宣鋼氧氣廠7號(hào)空壓機(jī)儀控系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造

趙東華

（河鋼集團(tuán)宣化鋼鐵公司，河北宣化 075100）

0 引言

近十年，隨著鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能提高，企業(yè)的生產(chǎn)工藝裝備也逐步趨于大型化，與之配套的空分生產(chǎn)工藝設(shè)備也同步走向了大型化、智能化。宣鋼氧氣廠7號(hào)空分系統(tǒng)設(shè)計(jì)氧氣產(chǎn)量25000Nm3/h，氮?dú)猱a(chǎn)量10000Nm3/h，產(chǎn)品氧氣的40%供宣鋼2號(hào)高爐富氧鼓風(fēng)，60%供150t轉(zhuǎn)爐煉鋼吹氧，產(chǎn)品氮?dú)庵鞴?50t轉(zhuǎn)爐爐前吹煉保護(hù)氣[1]。在空分生產(chǎn)流程中，空壓機(jī)主要為空分系統(tǒng)提供一定壓力、溫度下的加工空氣，是整套空分系統(tǒng)的最前端工藝裝備，也是主要耗電設(shè)備。宣鋼氧氣廠7號(hào)空分系統(tǒng)配套的7號(hào)空壓機(jī)是由Atlas公司生產(chǎn)制造，設(shè)計(jì)排氣壓力0.6MPa，排氣量75000m3/h，是兩段串聯(lián)的六級(jí)離心式壓縮機(jī)，兩段各級(jí)都配有導(dǎo)葉、回流閥、放空閥一臺(tái)?？諌簷C(jī)由電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)大齒輪軸端的膜片聯(lián)軸器與電機(jī)相連接，電機(jī)額定電壓5500V，額定電流710A，額定功率850kW，儀控方式為ABB集散控制系統(tǒng)。

宣鋼氧氣廠7號(hào)空壓機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行能耗居高不下，致使7號(hào)空分系統(tǒng)氧氣單耗持續(xù)走高，長(zhǎng)期在0.75kW.h/Nm3的水平，并多次發(fā)生由于放空閥故障和空壓機(jī)喘振而引發(fā)的空分系統(tǒng)計(jì)劃外連鎖停車事故，使得主要用戶宣鋼2號(hào)高爐和150t轉(zhuǎn)爐被迫調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃。針對(duì)該機(jī)組多年來(lái)存在的問(wèn)題，宣鋼公司經(jīng)多次討論研究，決定對(duì)氧氣廠7號(hào)空壓機(jī)儀控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 空壓機(jī)儀控優(yōu)化改造概述

在空壓機(jī)啟、停動(dòng)作以及連鎖邏輯仍由ABB控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)CCC控制器，CCC控制系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示[2]。CCC控制器的作用是在保證空壓機(jī)排氣壓力、排氣流量一定，且在不發(fā)生喘振的情況下，采取優(yōu)化喘振控制、性能控制、退守策略和兩段壓縮系統(tǒng)解耦控制等措施，盡量減少一、二段入口導(dǎo)葉與一、二段回流閥的開度，自動(dòng)調(diào)整壓縮機(jī)的第一、二段排壓操縱點(diǎn)，并將操縱點(diǎn)往喘振控制線右側(cè)移動(dòng)，以設(shè)定一種合理的喘振抑制裕度。同時(shí)采用一些特殊的控制響應(yīng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)的防喘振控制、測(cè)量以及機(jī)組的自動(dòng)加載、卸載。增加CCC控制器是空壓機(jī)節(jié)電的重要措施，同時(shí)也是提高空壓機(jī)自動(dòng)化控制水平、提高機(jī)組運(yùn)行可靠性、降低計(jì)劃外停車率的重要保證。

