空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制改造研究

張 濤

（山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 古交 030200）

引言

空分系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中重要的制氧系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)提供必要的氧氣、氮?dú)夂推渌∮袣怏w。隨著我國工業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展，空分系統(tǒng)機(jī)組是否可以穩(wěn)定安全運(yùn)行直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)出效能。根據(jù)空分工藝的不同，空分系統(tǒng)主要由空壓機(jī)系統(tǒng)、增壓機(jī)系統(tǒng)和冷箱系統(tǒng)等六大結(jié)構(gòu)組成[1]，其設(shè)備流程如圖1 所示。

圖1 空分系統(tǒng)設(shè)備流程圖

由上圖可知，增壓機(jī)系統(tǒng)作為空分系統(tǒng)的重要組成部分，主要起著“中間樞紐”的作用，其可靠性對于整個(gè)空分系統(tǒng)的平穩(wěn)性有著十分重要的作用。在增壓機(jī)系統(tǒng)中，核心部件為防喘振保護(hù)控制，但是增壓機(jī)防喘保護(hù)控制部分經(jīng)常會(huì)發(fā)生虛報(bào)喘振，導(dǎo)致增壓機(jī)停車或者增壓機(jī)無法消除喘振，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞的現(xiàn)象。為了減少事故率，提高生產(chǎn)安全性，對空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制的改造研究勢在必行。

1 空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制系統(tǒng)構(gòu)成

一般空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制系統(tǒng)由現(xiàn)場閥門定位器控制和DCS 控制器兩部分組成[2]。現(xiàn)場閥門定位器接受防喘控制系統(tǒng)的輸出信號，然后以該輸出信號區(qū)控制閥門。DCS 控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，采取操作管理集中、控制分散的工作原理。防喘系統(tǒng)的功能原理圖如圖2 所示。

圖2 空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制原理圖

由上圖可以看出，在確定了增壓機(jī)喘振線后，在其基礎(chǔ)上向右平移10%得到控制線[3]。當(dāng)空分系統(tǒng)增壓機(jī)滿速運(yùn)行后，DSC 控制器發(fā)出信號，防喘閥電磁閥通電。此時(shí)防喘閥門是處于全部關(guān)閉狀態(tài)，增壓機(jī)在控制線下的穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行。當(dāng)增壓機(jī)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)，運(yùn)行超過控制線時(shí)，防喘振控制系統(tǒng)會(huì)迅速判斷，然后將判斷結(jié)果以電信號的方式傳至防喘閥門定位器，下達(dá)防喘保護(hù)命令。此時(shí)通過定位器控制閥門的操作使增壓機(jī)向遠(yuǎn)離喘振線的方向運(yùn)行。

通過現(xiàn)場工作報(bào)告和歷史故障參數(shù)得知，現(xiàn)場閥門定位器和DCS 控制中的位移傳感器是故障率最高的結(jié)構(gòu)。這些部件適應(yīng)不同工作環(huán)境的能力較差，特別是在長期振動(dòng)的工作環(huán)境中。因?yàn)楝F(xiàn)場閥門定位器和位移傳感器都位于增壓機(jī)的工藝管道上[4]，在進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，受到系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)影響較大，所以定位器和傳感器發(fā)生故障在所難免。

2 增壓機(jī)防喘控制技術(shù)改造方案

2.1 閥門定位器的優(yōu)化

為了滿足閥門定位器的抗振性，同時(shí)保證定位作業(yè)的穩(wěn)定性，將現(xiàn)有的閥門定位器可以更換為分列式智能定位器。以某型號的分列式智能定位器為例，它具有抗振性好、閥門初始化簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足不同工作環(huán)境下的定位需求[5]。此外，由于分列式智能定位器集合度較高，大大減少了增壓機(jī)中的元件數(shù)量。

分列式智能定位器與DCS 的接線方式如圖3所示。在定位器安裝完成后手動(dòng)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成定位器初始化過程。初始化過程是根據(jù)輸入信號源和執(zhí)行器的正反作用，自動(dòng)完成關(guān)閉閥門和開啟閥門的操作。如果在初始化過程中發(fā)生錯(cuò)誤，定位器系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對參數(shù)和閥門進(jìn)行機(jī)械檢查，完成修正和再次檢查后重新開始初始化操作。

