（零位）位置進(jìn)行適應(yīng)性的自動(dòng)調(diào)整，此過程稱之為定位器初始化。此過程閥門會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)源（4mA～20mA）以及執(zhí)行器的正反向作用，自動(dòng)完成開閥與關(guān)閥調(diào)整，所有行程執(zhí)行完畢后即完成了閥門的初始化過程。如果過程中出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，檢查定位器參數(shù)以及閥門機(jī)械無誤后重新初始化。具體分離型SVP的設(shè)定如表1所示。

表1 分離型SVP設(shè)定

2、將吸入溫度值參與入口流量的計(jì)算調(diào)節(jié)，優(yōu)化防喘邏輯控制參數(shù)。

在增壓機(jī)加載直至全速運(yùn)行過程中，如果工況出現(xiàn)波動(dòng)，越過控制線外側(cè)的不穩(wěn)定區(qū)域，防喘控制系統(tǒng)會(huì)通過定位器調(diào)節(jié)閥門開度來實(shí)現(xiàn)對(duì)喘振的控制。喘振的發(fā)生與入口流量Q以及壓比π=P2/P1（其中，P1為增壓機(jī)入口壓力，P2為增壓機(jī)出口壓力）之間有直接關(guān)系。

而在增壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，氣體被壓縮升溫以后分子平均動(dòng)能增加，分子的勢(shì)能也增加，表現(xiàn)出氣體內(nèi)能的增加，而對(duì)于同一臺(tái)增壓機(jī)而言，氣體內(nèi)能增加后，增壓機(jī)要想壓縮相同的氣體就要做更多的功來克服氣體的內(nèi)能，這將會(huì)導(dǎo)致增壓機(jī)排出壓力P2值的減小，導(dǎo)致壓比的降低，從而影響喘振線的準(zhǔn)確性。圖5是吸入溫度對(duì)喘振線的影響。

從圖5中可以看出，如果吸入溫度為T=10℃，則工況點(diǎn)A處于安全可調(diào)控的區(qū)域；如果吸入溫度T=20℃，則工況點(diǎn)A已經(jīng)快接近喘振線；如果吸入溫度T=30℃，則工況點(diǎn)已經(jīng)越過喘振線，此時(shí)增壓機(jī)已經(jīng)發(fā)生喘振。這說明吸入溫度升高會(huì)使喘振線向右側(cè)移動(dòng)，使工況點(diǎn)更加靠近喘振線；吸入溫度降低會(huì)使喘振線向左側(cè)移動(dòng)，遠(yuǎn)離喘振線。

由該圖可以看到，不同的工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)了不同的壓比π和PV值，而π確定之后，根據(jù)與控制線交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)可以確定SP的值，只有當(dāng)PV>SP，工況點(diǎn)才能夠位于控制線的右側(cè)，增壓機(jī)才能安全運(yùn)行，為此，把吸入溫度作為增壓機(jī)入口流量另外一項(xiàng)重要計(jì)算參數(shù)，參與防喘邏輯計(jì)算，避免了吸入溫度對(duì)喘振線造成的干擾，使得喘振線更加準(zhǔn)確[2]。具體計(jì)算公式過程如下：

設(shè)：空壓機(jī)的吸入溫度為t(℃)，吸入壓力由絕對(duì)壓力變送器測(cè)得，記為P絕，入口差壓值為ΔP，因此入口流量Q的值可以更直觀的表示為：

式中：Qd—孔板達(dá)到設(shè)計(jì)膨脹系數(shù)時(shí)的流量值；

P0—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，一般取值為101325Pa；

Pd—標(biāo)準(zhǔn)狀況下，孔板達(dá)到最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的壓力值（表壓）；

P絕—增壓機(jī)絕對(duì)壓力變送器測(cè)得的吸入壓力值；

ΔP—增壓機(jī)入口差壓值；

ΔPd—標(biāo)準(zhǔn)狀況下，孔板達(dá)到最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的差壓值；

td—標(biāo)準(zhǔn)狀況溫度，一般為0℃或20℃。

四、實(shí)施效果

該方案實(shí)施后，我們對(duì)增壓機(jī)系統(tǒng)防喘控制的趨勢(shì)進(jìn)行了6個(gè)月的跟蹤記錄，在此期間，增壓機(jī)防喘閥門控制精準(zhǔn)，閥門開度波動(dòng)率均低于0.9%。同時(shí)，吸入溫度和入口流量對(duì)防喘參數(shù)的整定準(zhǔn)確性得到更進(jìn)一步的提高，使得防喘閥門響應(yīng)更加靈敏，增壓機(jī)穩(wěn)定順行，沒有再次出現(xiàn)因防喘閥門定位器失準(zhǔn)造成的停機(jī)事件。

五、結(jié)論

隨著增壓機(jī)防喘控制得到不斷的優(yōu)化，有效減少了閥門定位器誤動(dòng)作對(duì)整個(gè)空分生產(chǎn)的影響，空分機(jī)組的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)、運(yùn)行效率得到保障、智能化水平得到提高，各類空分產(chǎn)品的產(chǎn)量和純度均達(dá)到并超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，機(jī)組正處于穩(wěn)定、高效、節(jié)能、環(huán)保的態(tài)勢(shì)下運(yùn)行，為型鋼區(qū)域生產(chǎn)熱線的正常運(yùn)行提供了可靠保障，同時(shí)，新舊動(dòng)能設(shè)備轉(zhuǎn)換效果顯著，產(chǎn)生了巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益和不可估量的間接效益。

此次防喘控制的改造優(yōu)化的可行性與先進(jìn)性得到充分的印證，在空分系統(tǒng)同行業(yè)內(nèi)及其它大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的防喘振保護(hù)中具有極高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。