圖1 CCC控制系統(tǒng)構(gòu)造圖

2 儀控優(yōu)化改造具體實(shí)施內(nèi)容

2.1 在CCC控制界面設(shè)定控制器并定義功能

氧氣廠7號(hào)空壓機(jī)在啟、停車操作仍由ABB控制系統(tǒng)完成基礎(chǔ)上，在CCC控制系統(tǒng)的空壓機(jī)操作界面共建4個(gè)關(guān)鍵的控制器，并定義它們的功能。

（1）一段出口壓力控制器（PIC-619），相關(guān)儀表：PT-619（一段出口壓力）、PV-601（一段入口導(dǎo)葉）、FV-612（一段回流閥）。主要功能：一是極限控制，當(dāng)電機(jī)電流高于531A時(shí)，PIC-619控制器會(huì)自動(dòng)關(guān)小入口導(dǎo)葉PV-601開度，以減小電機(jī)電流；二是壓力超馳控制，當(dāng)一段出口壓力高于2.46MPa時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)打開回流閥FV-612，以減小出口壓力。

（2）二段出口壓力控制器（PIC-632），相關(guān)儀表：PT-632（二段出口壓力），PV-627（二段入口導(dǎo)葉）、FV-621（二段回流閥）。主要功能：一是極限控制，當(dāng)電機(jī)電流高于557A時(shí)，PIC-632控制器會(huì)自動(dòng)關(guān)小入口導(dǎo)葉PV-627開度，以減小電機(jī)電流；二是壓力超馳控制，當(dāng)二段出口壓力高于6.22MPa時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)打開回流閥FV-621，以減小出口壓力。

（3）一段喘振控制器（FIC-620），相關(guān)儀表：PT-615（一段入口壓力）、PT-619（一段出口壓力）、TE-607（一段入口溫度）、TE-618（一段三級(jí)入口溫度）、PDT-620（一段三級(jí)壓差）。主要功能：安全響應(yīng)，發(fā)生安全響應(yīng)后，喘振控制線會(huì)向安全方向平移0.02的相對(duì)距離，控制面板上的“安全響應(yīng)”會(huì)變成黃色，波動(dòng)平穩(wěn)后點(diǎn)“復(fù)位安全響應(yīng)”按鈕使喘振控制線回到原位。

（4）二段喘振控制器（FIC-623），相關(guān)儀表：PT-628（二段入口壓力）、PT-632（二段出口壓力）、TE-620（二段入口溫度）、TE-631（二段六級(jí)入口溫度）、PDT-623（二段六級(jí)差壓）。主要功能：安全響應(yīng)，發(fā)生安全響應(yīng)后，喘振控制線會(huì)向安全方向平移0.02的相對(duì)距離，控制面板上的“安全響應(yīng)”會(huì)變成黃色，波動(dòng)平穩(wěn)后點(diǎn)“復(fù)位安全響應(yīng)”按鈕使喘振控制線回到原位。

2.2 制定空壓機(jī)CCC控制器的控制策略

2.2.1 空壓機(jī)一段控制策略

（1）空壓機(jī)一段加載控制。電機(jī)電流達(dá)到10A后，一段排氣壓力控制器會(huì)自動(dòng)打到預(yù)加載狀態(tài)，延時(shí)40s后，一段導(dǎo)葉會(huì)自動(dòng)打開7%開度；一段加載信號(hào)從ABB發(fā)出后，一段排氣壓力控制器會(huì)自動(dòng)以每秒0.1%的速度將導(dǎo)葉升至15%開度，然后轉(zhuǎn)變?yōu)镻ID調(diào)節(jié)；同時(shí)一段回流閥自動(dòng)以每秒1%的速度關(guān)下來(lái)，關(guān)到空壓機(jī)操作點(diǎn)與喘振控制線之間的偏差（DEV）=0.2時(shí)，轉(zhuǎn)為PID調(diào)節(jié)。

