某電廠二期儀用空壓機站改造及應(yīng)用

許江淮

（廈門華夏國際電力發(fā)展有限公司，福建 廈門 361100）

0 引言

空氣壓縮機節(jié)能作為研究熱點之一，其中的空壓機及氣站節(jié)能改造大部分是基于PLC的恒壓控制，主要針對用氣負荷與空壓機站的啟停協(xié)調(diào)。而現(xiàn)役空氣壓縮機存在以下主要問題：一是大多數(shù)空氣壓縮機設(shè)計原始，仍是基于單片機或早期PLC，控制策略封裝鎖存無法修改，即使大多數(shù)工業(yè)企業(yè)主生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)已采用DCS工業(yè)控制系統(tǒng)[1]，可接受Modbus、RS-232、RS-485等多種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，但受限于早期空壓機無數(shù)據(jù)通信協(xié)議接口與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行交換，仍無法利用高級工業(yè)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能提升控制精度，成為信息孤島和控制短板；二是工藝控制簡單，工況參數(shù)調(diào)整精度差，壓力調(diào)節(jié)控制大多仍是采用較為粗放的機械氣動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，壓縮機出力調(diào)節(jié)線性區(qū)狹窄，一旦用戶負荷變化較大即調(diào)節(jié)失衡，節(jié)能效率極低；三是空氣壓縮機工況參數(shù)無法追憶，即使是最新型的產(chǎn)品也僅能查詢有限次數(shù)內(nèi)的定制故障報警，無法復(fù)現(xiàn)故障發(fā)生時的全工況信息，不能有效支撐故障分析。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

某電廠二期儀用空壓機站機型為廣東中山復(fù)盛SA-185W/0.85型螺桿式壓縮機，設(shè)計為一臺主機、三臺備機供應(yīng)二期兩臺發(fā)電機組用氣，控制系統(tǒng)采用A-B PLC聯(lián)控柜通過串口網(wǎng)絡(luò)進行空壓機站的啟、停、聯(lián)鎖等控制，僅將空壓機“啟動、停止”反饋信號送至GE新華OC6000e型工業(yè)DCS控制系統(tǒng)。壓縮主機經(jīng)歷十余年長期投運仍工況良好，相較而言，控制調(diào)節(jié)部分原PLC控制未進行冗余設(shè)計，PLC控制器與通信模塊老化日益嚴重，多次出現(xiàn)PLC故障導(dǎo)致的單機退出運行，嚴重影響儀用氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，且空壓機故障報警信號集中在現(xiàn)場PLC柜內(nèi)，故障響應(yīng)效率低。

考慮到該電廠二期發(fā)電機組普及使用的GE新華OC6000e型工業(yè)DCS控制系統(tǒng)具有DPU冗余設(shè)計[2]，控制功能成熟，人機交互功能友好，操作人員熟練度高且后期維護成本低等優(yōu)點，故提出方案，對該電廠二期儀用空壓機站采取保留機械主體，切除PLC控制單元，增加必要的執(zhí)行單元和測量元件，由DCS控制系統(tǒng)與空氣壓縮機工藝流程全面直聯(lián)的方式進行升級改造。

2 方案設(shè)計

2.1 增加電動吸氣調(diào)節(jié)門

參考已在某電廠一期儀用空壓機站改造使用的實用新型專利——“一種大型工業(yè)用空氣壓縮機壓力調(diào)節(jié)優(yōu)化冗余系統(tǒng)”，在壓縮機吸氣閥前端加裝具備連續(xù)調(diào)節(jié)能力的電動吸氣調(diào)節(jié)門，如圖1所示，建立開度/出力自動調(diào)節(jié)回路[3]。在此基礎(chǔ)上，本次改造研究建立基于DCS控制系統(tǒng)的空壓機負荷自動控制回路，由DCS系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定壓力與實際壓力偏差自動調(diào)節(jié)閥門開度與備用聯(lián)啟，與氣動蝶閥聯(lián)合控制空壓機加載時出力，實現(xiàn)供氣壓力的恒壓控制。

