煤化工用離心式壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

田振華， 田金艷

(1.同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000；2.國(guó)網(wǎng)白城供電公司，吉林 白城 137000)

引 言

離心式壓縮機(jī)在煤化工業(yè)中占有重要地位，主要用于提供氣體動(dòng)力，壓縮氣體調(diào)節(jié)要求能夠控制氣量、壓力，自動(dòng)控制系統(tǒng)彌補(bǔ)了人工控制中的缺陷，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)末端壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)也滿(mǎn)足了生產(chǎn)需要，因此，對(duì)于這一技術(shù)的應(yīng)用研究對(duì)煤化工業(yè)發(fā)展意義重大。

1 離心式壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

離心式壓縮機(jī)如圖1所示，離心式壓縮機(jī)是機(jī)器內(nèi)的葉輪對(duì)氣體施壓，使壓力及速度提升，從而實(shí)現(xiàn)氣體的輸送，氣體沿徑向通過(guò)葉輪的壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)也叫做透平式壓縮機(jī)，其主要作用為壓縮氣體。

圖1 離心式壓縮機(jī)

離心式壓縮機(jī)內(nèi)部構(gòu)造，如圖2所示。其工作原理為，壓縮機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，氣體在旋轉(zhuǎn)的離心力下，進(jìn)入到離心式壓縮機(jī)的擴(kuò)壓器中，葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成真空地帶，根據(jù)壓強(qiáng)原理促使外界氣體吸入至葉輪中。在葉輪不斷旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，氣體吸入后再排除，保證氣體的不斷持續(xù)流通。離心式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、質(zhì)量輕，且持續(xù)排氣均勻，免去了中間容器，在運(yùn)行的機(jī)器噪音及振動(dòng)幅度小，不易對(duì)零件產(chǎn)生磨損，機(jī)器在運(yùn)行中不需要添加潤(rùn)滑劑，節(jié)省成本且保持空氣清潔[1]。

圖2 離心式壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械自動(dòng)化控制應(yīng)用的意義

自動(dòng)化指的是機(jī)器設(shè)備、系統(tǒng)及生產(chǎn)過(guò)程中較少進(jìn)行人工干預(yù)、參與，甚至完全不需要人工操作，根據(jù)操作需要，可以進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、處理信息、分析信息、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)修復(fù)等操作，以高效、自動(dòng)的形式完成設(shè)備的應(yīng)用目標(biāo)。

在壓縮機(jī)控制中引入自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)壓縮機(jī)應(yīng)用的效率及質(zhì)量都會(huì)有極大提升，幫助壓縮機(jī)控制人員執(zhí)行了大量的工作任務(wù)，解放了人力，降低了人力支出，在管理及調(diào)控中發(fā)揮著極其穩(wěn)定的作用[2]。

3 煤化工用離心式壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)

煤化工用離心式壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)中常用的中樞為可編程控制器，它是離心式壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的大腦，用于接受外界傳輸?shù)男畔ⅲ瑫r(shí)對(duì)信息進(jìn)行初步處理后，對(duì)執(zhí)行模塊發(fā)出指令，再由動(dòng)力系統(tǒng)、工作系統(tǒng)等模塊根據(jù)中樞控制系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)，整個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括顯示模塊、警示燈等模塊。

在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制面板上應(yīng)用串行通訊以及PLC進(jìn)行連接，控制面板上的PLC一般應(yīng)用HMI顯示型，一方面能夠用于顯示壓縮機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在控制面板上進(jìn)行數(shù)值設(shè)定，例如壓力值、電流值、電壓值等數(shù)值的設(shè)定，同時(shí)進(jìn)行漏洞的修改等操作，將PLC所要應(yīng)用的數(shù)據(jù)，及時(shí)寫(xiě)入到程序中。

3.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)

在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，進(jìn)氣閥以及卸載閥作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也就是整個(gè)系統(tǒng)最后一環(huán)節(jié)命令的輸出模塊以及執(zhí)行模塊。同時(shí)應(yīng)用到閥門(mén)定位器作為命令輸出以及執(zhí)行模塊之間的連接點(diǎn)，系統(tǒng)應(yīng)用閥門(mén)定位器作為I/P傳感器。

如圖3所示，為啟動(dòng)執(zhí)行模塊時(shí)電器閥門(mén)定位器的配電結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，電器閥門(mén)定位器與執(zhí)行模塊在配合工作時(shí)，擁有機(jī)械反饋裝置，電器閥門(mén)定位將控制單元的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)執(zhí)行模塊的驅(qū)動(dòng)。并且，由閥桿的動(dòng)作距離得到反饋信號(hào)，組成整個(gè)系統(tǒng)，從而改善了執(zhí)行靜態(tài)特征，電流信號(hào)與閥桿間存在良好的線(xiàn)性關(guān)系；同時(shí)也改善了氣動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特征，加速閥桿移動(dòng)，從而降低信號(hào)在傳輸過(guò)程中的延遲。

圖3 執(zhí)行模塊工作時(shí)電器閥門(mén)的運(yùn)作情況

3.3 離心式壓縮機(jī)的基本控制模式

離心式壓縮機(jī)的基本控制模式是應(yīng)用調(diào)節(jié)卸荷閥從而保持離心式壓縮機(jī)的設(shè)定壓力，在離心式壓縮機(jī)內(nèi)的氣量降低時(shí)，卸荷閥張開(kāi)釋放出過(guò)剩的氣體，同時(shí)應(yīng)用進(jìn)氣閥對(duì)空氣進(jìn)入量進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電流通過(guò)。離心式壓縮機(jī)的工作功率：