（2）空壓機(jī)一段卸載控制。收到ABB發(fā)出的卸載信號(hào)，一段回流閥會(huì)自動(dòng)全開；PIC-619控制器會(huì)打到IDLE狀態(tài)并保持一段導(dǎo)葉有7%的開度。

2.2.2 空壓機(jī)二段控制策略

（1）空壓機(jī)二段加載控制。二段加載信號(hào)從ABB發(fā)出后，二段排氣壓力控制器會(huì)自動(dòng)以每秒0.025%的速度將二段導(dǎo)葉升至2%的開度，然后轉(zhuǎn)變?yōu)镻ID調(diào)節(jié)；同時(shí)二段回流閥自動(dòng)以每秒1%的速度關(guān)下來(lái)，關(guān)到DEV（偏差）=0.2時(shí)，轉(zhuǎn)為PID調(diào)節(jié)。

（2）空壓機(jī)二段卸載控制：收到ABB發(fā)出的卸載信號(hào)，二段回流閥會(huì)自動(dòng)全開；二段導(dǎo)葉會(huì)自動(dòng)打到全關(guān)；當(dāng)空壓機(jī)末級(jí)排氣壓力連鎖跳車后，CCC控制系統(tǒng)向ABB控制系統(tǒng)發(fā)出過(guò)度喘振信號(hào)，連鎖空壓機(jī)放空閥的電磁閥自動(dòng)失電卸載。

3 CCC控制系統(tǒng)的主要優(yōu)化功能

3.1 CCC控制器的防喘振優(yōu)化控制功能

（1）要防止空壓機(jī)喘振發(fā)生，CCC防喘振控制器必須在操作點(diǎn)到達(dá)喘振線之前開始動(dòng)作，增加壓縮機(jī)的流量。如果操作點(diǎn)越過(guò)防喘振極限，則表明空壓機(jī)已經(jīng)正在發(fā)生喘振，控制器安全保險(xiǎn)響應(yīng)將增加喘振控制安全裕度，迅速制止喘振；同時(shí)控制器階梯響應(yīng)將快速地打開一、二段回流閥；當(dāng)工作點(diǎn)與喘振線相重時(shí)，CCC階梯響應(yīng)在PID的輸出數(shù)值上加25°開度輸出。

（2）當(dāng)操作工對(duì)三級(jí)排壓的設(shè)定值（PIAS1044E.SV）誤操作時(shí)，防喘振閥將大幅波動(dòng)，導(dǎo)致空分系統(tǒng)工況紊亂，甚至空壓機(jī)喘振。為提高防喘振閥的穩(wěn)定性，用CCC控制器CALCU模塊對(duì)防喘振控制器中的壓力與流量調(diào)節(jié)器輸出低限進(jìn)行限定。

3.2 CCC控制器的導(dǎo)葉穩(wěn)定優(yōu)化控制功能

3.2.1 CCC控制器的導(dǎo)葉控制程序

空壓機(jī)經(jīng)過(guò)電容降壓起動(dòng)后,電控制柜自動(dòng)輸出信息至DCS，此時(shí)空壓機(jī)起動(dòng)執(zhí)行信息為真。SH1031、SL1031A、SL1031B開機(jī)三十幾秒后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)投勵(lì)磁轉(zhuǎn)數(shù)后，自動(dòng)進(jìn)行投勵(lì)磁，此時(shí)允許負(fù)載信息為真。RAMP1031A模塊為手動(dòng)模型，CCC控制系統(tǒng)發(fā)出指令使空壓機(jī)進(jìn)口一、二段導(dǎo)葉緩慢開至最小開度8°，空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，CCC控制器根據(jù)運(yùn)行工況采用智能掃描的三種排氣壓力，來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉和防喘振閥門的開度，從而提高空壓機(jī)排壓。CCC空壓機(jī)導(dǎo)葉控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 CCC空壓機(jī)導(dǎo)葉控制邏輯圖

