容積式能量回收系統優化設計研究

薛 倩，薛樹琦，劉永強，李 順

（1.河北科技大學 機械電子工程學院，石家莊 050018；2.北京京運通股份有限公司，北京 100176）

0 引言

在能源缺失和工業效益等因素下，國內外許多科研人員已經致力于能量回收技術的應用研究。能量回收技術最早應用于海水淡化工藝，隨后應用到越來越多的行業。在化工行業，合成氨工藝中廢液的高壓能量被浪費[1]，能量回收技術的應用能有效的解決這個問題，不同形式的能量回收裝置涌現出來。容積式液壓能量回收裝置利用液壓能量一次轉換，理論上回收效率達100%，實際應用中則是部分代替銅液泵對低壓新鮮銅液增壓。

1 能量回收機的應用背景

容積式能量回收裝置采用立式雙作用液壓缸結構，工作時雙缸交替使用。PLC和人機界面等組成能量回收電氣控制系統，可以實時監控能量回收系統的運行狀況。能量回收系統根據工藝要求對廢液的高壓能量進行回收，進而利用到低壓新液的加壓工序中，減少了能量的浪費，縮小了高壓泵的使用范圍，從而節省電能的使用，為企業帶來經濟效益。

在合成氨工藝流程中，洗滌原料氣時需要高壓新鮮銅液，銅洗結束后流出銅洗塔的廢銅液仍帶有高壓能量，廢銅液進入再生系統時不需要高壓能量，通過多級減壓閥將其高壓能量減掉[2]，銅洗塔工藝流程如圖1所示。在銅洗工藝流程中裝有能量回收裝置，利用高壓廢銅液的能量對新鮮低壓銅液進行加壓，供洗滌原料氣使用。高壓銅液在洗滌過程中會有部分能量損失，而流出銅洗塔后通過管道、閥門進入活塞中也會損失小部分能量，因此在實際工程中還需要小型的高壓銅泵為系統提供部分動力[3]。

圖1 銅洗塔工藝流程圖

2 能量回收系統的工作流程

容積式液壓能量回收裝置的主體是雙作用液壓缸，液壓缸內由活塞隔離成上下兩個腔室，硬件部分還包括換向控制集成塊（換向閥件、壓力傳感元件等）、配流塊（為雙液壓缸的進、排液閥集成塊）、供料泵和活塞組件等。

高壓廢銅液由銅洗塔底部排出，其中小部分銅液經過減壓閥直接進入再生系統，而大部分廢銅液經過管道、閥門進入能量回收裝置，回收其高壓能量后進入再生系統。

圖2 能量回收機工作過程圖

回收裝置工作時，供料泵將低壓新鮮銅液輸送到A缸上腔后，下腔連接的電磁閥打開，高壓廢銅液進入下腔，高壓廢銅液推動活塞上行對低壓新鮮銅液加壓，上腔連接的排液閥門打開，將加壓的新鮮銅液泵入銅洗塔頂部。A缸動作的同時B缸上腔進液閥開啟，由供料泵供應的新鮮低壓銅液進入B缸上腔推動活塞下行，下腔連接的電磁閥打開，下腔被回收能量的低壓廢銅液由B缸下腔排出進入再生系統。

當A缸活塞上升到限位點時,接近開關1KT閉合，進而控制進液電磁閥閉合，排液電磁閥打開，供料泵提供新鮮銅液由進液閥進入A缸上腔推動活塞下行，下腔廢銅液經排液電磁閥排出進入再生系統。當B缸下行至限位點時，接近開關4KT閉合，下腔連接的排液電磁閥關閉，進液電磁閥開啟，來自銅洗塔的高壓廢銅液進入B缸下腔，高壓液體推動活塞上行對上腔新鮮銅液加壓，上腔排液閥開啟將新鮮銅液排出進入銅洗塔。雙缸如此循環，交替上行、下行工作[4]。

能量回收裝置在回收高壓能量的過程中，對新鮮銅液不斷提供高壓能量并將其送入銅洗塔，減少了傳統工藝中高壓泵的電能消耗。

3 能量回收系統的電控部分

3.1 電氣控制系統的組成結構

為了適應車間級工作現場實時監控的趨勢，能量回收系統加強了電氣控制系統部分的設計。電氣控制系統采用PLC、觸摸屏、變頻器、傳感器以及組態王等硬件和軟件，實現能量回收過程中的數據采集和監控，包括銅液壓力信號、液缸位置信號、供料泵工作情況、主機流量等信號，并實現報警。

圖3 控制系統結構圖

電氣控制系統主要包括人機界面、組態軟件以及硬件結構等。其結構圖如圖3所示。

人機界面部分采用西門子公司的S7-200PLC和TP171系列觸摸屏，通過組態王軟件實現對能量回收系統的組態和監控。TP系列觸摸屏代替傳統的控制面板，增加了文本顯示量，豐富了顯示界面，提高了工作人員對人機界面的可操作性。PLC和CPU通信模式通用性強，可與整個合成氨生產工廠DCS系統互聯互通。數據采集儀器將采集的現場信號送到PLC，通過液晶屏顯示出來，組態軟件的圖形界面可以直觀的呈現出工作現場，工作人員根據現場工況標準對采集信息進行分析，采取調整措施保障能量回收機正常工作并處于最佳狀態。

