活塞式氧壓機的自動控制

尹丹放 趙征峰 叢龍洋

（開封空分集團有限公司設計研究院，河南 開封 475000）

對于大部分外壓縮空分設備，為了氧氣產品能夠達到用戶需要的壓力等級，就要配套相應的氧氣壓縮機將氧氣產品增壓輸送，活塞式氧壓機就是最常用的氧氣壓縮機之一。

活塞式氧壓機一般有單級和多級，現以開封空分集團有限公司生產的ZW-72/8型立式、二級二列、雙作用、無潤滑活塞式壓縮機為例介紹其自動控制原理。

ZW-72/8型氧壓機是指壓縮機吸入氣量為72m3/min，排氣量為4 000m3/h，排氣壓力為0.8MPa（G）。

單臺活塞式氧壓機的運行既可以采用獨立的小型PLC（可編程控制器）控制，也可以與空分裝置一起在DCS（集散控制系統）系統中實現控制。現以在DCS系統中控制為例介紹如下：活塞式氧壓機在遠傳儀表配置上，一般選用壓力變送器將需要在控制系統中顯示、報警及參與控制、聯鎖的壓力點通過4～20mADC電流信號傳輸給控制系統，其中包括壓縮機進氣壓力（PIA-1431）、排氣壓力（PIAS-1442）、潤滑油壓力（PIAS-1453）、冷卻水上水壓力（PIA-1470）；選用Pt100鉑熱電阻將需要的溫度信號輸入到控制系統，其中包括一級排氣溫度（TIAS-1441）、二級排氣溫度（TIAS-1442）、曲軸箱內潤滑油溫度（TIAS-1451）。儀控系統與電控系統之間也有多個來往的信號，以便配合起來實現電氣設備的操作與控制，進DCS系統一般設計有3個DI點：氧壓機狀態指示（OC-STU）、輔助油泵狀態指示（OCLP-STU）、油加熱器狀態指示（OCEH-STU）；出DCS系統一般設計有6個DO點：允許啟動氧壓機（OC-EN）、停氧壓機（OC-STP）、輔助油泵啟動（OCLP-STR）、輔助油泵停止（OCLP-STP）、油加熱器啟動（OCEH-STR）、油加熱器停止（OCEH-STP）。

以下將具體介紹氧壓機各部分的控制邏輯，其中壓力均為表壓（G）［1］。

1 壓縮機主電機啟動條件

氧壓機電機啟動前，要先做好準備工作，其中包括啟動輔助油泵供油，啟動循環水泵供冷卻水，并檢查以下參數是否滿足啟動條件：

①潤滑油壓力≥0.15MPa；

②冷卻水上水壓力≥0.3MPa；

③曲軸箱內油溫≥15℃。

如果以上三個條件同時滿足，則說明氧壓機具備啟動條件，DCS控制系統會向電控系統送出一個允許啟動信號，用以指示當前可以啟動主電機。如果其中有任意一個條件不滿足，則不能啟動主電機。具體邏輯見后續的邏輯總圖。

2 壓縮機聯鎖停機

氧壓機在正常運行期間，電控系統高壓開關柜會送給DCS控制系統主電機的運行狀態信號，用于在DCS操作站上顯示。如果發生以下任意一個條件，將聯鎖緊急停車，保護機器，以防損壞：

①排氣壓力高高≥0.9MPa；

②潤滑油壓力低低≤0.10MPa；

③一級排氣溫度高高≥180℃；

④二級排氣溫度高高≥180℃；

⑤曲軸箱內油溫高高≥70℃。

如果以上任意一個條件具備，DCS控制系統會向電控系統送出一個聯鎖停機信號，用以停止主電機。具體邏輯見后續的邏輯總圖。

3 輔助油泵的控制

氧壓機配置了兩臺潤滑油泵，一臺主油泵，一臺輔助油泵，主油泵與氧壓機電機主軸連接，當電機運轉時主油泵供油，輔助油泵由單獨電機拖動。氧壓機開車前，須先開輔助油泵供油，調整油壓為0.15～0.25MPa；主電機正常運轉后，當油壓≥0.4MPa，自動停止輔助油泵，此時由主油泵供油；當油壓≤0.15MPa時，自動啟動輔助油泵以提高油壓。主電機停機時要聯鎖啟動輔助油泵供油，因為主電機停止時主油泵也同時停止，潤滑油壓力瞬時降低，供油幾乎中斷，但此時主電機還在緩沖，壓縮機主軸溫度還很高，仍需要潤滑油降溫，否則有可能會燒壞軸，所以為了氧壓機安全起見，主電機停機的同時要啟動輔助油泵正常供油，待延續10min后，自動停止輔助油泵。詳細控制邏輯見后續的邏輯總圖，其中TON為上升沿延遲模塊，TP為上升沿脈沖模塊，輔助油泵的啟動信號為上升沿脈沖信號；輔助油泵的停止信號為下降沿脈沖信號。

4 油加熱器的控制

油加熱器的控制比較簡單，當曲軸箱內油溫＜15℃時，自動啟動電加熱器；當曲軸箱內油溫≥30℃時，自動關閉電加熱器。油加熱器的啟動信號為上升沿脈沖信號；油加熱器的停止信號為下降沿脈沖信號。

圖1為邏輯總圖，包括了以上四部分的控制邏輯。圖中HH表示高高值聯鎖控制、H表示高值報警控制、L表示低值報警控制、LL表示低低值聯鎖控制；HSH-XX和HSL-XX表示在DCS中做虛擬按鈕，實現能在DCS操作站上手動啟動和手動停止功能；所有DO點需加中間繼電器轉換輸出。

圖1

以上即為活塞式氧壓機的典型控制原理，有的為了保護主電機的安全，會在氧壓機的聯鎖停車條件中增加主電機的前、后軸承溫度高高和電機定子溫度高高聯鎖。由以上四部分的控制構成了整套氧壓機的安全控制，提高了活塞式氧壓機操作的自動化水平，很好地保護了機器的安全運行，為用戶減少損失。

這套控制方案已在多套設備上使用，是一套十分成熟的方案，該控制方案大部分操作都可以在DCS操作站上實現，對一些重要參數都是可以由程序自行完成，自動化水平還是相當高的。隨著自動化水平的不斷提高，空分各設備的控制要求也隨著工藝要求不斷改進，因此需要我們不斷提高自身的控制理論，確保空分各設備安全、可靠、平穩地運行。

［1］胡壽松.自動控制原理（第四版）［M］.北京：科學出版社，2008.