3.2.2 CCC控制器導(dǎo)葉控制程序的優(yōu)化

空壓機(jī)導(dǎo)葉的自動(dòng)控制是由排氣壓力和電機(jī)電流共同作用實(shí)現(xiàn)的。CCC控制器對(duì)導(dǎo)葉與回流閥的精密控制可穩(wěn)定空壓機(jī)運(yùn)行工況，進(jìn)而使空壓機(jī)運(yùn)行功率大大降低。

（1）為降低空壓機(jī)電流控制器輸出值的波動(dòng)性，增強(qiáng)導(dǎo)葉穩(wěn)定性，使用CCC控制器CALCU模塊對(duì)電流控制器輸出功率嚴(yán)格限定。

（2）如需提高空壓機(jī)的排壓，應(yīng)在防喘振閥全關(guān)的前提條件下，才能開大導(dǎo)葉；當(dāng)ZI1046＜2°時(shí)，PID調(diào)節(jié)器（PICAS1044E）為自動(dòng)模式，導(dǎo)葉被自動(dòng)控制在最優(yōu)化的狀態(tài)下。為實(shí)現(xiàn)此控制，用LC64、CALCU模塊對(duì)壓力控制器的手/自動(dòng)模式與設(shè)定值進(jìn)行定義。

4 CCC控制系統(tǒng)投運(yùn)后效果對(duì)比

4.1 空壓機(jī)防喘振效果顯著

CCC控制器的防喘振優(yōu)化控制功能實(shí)施后。由7號(hào)空壓機(jī)的喘振試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，目前7號(hào)空壓機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)距喘振控制線較遠(yuǎn)，此時(shí)空壓機(jī)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效解決了因放空閥故障及空壓機(jī)喘振而引發(fā)的空分系統(tǒng)連鎖停車的事故問(wèn)題。

4.2 空壓機(jī)節(jié)電效果顯著

CCC控制器的導(dǎo)葉穩(wěn)定優(yōu)化控制功能實(shí)施后。一段導(dǎo)葉開度在34%，回流閥開度為0%；二段導(dǎo)葉開度在4%，回流閥開度為14%?？諌簷C(jī)電流從420.56A降低到362.23A，空壓機(jī)小時(shí)耗電量減少了523.43kW.h，整個(gè)系統(tǒng)日均耗電由12×104kW.h左右降至8.7×104kW.h左右，制氧單耗由0.75kW.h/Nm3左右降至0.64kW.h/Nm3左右。在保證7號(hào)空壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓機(jī)導(dǎo)葉和回流閥的精密控制，各項(xiàng)指標(biāo)較儀控系統(tǒng)優(yōu)化改造項(xiàng)目投運(yùn)前有了大幅的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

宣鋼氧氣廠7號(hào)空壓機(jī)儀控優(yōu)化改造項(xiàng)目，優(yōu)化了空壓機(jī)的啟、停車操作及連鎖控制邏輯程序,穩(wěn)定了空壓機(jī)的運(yùn)行工況，消除了因放空閥故障及空壓機(jī)喘振而引發(fā)的空分系統(tǒng)連鎖停車事故的發(fā)生。同時(shí)降低了空壓機(jī)的電耗，使得7號(hào)空分系統(tǒng)制氧成本大為降低。

另外7號(hào)空壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了7號(hào)空分系統(tǒng)氧氣的產(chǎn)出量，2號(hào)高爐鼓風(fēng)富氧壓力波動(dòng)幅度明顯減小，富氧率由2.6%提升至3.4%，噴煤比增加了24kg/t，煤氣發(fā)熱值提升了2.8%，爐缸溫度提高了15.5℃，鐵水增產(chǎn)4.46%。實(shí)踐證明，此次7號(hào)空壓機(jī)儀控系統(tǒng)的CCC控制改造，為宣鋼2號(hào)高爐的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，也為大型空壓設(shè)備采用CCC先進(jìn)防喘震控制樹立了成功典范。