工藝液氧泵的控制探討

摘要：在大型空分裝置中，液氧內壓縮空分裝置占有的比例最大，來自主冷低壓液氧通過液氧泵加壓后，通過高壓主換熱器復熱至設計溫度后作為產品氧氣送用戶使用。文章介紹了大型空分裝置工藝液氧泵的控制功能、實施方法、操作方式，從而保障工藝穩定運行。

關鍵詞：空分液氧泵系統；時序控制；聯所邏輯控制；外給定PID；閥門開度記憶；工藝液氧泵 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2017）04-0054-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.028

目前在大型空分裝置中，液氧內壓縮空分裝置占有的比例最大，來自主冷低壓液氧通過液氧泵加壓后，通過高壓主換熱器復熱至設計溫度后作為產品氧氣送用戶使用；液氧泵配置兩臺，其中一臺正常運轉，另一臺處于惰轉備用狀態，當工作的液氧泵故障時，惰轉備用泵在短時間內提升到工作運轉狀態，保證后續工藝用氧的需要。

液氧泵系統是空分裝置的最重要的組成部分，它是時序控制和聯鎖邏輯及外給定PID控制的結合，本系統的控制是保證空分裝置長期穩定運行的關鍵之一，對于大型空分裝置在設計該程序時和閥門選型方面必須經過充分的考慮以滿足工藝和用戶提出的控制要求，確保空分裝置運行穩定，保證后續氧氣的正常供應。

圖1為兗礦國宏化工60萬噸甲醇項目30000Nm3/h空分液氧泵工作情況，正常運行的液氧泵后壓力8.0MPa、泵前0.2MPa、轉速3389rpm，惰轉備用泵后壓力0.33MPa、泵前0.2MPa、轉速300rpm，若是正常運行的泵由于某種原因出現故障，惰轉備用泵在10秒內從當前工況達到正常的工藝用氧的壓力和流量使后面煤汽化系統用氧不受影響，后續用氧的最低使用壓力6.5MPa，如果低于此壓力，氣化爐將不能正常工作，這樣就會造成后續生產停運，損失就很大，為了保證正常生產不受影響，除了設備本身可靠外，在液氧泵的控制上做了以下的程序控制功能來滿足工藝的用氣要求。

1 單臺氧泵程序控制的主要功能

1.1 液氧泵加熱器的控制

加熱器通過DCS系統的操作畫面能手動啟停控制，通過按畫面上的對話框“啟動”、“停車”按鈕，彈出對話框“是否要啟動”或“是否要停車”，如果要啟動或要停車選定“是”如果不需要啟動或不需要停車選定“取消”，就可以完成手動啟停操作，也能避免誤操作；加熱器的控制同時受液氧泵的軸承溫度的控制要求：當溫度小于等于5℃時自動啟動加熱器進行加溫，當溫度大于25℃時停止加溫。

1.2 液氧泵風扇的控制

與加熱器相同，在DCS系統的操作畫面能手動啟停控制，操作方法也類似；液氧泵啟動之前先啟動風扇，也就是風扇有運行指示后氧泵才允許啟動，風扇運行信號消失氧泵聯鎖停車。

1.3 液氧泵本身的聯鎖停車

1.3.1 啟動條件：風機運行、軸承溫度大于

-40℃、進口閥開度大于95%、空分預冷系統聯鎖解除條件同時滿足才允許啟動液氧泵。

1.3.2 停車條件：風機停運、軸承溫度大于120℃、迷宮溫度低于-150℃、氧氣出冷箱溫度低于0℃、出口壓力高于8.9MPa、空分預冷系統聯鎖停車、緊急停車臺停車信號條件之一滿足時液氧泵聯鎖停車，從而保障設備安全，停車時使進出口閥的電磁閥失電關閉氧泵進出口調節閥（同時程序置4mA信號輸出給現場閥門定位器，閥門為故障關，保障電磁閥失電和定位器的輸入信號同步）、關氧泵回流閥（程序置20mA信號輸出給現場閥門定位器，閥門為故障開，使氧泵與冷箱其他設備隔離）。