圖1 空壓機進氣管加裝電動吸氣調(diào)節(jié)門

2.2 控制回路改造

對原空壓機電氣控制原理圖進行解讀，在保留電氣主體回路的基礎(chǔ)上，設(shè)計具有就地緊急停機功能的由DCS替代PLC進行遠方控制的新電氣控制回路。拆除4臺儀用空壓機PLC控制器、I/O模塊、通信卡件、電源模塊、配套就地操作/顯示屏、聯(lián)控柜等相關(guān)PLC組件和所有與PLC相連的內(nèi)部接線，拆除由PLC指令控制的主電機接觸器MJ、散熱風(fēng)扇接觸器FJ、三角啟動接觸器DJ、星型啟動接觸器SJ、加卸載電磁閥SVJ共5個接觸器的中間控制繼電器線圈及拓展接線，將這5個PLC輸出信號改為由DCS輸出，修改電氣原理圖如圖2所示。

圖2 PLC改DCS控制電氣原理圖

增加必要的執(zhí)行單元和測量元件，根據(jù)熱工專業(yè)聯(lián)鎖信號三取二的設(shè)計原則，儀用氣母管壓力變送器由1個增加為3個，增加電動調(diào)節(jié)閥配電回路，更換排氣口壓力傳感器、分離器壓力傳感器為標準壓力變送器，利用拆除空間安裝I/O信號就地接線端子排，將所有相應(yīng)線圈、電磁閥的控制信號和測量元件信號，敷設(shè)電纜送至GE新華OC6000e型工業(yè)DCS控制系統(tǒng)，新增相應(yīng)I/O卡件。單臺空壓機總的I/O信號共有29個，I/O清單如表1所示。

表1 單臺空壓機I/O清單

2.3 控制邏輯設(shè)計

對照空氣壓縮機工藝流程，引入說明書中時間、電流、壓力、溫度等參數(shù)的原始設(shè)定值，經(jīng)聯(lián)合討論，制定DCS系統(tǒng)邏輯控制工序如圖3所示。

圖3 空壓機控制工序

各控制工序簡述如下：

（1）啟動工序。若DCS控制器接收到聯(lián)鎖啟動指令或啟動控制信號，DCS控制器發(fā)出主電機接觸器MJ、主電機星型接觸器SJ、冷卻風(fēng)扇接觸器FJ控制信號，從而啟動主電機、主電機星型回路以及冷卻風(fēng)扇電機。其中，聯(lián)鎖啟動指令指：儀用氣母管壓力變送器低于設(shè)定值，主電機溫度開關(guān)、熱偶繼電器、相序保護器均未閉合，且主接觸器反饋接點斷開時間滿足設(shè)定值（防止接觸器短時間多次分合）；經(jīng)8 s計時后，DCS控制器發(fā)出星-三角變換指令，閉合主電機三角型接觸器DJ，并斷開主電機星型接觸器SJ，將主電機星型回路切換為三角回路，完成壓縮機組的降壓啟動。

（2）加載工序。

氣動蝶閥控制：若DCS控制器接收到加載允許指令，DCS控制器發(fā)出加載電磁閥控制信號，接通加載氣路，并斷開泄放電磁閥控制信號。其中，加載調(diào)節(jié)允許指令指：停機指令未觸發(fā)的前提下，排氣口壓力變送器降至加載閾值且主電機已完成星-三角切換，或空氣壓縮機啟動初次完成星-三角切換。

