摘要：本文簡述了天津鋼鐵有限公司動力廠28000Nm3/h制氧空分裝置中氮氣縮機(jī)在實際用戶管網(wǎng)用氣量很不穩(wěn)定情況下，采用DCS自動控制的原則、實施方法。詳細(xì)介紹了基本控制、防喘振保護(hù)控制等氮壓機(jī)主要控制的內(nèi)容。 　　關(guān)鍵詞：28000Nm3/h空分設(shè)備；氮壓機(jī)；防喘振控制；起動及事故邏輯聯(lián)鎖；出口壓力控制。 　　1：控制原則 　　氮壓機(jī)的基本控制要求是在保證安全平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的前提下充分利用氮壓機(jī)允許的工作區(qū)，讓機(jī)組工作在工藝要求的壓力和用量變化范圍內(nèi)，工況穩(wěn)定可靠，操作方便，自動化程度高。氮壓機(jī)的工作狀態(tài)盡可能地對操作人員開放，便于故障分析和操作，有較長的歷史趨勢可查。 　　由于實際用戶管網(wǎng)用氣量很不穩(wěn)定，當(dāng)用戶使用氮氣時，用氣量在兩分鐘內(nèi)由0NM3/H躍升至20000NM3/H，而當(dāng)用戶不使用氮氣時，用氣量也會很快地由20000 NM3/H降至0NM3/H。 　　2： 控制方案 　　由于一期12000NM3/H空分裝置壓縮機(jī)機(jī)組全部由機(jī)組自帶的控制系統(tǒng)(PLC)控制，采用通訊的方法，將機(jī)組的主要參數(shù)傳送到DCS，在DCS操作站上僅僅進(jìn)行顯示，達(dá)到監(jiān)察的目的。 　　雖然PLC的掃描速度快，對保護(hù)有利。但其存在著PLC的安全可靠性不如DCS，人機(jī)界面較差，機(jī)組工作狀態(tài)對操作人員透明程度低，用戶難以深入了解和理解控制方案，現(xiàn)場修改困難，歷史趨勢記錄功能較差等缺點。鑒于以上情況28000NM3/H空分裝置中壓縮機(jī)組均采用DCS自動控制，壓縮機(jī)只配備必要的現(xiàn)場儀表、探頭和傳感器，現(xiàn)場不設(shè)機(jī)旁儀表盤，由中控室DCS（采用YOKOGAWA CENTUM CS3000系統(tǒng)）控制整個機(jī)組，以充分發(fā)揮DCS系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢。該方法要求設(shè)計人員熟悉壓縮機(jī)組的原理、性能和操作過程?？刂品桨缚梢栽谠O(shè)計組態(tài)和調(diào)試過程中不斷修改，可以做得非常完善。特別是人機(jī)界面非常友好和清晰，在DCS系統(tǒng)中，可以做到控制線、喘振線、工作點、控制點和喘振點隨著各級入口溫度、機(jī)組入口和出口壓力的變化自動補(bǔ)償并動態(tài)顯示(如圖1中的1、2和3點)。操作工對機(jī)組的運行狀況如工作點位置、控制點位置、喘振點位置一目了然，且對起動過程中各過程參數(shù)的變化心中有數(shù)。歷史趨勢記錄功能極強(qiáng)，便于分析起動過程和故障，實時修改控制參數(shù)或控制方案。 　　與主壓縮機(jī)相比，氮壓機(jī)與工藝過程聯(lián)系得更緊密，有些參數(shù)在調(diào)試過程中要經(jīng)常改動，所以氮壓機(jī)的控制在中控室DCS系統(tǒng)上實現(xiàn)更為必要，同時實現(xiàn)難度也相當(dāng)高。 　　3： 氮壓機(jī)的主要控制內(nèi)容 　　3.1 基本控制 　　根據(jù)工藝的要求，氮壓機(jī)控制采用了恒壓控制，這是機(jī)組最基本的工藝控制。其余的控制如防喘振控制、電機(jī)過載保護(hù)控制、自動加載起動和事故聯(lián)鎖保護(hù)停車控制等均是為了機(jī)組的安全運行而設(shè)。 　　3.2 防喘振保護(hù)控制 　　防喘振控制是氮壓機(jī)控制的核心部分。