1.4 變頻調速控制

液氧泵的轉速是通過變頻調速進行控制的，變頻器的給定值為外給定，由DCS系統輸出4～20mA信號到變頻器，變頻器根據此給定信號進行轉速的調節，同時變頻器把轉速信號反饋給DCS進行顯示，方便操作。

1.5 電機的電流

液氧泵運行的電流信號進DCS顯示，根據電流大小可以作為判斷運行泵是否故障。

1.6 進出口閥門的電磁閥控制

電磁閥在不參與聯鎖或調試過程中可以手動操作讓其得電（可操作閥門的開度大小）、失電（關閉閥門），在投入聯鎖后電磁閥的控制不受人為操作影響，聯鎖信號才能讓其得電或失電。

2 兩臺液氧泵互為備用的控制功能

2.1 操作畫面按鈕及操作參數設置

對加熱器、風機均設“啟動”、“停止”按鈕，對液氧泵設“啟泵”、“停泵”按鈕，對每臺泵設“獨

立/互備”按鈕，對電磁閥設“得電允許操作”、“失電全關”按鈕，為了防止誤操作，每個按鈕的操作均需確認才生效。

2.2 操作畫面參數設置和顯示

為了方便在不同工況下的操作，在操作界面上對每臺泵的轉速、進出口閥門的開度、回流閥的開度、泵出口壓力調節回路的PID調節器的外給定設定值在權限許可下可以進行修改，界面上同時顯示設定值和當前運行的值。

2.3 互為備用程控說明

以一號液氧泵正常運行二號液氧泵惰轉備用加以說明。

2.3.1 參數設置：兩臺泵運行達到各自的運行參數后做如下設置：（1）把兩臺液氧泵的“獨立/互備”按鈕設置為互備方式，操作畫面顯示“互備”；（2）二號泵轉速輸出的設定值設為正常工作泵的轉速值：3389rpm；（3）二號泵出口閥的開度設為正常工作泵出口閥的開度：100%；（4）二號泵回流閥的開度設為正常工作泵回流閥的開度：20%；（5）二號泵出口壓力PID調節的外給定值設為正常工作泵的出口壓力值：8.0MPa。

2.3.2 正常工作的泵故障可能是如下的原因：泵工作得是否正常最終反映在出口壓力和輸送量上，若是泵工作在額定轉速工況附近，用氧量保持不變的情況下出口壓力值偏離工況比較大，說明泵有故障，故障可能是以下原因引起：汽蝕或喘振、迷宮密封異常、電氣故障等原因；泵若汽蝕對泵的損害最大，可能會對葉輪造成不同程度的損壞，汽蝕時也會使振動增大，同時由于低溫液體離心泵在安裝過程中可能會出現一定的偏差，導致在運轉過程中轉子不對中，產生不平衡力從而造成零部件松動、局部溫度過高誘發振動及喘振，在泵的工作中若是出現以上嚴重對泵有損壞的可能或對后續用氧造成影響的情況時必須在短時間內把惰轉備用泵投入額定工作狀態、停運故障泵來保證工藝的穩定和設備的安全，切換后兩泵的互備自動轉為獨立運行，待故障泵維修后，重新啟動作為備用，此時需要手動投入互備按鈕。

