空分系統(tǒng)增壓機防喘控制改造研究

張 濤

（山西藍(lán)焰煤層氣集團有限責(zé)任公司， 山西 古交 030200）

引言

空分系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中重要的制氧系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)提供必要的氧氣、氮氣和其他稀有氣體。隨著我國工業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展，空分系統(tǒng)機組是否可以穩(wěn)定安全運行直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)出效能。根據(jù)空分工藝的不同，空分系統(tǒng)主要由空壓機系統(tǒng)、增壓機系統(tǒng)和冷箱系統(tǒng)等六大結(jié)構(gòu)組成[1]，其設(shè)備流程如圖1 所示。

圖1 空分系統(tǒng)設(shè)備流程圖

由上圖可知，增壓機系統(tǒng)作為空分系統(tǒng)的重要組成部分，主要起著“中間樞紐”的作用，其可靠性對于整個空分系統(tǒng)的平穩(wěn)性有著十分重要的作用。在增壓機系統(tǒng)中，核心部件為防喘振保護控制，但是增壓機防喘保護控制部分經(jīng)常會發(fā)生虛報喘振，導(dǎo)致增壓機停車或者增壓機無法消除喘振，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞的現(xiàn)象。為了減少事故率，提高生產(chǎn)安全性，對空分系統(tǒng)增壓機防喘控制的改造研究勢在必行。

1 空分系統(tǒng)增壓機防喘控制系統(tǒng)構(gòu)成

一般空分系統(tǒng)增壓機防喘控制系統(tǒng)由現(xiàn)場閥門定位器控制和DCS 控制器兩部分組成[2]。現(xiàn)場閥門定位器接受防喘控制系統(tǒng)的輸出信號，然后以該輸出信號區(qū)控制閥門。DCS 控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，采取操作管理集中、控制分散的工作原理。防喘系統(tǒng)的功能原理圖如圖2 所示。

圖2 空分系統(tǒng)增壓機防喘控制原理圖

由上圖可以看出，在確定了增壓機喘振線后，在其基礎(chǔ)上向右平移10%得到控制線[3]。當(dāng)空分系統(tǒng)增壓機滿速運行后，DSC 控制器發(fā)出信號，防喘閥電磁閥通電。此時防喘閥門是處于全部關(guān)閉狀態(tài)，增壓機在控制線下的穩(wěn)定區(qū)域運行。當(dāng)增壓機出現(xiàn)異常工作狀態(tài)，運行超過控制線時，防喘振控制系統(tǒng)會迅速判斷，然后將判斷結(jié)果以電信號的方式傳至防喘閥門定位器，下達(dá)防喘保護命令。此時通過定位器控制閥門的操作使增壓機向遠(yuǎn)離喘振線的方向運行。

通過現(xiàn)場工作報告和歷史故障參數(shù)得知，現(xiàn)場閥門定位器和DCS 控制中的位移傳感器是故障率最高的結(jié)構(gòu)。這些部件適應(yīng)不同工作環(huán)境的能力較差，特別是在長期振動的工作環(huán)境中。因為現(xiàn)場閥門定位器和位移傳感器都位于增壓機的工藝管道上[4]，在進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時，受到系統(tǒng)產(chǎn)生的振動影響較大，所以定位器和傳感器發(fā)生故障在所難免。

2 增壓機防喘控制技術(shù)改造方案

2.1 閥門定位器的優(yōu)化

為了滿足閥門定位器的抗振性，同時保證定位作業(yè)的穩(wěn)定性，將現(xiàn)有的閥門定位器可以更換為分列式智能定位器。以某型號的分列式智能定位器為例，它具有抗振性好、閥門初始化簡單等優(yōu)點，可以滿足不同工作環(huán)境下的定位需求[5]。此外，由于分列式智能定位器集合度較高，大大減少了增壓機中的元件數(shù)量。

分列式智能定位器與DCS 的接線方式如圖3所示。在定位器安裝完成后手動設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成定位器初始化過程。初始化過程是根據(jù)輸入信號源和執(zhí)行器的正反作用，自動完成關(guān)閉閥門和開啟閥門的操作。如果在初始化過程中發(fā)生錯誤，定位器系統(tǒng)會自動對參數(shù)和閥門進(jìn)行機械檢查，完成修正和再次檢查后重新開始初始化操作。