圖3 分列式智能定位器與DCS 接線方式

2.2 控制參數(shù)的優(yōu)化

在增壓機(jī)開始工作，到完全狀態(tài)運(yùn)行的過程中，當(dāng)增壓機(jī)工況越至控制線外端的不穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，定位器調(diào)節(jié)閥門會(huì)受到防喘控制系統(tǒng)控制信號的影響來實(shí)現(xiàn)控制喘振。在增壓機(jī)運(yùn)行過程中，氣體的平均動(dòng)能顯著增加，由于壓縮升溫作用，增壓機(jī)內(nèi)部的分子勢能也隨之增加，這些能量變換都可以氣體內(nèi)能增加的形式定義。當(dāng)增壓機(jī)內(nèi)氣體內(nèi)能增加后，增壓機(jī)需要做更多的功來克服增加的氣體內(nèi)能。增壓機(jī)增加做功會(huì)導(dǎo)致其出口壓力減小，從而導(dǎo)致壓比（增壓機(jī)出口壓力與入口壓力的比值）降低。而壓比和喘振的發(fā)生有直接的關(guān)系，所以隨著增壓機(jī)的工作壓比發(fā)生變化，喘振線也會(huì)受到影響。圖4 為喘振線受吸入溫度影響的變化曲線。

圖4 吸入溫度對喘振影響曲線

由上圖可以看出，溫度升高會(huì)使增壓機(jī)喘振線向右側(cè)移動(dòng)，增壓機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象的工況范圍變小。當(dāng)吸入溫度為10 ℃時(shí)，增壓機(jī)工況A 點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)，表現(xiàn)為位于喘振線內(nèi)。當(dāng)吸入溫度達(dá)到20 ℃時(shí)，工況A 點(diǎn)接近喘振線。當(dāng)吸入溫度到達(dá)30℃時(shí)，工況A 點(diǎn)已經(jīng)在喘振線之外，這時(shí)增壓機(jī)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。

為了保證增壓機(jī)在工作時(shí)工況位于控制線內(nèi)，將吸入溫度作為增壓機(jī)入口流量的重要參數(shù)之一。根據(jù)以下公式，將吸入溫度帶入到增壓機(jī)防喘振計(jì)算中來，消除溫度變化對喘振線的影響，增加喘振線的準(zhǔn)確性。

式中：Qd為達(dá)到膨脹系數(shù)時(shí)孔板的流量值；Δp 為增壓機(jī)入口處的差壓；ps為標(biāo)準(zhǔn)狀況下孔板最大流量時(shí)的壓力值；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；t 為增壓機(jī)的吸入溫度；Δps為標(biāo)準(zhǔn)狀況下孔板最大流量時(shí)的壓力差值；p絕為絕對壓力變送器測得的吸入壓力值；ts為標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度。

3 改造效果研究

根據(jù)空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘改造技術(shù)，以某種信號空分系統(tǒng)增壓機(jī)為例，對其防喘振系統(tǒng)進(jìn)行了長達(dá)3 個(gè)月的測試觀察。在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，空分系統(tǒng)增壓機(jī)的防喘閥門控制十分精確。此外，根據(jù)入口流量和吸入溫度對喘振線相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升。增壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，閥門較以前更為靈敏，沒有發(fā)生過因?yàn)槎ㄎ黄髡`差導(dǎo)致的停機(jī)事故。

4 結(jié)論

為了提高空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制的穩(wěn)定性，通過對增壓機(jī)防喘系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的改造優(yōu)化，得到了以下結(jié)論：

1）影響增壓機(jī)防喘控制穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)元件包括閥門定位器控制和DCS 控制器，因?yàn)樵匦院凸ぷ鳝h(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致了防喘控制系統(tǒng)出現(xiàn)偏差。

2）采用分列式智能閥門定位器可以減少閥門定位器誤操作對增壓機(jī)的影響，提高增壓機(jī)防喘系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）吸入溫度會(huì)對增壓機(jī)防喘系統(tǒng)喘振線產(chǎn)生影響，通過控制參數(shù)的優(yōu)化可以提高喘振參數(shù)的準(zhǔn)確性。

根據(jù)上述結(jié)論改造后的空分系統(tǒng)增壓機(jī)防喘控制具有穩(wěn)定性好、抗振性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。