2.3.3 惰轉備用泵自動投入額定工況的過程：（1）轉速給定：程序設計時把操作畫面上設定的正常工況下運行的轉速自動賦值給DCS的AO輸出去作為變頻器的設定值，變頻器按照新的設定參數去控制液氧泵的變頻電機，使變頻電機在10秒內從當前的轉速達到額定轉速，進入正常的工作狀態，泵切換時由程序進行給定，切換完成權限交給操作員；（2）氧泵出口閥控制：惰轉備用泵的出口閥是關閉的，靠回流量來維持其惰轉工況的，當轉為主工況時出口閥的電磁閥帶電，同時把操作畫面上閥門的開度值自動賦值給DCS的AO輸出，使閥門開到設定開度；（3）氧泵回流閥控制：惰轉備用泵工況回流閥是按出口壓力為惰轉壓力設定值進行PID自動調節控制的，閥門開度比較大，當轉為主工況時，閥門的開度在3～5秒（時間可調）內按照時間斜率預關到主工況運行時的設定開度，出口壓力的設定值自動賦值為主工況的設定值，延時6～8秒（時間可調）投入閉環自動調節，并對壓力的控制進行限幅控制，保證壓力穩定在7.5～8.5MPa之間，從而來保證后續工況大于6.5MPa的使用壓力和液氧泵的安全運行，泵切換時由程序進行給定，切換完成通過出口壓力自動控制，權限交給操作員。

3 液氧泵的操作

低溫液氧泵長期工作在低溫工況，其操作有嚴格的操作程序，每臺泵在獨立程序控制中單獨啟動，啟動前需要做如下的主要準備工作。

3.1 啟動前的準備

3.1.1 液氧泵接觸的是氧介質需要禁油，因為氧氣和油混合會引起火災或爆炸的危險，因此需要確認脫脂情況。

3.1.2 密封氣的確認：迷宮密封液氧泵需要通干燥的密封氣進行密封，通常為干凈干燥的氮氣或干燥的儀表空氣。

3.1.3 確認泵的轉動方向，多級離心泵一般為逆時針方向（單級泵多為順時針方向），結合使用說明書確認。

3.1.4 啟動加熱器，加熱器的控制按照軸承溫度情況進行自動控制，小于5℃自動啟，大于25℃停加熱器；啟動風機。

3.1.5 液氧泵的預冷：打開進液閥和與之有關的手動閥，對泵進行預冷，關閉氧泵的回流閥和出口閥，預冷時間通常為：60分鐘左右。

3.2 啟動

充分預冷后啟動液氧泵，打開泵出口閥、回流閥的開度一般控制在70%～80%、打開冷箱外面的氧氣放空閥、關閉氧氣送氣閥，并行升壓，通過DCS輸出信號慢慢給變頻器加載使泵從低轉速達到額定轉速，調節回流閥和氧氣放空閥的開度，使壓力達到泵的工作壓力，穩定后把氧泵回流閥和氧氣放空閥投入自動調節，若后續工況需要用氧，進行氧氣放空閥和氧氣送氣閥的切換，慢慢打開氧氣送氣，同時慢慢關閉氧氣放空閥，穩定后投入自動，氧氣放空閥通過壓力進行控制、氧氣送氣閥通過用氧量的流量進行控制；惰轉泵啟動時泵的出口閥是關閉的，通過回流閥控制其惰轉工況，兩泵都運行穩定后把它們均投入互備狀態，程序設計時先運行的泵為主泵，當運行的主泵故障時惰轉泵轉為主泵，故障泵處理好后變為惰轉備用泵。

3.3 停泵

正常停泵：按下畫面上的停車按鈕并確認，切斷液氧泵電機的電源，緩慢關閉氧泵的進出口閥、緩慢關閉回流閥，打開相應的手動液體排放閥、加溫復熱液氧泵到常溫；聯鎖停泵自動完成進出口閥、回流閥關閉工作。

4 結語

兩臺液氧泵的互為備用的自動切換大大提高了整套空分系統的穩定性、可靠性和安全性，減少了增壓機末級空氣的放空，同時更好地滿足了后續工況連續用氧的要求，降低了由于液氧泵故障引起后續工藝停車的風險，為整個工藝過程提供了安全保障，運行穩定可靠在投運的許多內壓縮空分裝置中得到了廣泛的驗證。

作者簡介：文國榮（1964-），男，四川空分設備（集體）有限責任公司空分事業部自控室主任，高級工程師，研究方向：過程控制自動化。

（責任編輯：蔣建華）