圖3 分列式智能定位器與DCS 接線方式

2.2 控制參數(shù)的優(yōu)化

在增壓機開始工作，到完全狀態(tài)運行的過程中，當(dāng)增壓機工況越至控制線外端的不穩(wěn)定區(qū)域時，定位器調(diào)節(jié)閥門會受到防喘控制系統(tǒng)控制信號的影響來實現(xiàn)控制喘振。在增壓機運行過程中，氣體的平均動能顯著增加，由于壓縮升溫作用，增壓機內(nèi)部的分子勢能也隨之增加，這些能量變換都可以氣體內(nèi)能增加的形式定義。當(dāng)增壓機內(nèi)氣體內(nèi)能增加后，增壓機需要做更多的功來克服增加的氣體內(nèi)能。增壓機增加做功會導(dǎo)致其出口壓力減小，從而導(dǎo)致壓比（增壓機出口壓力與入口壓力的比值）降低。而壓比和喘振的發(fā)生有直接的關(guān)系，所以隨著增壓機的工作壓比發(fā)生變化，喘振線也會受到影響。圖4 為喘振線受吸入溫度影響的變化曲線。

圖4 吸入溫度對喘振影響曲線

由上圖可以看出，溫度升高會使增壓機喘振線向右側(cè)移動，增壓機發(fā)生喘振現(xiàn)象的工況范圍變小。當(dāng)吸入溫度為10 ℃時，增壓機工況A 點處于正常工作狀態(tài)，表現(xiàn)為位于喘振線內(nèi)。當(dāng)吸入溫度達(dá)到20 ℃時，工況A 點接近喘振線。當(dāng)吸入溫度到達(dá)30℃時，工況A 點已經(jīng)在喘振線之外，這時增壓機會發(fā)生喘振現(xiàn)象。

為了保證增壓機在工作時工況位于控制線內(nèi)，將吸入溫度作為增壓機入口流量的重要參數(shù)之一。根據(jù)以下公式，將吸入溫度帶入到增壓機防喘振計算中來，消除溫度變化對喘振線的影響，增加喘振線的準(zhǔn)確性。

式中：Qd為達(dá)到膨脹系數(shù)時孔板的流量值；Δp 為增壓機入口處的差壓；ps為標(biāo)準(zhǔn)狀況下孔板最大流量時的壓力值；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；t 為增壓機的吸入溫度；Δps為標(biāo)準(zhǔn)狀況下孔板最大流量時的壓力差值；p絕為絕對壓力變送器測得的吸入壓力值；ts為標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度。

3 改造效果研究

根據(jù)空分系統(tǒng)增壓機防喘改造技術(shù)，以某種信號空分系統(tǒng)增壓機為例，對其防喘振系統(tǒng)進(jìn)行了長達(dá)3 個月的測試觀察。在實驗時間內(nèi)，空分系統(tǒng)增壓機的防喘閥門控制十分精確。此外，根據(jù)入口流量和吸入溫度對喘振線相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升。增壓機穩(wěn)定運行，閥門較以前更為靈敏，沒有發(fā)生過因為定位器誤差導(dǎo)致的停機事故。

4 結(jié)論

為了提高空分系統(tǒng)增壓機防喘控制的穩(wěn)定性，通過對增壓機防喘系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的改造優(yōu)化，得到了以下結(jié)論：

1）影響增壓機防喘控制穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)元件包括閥門定位器控制和DCS 控制器，因為元件特性和工作環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致了防喘控制系統(tǒng)出現(xiàn)偏差。

2）采用分列式智能閥門定位器可以減少閥門定位器誤操作對增壓機的影響，提高增壓機防喘系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）吸入溫度會對增壓機防喘系統(tǒng)喘振線產(chǎn)生影響，通過控制參數(shù)的優(yōu)化可以提高喘振參數(shù)的準(zhǔn)確性。

根據(jù)上述結(jié)論改造后的空分系統(tǒng)增壓機防喘控制具有穩(wěn)定性好、抗振性強的優(yōu)點，有著良好的經(jīng)濟效益和社會效益。