電動吸氣調(diào)節(jié)閥控制：加載氣路接通后，若DCS控制器接收到加載調(diào)節(jié)允許指令，則允許DCS控制器發(fā)出電動調(diào)節(jié)閥控制指令，此時電動調(diào)節(jié)閥控制指令作為輸出變量與被控變量排氣口壓力采用PID運算回路實現(xiàn)空氣壓縮機的加載調(diào)節(jié)，具體邏輯描述為排氣口壓力與空壓機出口壓力設(shè)定值SP送入DEV偏差運算功能塊，對設(shè)定值與實際排氣壓力的偏差值進行非線性計算，輸出計算值Y參與PID模塊運算，最終輸出電動調(diào)節(jié)閥控制指令，實現(xiàn)空氣壓縮機加載出力精密調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥位置反饋質(zhì)量判斷信號、主電機電流質(zhì)量判斷信號、排氣口壓力與空壓機出口壓力設(shè)定值SP偏差越限指示信號、卸載允許指令、加載允許指令非等5個信號共同進入邏輯“或”功能塊，其任一輸入信號為1均輸出閉鎖指令閉鎖電動調(diào)節(jié)閥控制功能。其中，加載調(diào)節(jié)允許指令指：加載允許指令存在、主電機電流變送器信號質(zhì)量好、電動調(diào)節(jié)閥位置反饋信號質(zhì)量好且排氣口壓力變送器信號偏差越過調(diào)節(jié)死區(qū)。

（3）卸載工序。若DCS控制器接收到聯(lián)鎖卸載指令，則DCS控制器發(fā)出泄放電磁閥控制信號，接通卸載氣路，并斷開加載電磁閥控制信號，關(guān)閉加載氣路，實現(xiàn)空氣壓縮機的卸載。其中，聯(lián)鎖卸載指令指：停機指令存在，或者主電機已啟動但未完成星-三角切換，或者排氣口壓力變送器升至卸載閾值且主電機完成星-三角切換開始做功。

（4）停機工序。若DCS控制器接收到電氣保護停機回路指令、熱工保護停機回路指令或者自動停機回路指令，DCS控制器發(fā)出卸載指令、閉鎖加載指令及閉鎖出力調(diào)節(jié)指令，并斷開主電機接觸器控制信號、主電機星型接觸器控制信號、主電機三角型接觸器控制信號、冷卻風(fēng)扇接觸器控制信號，完成壓縮機組的停機。其中，電氣保護停機回路指令指：熱偶繼電器、急停按鈕反饋接點、相序保護器和主電機溫度開關(guān)至少一個動作；熱工保護停機回路指令指：排氣口溫度傳感器超過停機保護設(shè)定值，或排氣口壓力變送器超過停機保護設(shè)定值；自動停機回路指令指：泄放電磁閥控制信號閉合時間滿足設(shè)定值，且壓縮氣母管壓力變送器信號偏差不低于設(shè)定值。

按照上述控制工序搭建基于DCS控制系統(tǒng)的邏輯組態(tài)及人機操作界面，實現(xiàn)空壓機PLC原有功能的全面轉(zhuǎn)移。改造后，經(jīng)冷熱態(tài)試驗，空壓機站啟動、聯(lián)鎖、加載、卸載、停機工序運轉(zhuǎn)良好，電流、溫度、壓力、故障報警等運行參數(shù)顯示完備且畫面整潔，操作人員對運行狀態(tài)的監(jiān)測和故障的響應(yīng)效率得到較大改善。

3 結(jié)束語

本文所述改造方案在不對現(xiàn)有空氣壓縮機機械主體進行改動的前提下，通過安裝在壓縮機上的電流、溫度、壓力等信號采集器件，制定符合企業(yè)用氣工況的DCS控制策略，由DCS分散控制系統(tǒng)代替PLC全面接管空壓機站的運行控制及狀態(tài)監(jiān)測。而區(qū)別于PLC的封裝工藝，DCS分散控制系統(tǒng)的功能參數(shù)支持在線修改與信號強制，同時DCS系統(tǒng)對空壓機站信號的實時監(jiān)視及歷史數(shù)據(jù)存儲，進一步滿足了故障分析以及設(shè)備優(yōu)化需求，使空壓機站的運行更加合理，控制更加靈活便捷。本次改造解決了前文提到的現(xiàn)役空壓機的幾大主要問題，為具備DCS集散控制系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)PLC空壓機實現(xiàn)DCS自動控制提供了可行性參考，外加調(diào)節(jié)裝置的空壓機負荷自動控制回路也為空壓機站供氣優(yōu)化、節(jié)能降耗提供了工藝方向。