3.2 PLC的報警設置及控制功能

在能量回收系統工作運行時，壓力傳感器將檢測到的高低壓廢銅液及新鮮銅液的壓力信號轉換成4mA～20mA的電流信號，直接送入PLC中，PLC再傳輸到觸摸屏顯示出來，PLC根據程序員設定的各項壓力報警極限，實時監控報警，工作情況嚴重時能量回收機將自動保護停車。接近開關將檢測到的位置信號直接傳入PLC，PLC根據程序指令實時控制電磁閥通斷電，進而控制液壓缸往復自動換向。

3.3 組態軟件及人機界面

能量回收系統采用組態王軟件進行系統組態，組態王是一個具有易用性、開發性和集成能力的通用組態軟件，它向下能與低層數據采集設備通信，向上能與管理層通信，實現上位機與下位機的雙向通信。組態王強大的界面顯示組態功能和仿真功能，使得能量回收系統在設計階段以及今后的使用階段具有直觀的實時監控性。

對于能量回收系統電氣控制部分，組態王軟件以畫面和報表的形式將能量回收機的工作狀態展現在操作人員眼前，如圖4所示，方便工作人員實時地監視控制系統運行。組態王將從能量回收系統工作現場采集的數據記錄在實時數據庫中，把數據的變化用動畫的方式形象地表示出來，同時完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監視功能，并生成立式數據文件。

4 系統設計方案優化分析

容積式能量回收系統在設計方案中針對以下環節進行了分析、設計和優化。

圖4 組態界面圖

4.1 液壓沖擊

由于某些因素影響，液壓系統中會產生液壓沖擊，如閥門的迅速開啟或關閉會引起液壓沖擊，應盡可能減慢電磁換向閥的移動速度，適當降低閥門的控制壓力，或加入阻尼裝置。選用氣動閥作為先導閥，輔助電磁閥控制液體流量，降低功率消耗。

對于活塞換向或制動時在液壓缸內產生的液壓沖擊，可以利用一些緩沖裝置來減少沖擊力度。液壓缸中常見的緩沖結構有圓柱形環隙式、圓錐形環隙式、可變節流槽式和可調節流孔式，如圖5所示[5]。

圖5 液壓缸的緩沖裝置

比較四種裝置后選取圓錐形環隙式緩沖結構，其緩沖柱塞為圓錐形，緩沖環形間隙隨位移的變化而變化，即通流截面面積隨緩沖行程增大而減小，使機械能的吸收較均勻，其緩沖效果較好，相較可變節流槽式裝置而言結構簡單[6]。

4.2 流量調節

進入銅洗塔的高壓銅液流量需要滿足銅洗工藝需求，流量的變化對工業生產影響很大。為保證銅洗塔不間斷供應銅液，兩個液壓缸交替工作時，雙缸活塞上下行時間差應盡可能小。當活塞上、下行到極限時，PLC檢測到位置信號并計算出液缸運行時間，對兩缸活塞的運行時間進行比較，時間差過大時需要調整運行時間，通過調節進入液壓缸的流量可調節活塞運行時間。

供料泵輸入到液壓缸的銅液流量影響著活塞下行時間，通過調節變頻器的頻率可調整供料泵的運行速度，對輸出流量進行控制，進而縮小兩缸運行的時間差。變頻器頻率與供料泵電機轉數的關系如下式：

其中，n為電機轉數；

f為變頻器頻率；

p為電機的極對數。

影響活塞下行時間的流量可通過調節閥來調整，工業中常通過手動閥控制閥門開度調整流量，由于手動調節偏差較大、調節滯后，故選擇與控制系統相連的自動調節閥，當PLC檢測到流量信號時，分析實際情況對自動調節閥發出命令，控制流量在設定值偏差范圍內。在流量調節過程中，可利用PID控制算法進行優化。

圖6 流量調節系統方框圖

圖7 診斷界面

4.3 設備故障診斷功能優化

當系統故障時，一般由檢修人員檢查各個設備或線路是否正常，這樣造成故障停車時間較長，影響了生產進度。針對這一因素，在人機界面的設計中增加了自診斷功能界面（如圖7所示），將現場檢測量實時狀態顯示在診斷界面中，如電機啟停狀態、閥門開啟關閉狀態等，工作人員實時了解和掌握設備運行技術狀態，確定其整體或局部正常與否，早期發現故障并判斷故障的部位和程度，分析故障原因，及時排除故障。這大大縮短了故障檢修時間，縮短了工廠故障停機的時間，降低了對維修人員的依賴程度，提高了生產效率。

5 結論

容積式能量回收系統采用以PLC為核心的電氣控制部分，人機界面作為操作人員與工業現場的橋梁將PLC采集數據直觀展現出來，以便實時監控系統運行工況。分析了系統優化方向，使能量回收系統能高效、穩定的工作。

[1]曹志錫, 汪小洪, 趙文宏, 等.銅氨液能量回收機在合成氨生產中的應用[J].浙江工業大學學報, 2003, 31(1): 75-77.

[2]朱蕓, 曹志錫, 洪孝鵬.活塞式多相流能量回收裝置的研究[J].液壓與氣動, 2010, (1): 77-79.

[3]楊守智, 張沖, 李姝娟, 等.原料氣洗滌液體能量回收機的研究與開發[J].化肥工業, 2003, 30(4): 26-27, 37.

[4]楊守智, 馬小兵.合成氨原料氣濕法脫碳富液能量回收方法的選擇[J].化肥工業, 2006, 33(5): 17-19.

[5]袁承訓.液壓與氣壓傳動[M].機械工業出版社, 2008,61-62.

[6]張平格.液壓傳動與控制[M].冶金工業出版社, 2006,76-78.