功率(W)=揚(yáng)程(m)×流量(m3/s)×

重力加速度(m/s2)×介質(zhì)密度(kg/m3)

3.4 進(jìn)氣節(jié)流控制模式

離心式壓縮機(jī)的進(jìn)氣節(jié)流模式與基本的控制模式相似，其運(yùn)行中的差異在于滿(mǎn)足外部用氣系統(tǒng)的需求下，能夠應(yīng)用進(jìn)氣節(jié)流控制模式以降低壓縮機(jī)的電機(jī)電流。進(jìn)氣控制閥的能夠應(yīng)用進(jìn)氣控制進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，最終達(dá)成最小電流設(shè)定值，如果煤化工用系統(tǒng)的需求量持續(xù)下滑，則對(duì)卸荷閥進(jìn)行開(kāi)度調(diào)節(jié)，從而保持系統(tǒng)設(shè)定的壓力值。在進(jìn)氣節(jié)流控制模式下，當(dāng)最小電流設(shè)置過(guò)低就會(huì)使離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振反應(yīng)，因此需要針對(duì)喘振測(cè)試以測(cè)試并確定最低電流的設(shè)定值。

離心式壓縮機(jī)應(yīng)用自動(dòng)化控制前、后的密度比較如表1所示。

表1 離心式壓縮機(jī)自動(dòng)化前、后密度對(duì)比

氣體質(zhì)量流量=氣體體積流流量×密度。

3.5 間歇式控制

間歇式控制模式，如圖4所示。間歇式控制模式是一種開(kāi)關(guān)型控制模式，可以根據(jù)外部用氣系統(tǒng)的需求控制空壓機(jī)的加載以及卸載。當(dāng)外部用氣系統(tǒng)的壓力在系統(tǒng)最低壓力值之下時(shí)，將進(jìn)氣閥調(diào)整為設(shè)置電流，卸荷閥整體關(guān)閉，將系統(tǒng)內(nèi)部的的空氣排出系統(tǒng)。在外部用氣系統(tǒng)的需求量降低時(shí)，壓縮機(jī)末端排氣壓力就會(huì)上升，要保持設(shè)定的排氣壓力，將卸荷閥打開(kāi)以排出多余的壓縮空氣。伴隨著外部用氣系統(tǒng)需求量的下滑，卸荷閥持續(xù)張大，以保持設(shè)定好的壓力值。當(dāng)卸荷閥的張度達(dá)到設(shè)定卸載點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)裝置開(kāi)始工作。當(dāng)卸載閥保持一個(gè)張度在3 min以上，壓縮機(jī)就會(huì)自動(dòng)卸載，在卸載狀態(tài)下，外部用氣系統(tǒng)壓力下降至設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)重新運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 間歇式控制模式

3.6 自動(dòng)雙重模式控制

自動(dòng)雙重模式控制與間歇模式控制之間存在一定的相似因素，其差異為壓縮機(jī)的末端排氣與壓力達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)，雙重模式的進(jìn)氣閥會(huì)對(duì)壓縮氣體進(jìn)行節(jié)流。從而降低電機(jī)系統(tǒng)的電流，進(jìn)氣閥的開(kāi)度就會(huì)降低，直至電流達(dá)最小值。

如果壓縮機(jī)內(nèi)部排氣壓力不斷上升，卸荷閥就會(huì)開(kāi)啟以維持設(shè)定的末端排氣壓力，如果卸荷閥的張度達(dá)到卸載值且超過(guò)設(shè)置時(shí)間時(shí)，壓縮機(jī)就會(huì)開(kāi)啟全部卸荷閥，進(jìn)氣閥全部關(guān)閉。此時(shí)空氣壓縮機(jī)會(huì)在卸載模式下運(yùn)行，當(dāng)外部用氣系統(tǒng)壓力低于壓力設(shè)定時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)重新啟動(dòng)，進(jìn)行循環(huán)工作。

3.7 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制邏輯

在離心式壓縮機(jī)運(yùn)作之前，在控制面板設(shè)置好進(jìn)氣閥以及卸載閥的模式，選擇為AUTO即自動(dòng)擋進(jìn)行運(yùn)行，壓縮機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。對(duì)離心式壓縮機(jī)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的設(shè)定因素包括最大電流值、最小電流值、末端排氣壓力值、電機(jī)電流值。在設(shè)定好數(shù)值后，離心式壓縮機(jī)正常運(yùn)行PLC分析輸入的數(shù)據(jù)，并發(fā)出調(diào)節(jié)、執(zhí)行指令，首先提升電機(jī)電流以擴(kuò)大氣閥張度，將電流量控制在設(shè)定范圍內(nèi)，或是降低卸載閥張度。當(dāng)外部用氣量驟降導(dǎo)致末端排氣壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)降低電機(jī)電流縮小進(jìn)氣閥張度或是擴(kuò)大卸載閥張度。

從影響要素分析來(lái)看，電機(jī)電流能夠控制進(jìn)氣閥的張度，卸載閥張度根據(jù)末端排氣壓力進(jìn)行變化。由運(yùn)行模式選擇進(jìn)氣閥以及卸載閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)模式來(lái)看，無(wú)論是進(jìn)氣閥或是卸載閥都會(huì)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)，從而保證壓縮氣體壓力穩(wěn)定，保證運(yùn)行質(zhì)量[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器自動(dòng)化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，離心式壓縮機(jī)是煤化工作中應(yīng)用較為頻繁且重要的設(shè)備，在人工操作的情況下，有可能會(huì)出現(xiàn)一定錯(cuò)誤，應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠有效降低人為失誤，同時(shí)降低人工成本，提升機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定，滿(mǎn)足工作需求，提升煤化工作質(zhì)量。