氮壓機(jī)產(chǎn)生喘振的直接原因是由于氮壓機(jī)進(jìn)口流量與出口壓力不匹配，造成氮壓機(jī)軸向低頻大振幅周期性氣流震蕩。喘振使氮壓機(jī)的性能惡化，氣流參數(shù)（壓力、流量）產(chǎn)生大幅波動，噪聲和震動加劇，嚴(yán)重時足以損壞氮壓機(jī)。因此防喘振控制是一個重要的安全控制，防喘振系統(tǒng)就是通過調(diào)節(jié)入口閥開度和旁通閥開度來控制氮壓機(jī)的流量和出口壓力，目的是使氮壓機(jī)工作點始終處在限定的范圍內(nèi)，而不進(jìn)入喘振區(qū)，以確保機(jī)組的安全運行。它的保護(hù)范圍為機(jī)組的整個工作范圍，一般來說氮壓機(jī)防喘振控制的對象是放空閥。 　　由于本套氮壓機(jī)只在送出管道上設(shè)計了一個電磁流量計，而放空管道上沒有流量監(jiān)測，并且入口管道上也未設(shè)計流量監(jiān)測儀表，設(shè)備在防空時，造成流量測量不完全。鑒于現(xiàn)場實際情況，采用氮壓機(jī)電機(jī)電流與末級出口壓力進(jìn)行監(jiān)測實現(xiàn)防喘振控制。 　　氮壓機(jī)的防喘振線在現(xiàn)場試車過程中實測出來，考慮到系統(tǒng)的動態(tài)特性，喘振發(fā)生得非?？?，控制系統(tǒng)必須能識別喘振極限線有否被越過，對控制系統(tǒng)掃描周期有較高要求，因此在現(xiàn)場與廠商試車人員取得共識，在喘振線右側(cè)設(shè)定一條控制線，其形狀與喘振線一致，但與控制線相距10％的電流量程值（該距離越小，放空閥打開的機(jī)會就越少，能量損失越少，但對控制系統(tǒng)、閥門的響應(yīng)時間要求越高，該距離越大，放空閥打開的機(jī)會就越大，越能保證機(jī)組的安全，但能量損失越大）。 　　喘振曲線示意圖如圖1： 喘振曲線示意圖 　　圖中虛線喘振線為理論喘振曲線，實際程序設(shè)計中采用“三線法”計算喘振曲線值，三線如圖a、b、c所示，數(shù)學(xué)模型分別為： y1=k1*x1+a、y2=k2*x2+b、y3=k3*x3+c 　　控制中，當(dāng)壓力一定時，即y值一定時，取三方程式中x最小值為喘振電流值；當(dāng)電流一定時，即x值一定時，取三方程式中y最大值為喘振壓力值，并由喘振壓力值計算得到喘振報警值。喘振曲線由控制程序根據(jù)設(shè)備實際運行狀況動態(tài)計算得到。 　　3.3 電機(jī)過載保護(hù) 　　為防止電機(jī)過載，設(shè)置了電機(jī)過載保護(hù)。當(dāng)電機(jī)電流超過額定值時，電機(jī)過載保護(hù)調(diào)節(jié)器(IC2311)開始與原出口壓力調(diào)節(jié)器(PIC1051)同時疊加在一起，調(diào)整氮壓機(jī)人口閥的開度，保護(hù)電機(jī)不過載。 　　3.4 出口壓力過高保護(hù)控制 　　對于恒壓控制的氮壓機(jī)，入口閥開度的調(diào)整還不能使出口壓力穩(wěn)定在設(shè)計值而繼續(xù)升高并達(dá)到某一值時，出口壓力過高保護(hù)調(diào)節(jié)器(PC1051)開始起作用，與防喘振調(diào)節(jié)器(PDC1055)一起調(diào)整放空閥的開度，保護(hù)出口壓力不再升高。 　　3.5氮壓機(jī)啟停條件及過程的邏輯控制設(shè)計 　　3.5.1 在相關(guān)的工藝或機(jī)械條件全部滿足后，氮壓機(jī)啟動邏輯條件滿足，送現(xiàn)場電機(jī)勵磁柜允許啟動信號，在這個邏輯里，包括了油壓聯(lián)鎖邏輯即副油泵的自動起動邏輯以及軸振動聯(lián)鎖在起動過程中的解除。在啟動過程中機(jī)組的振動應(yīng)用了測振儀的報警倍增功能，在起動過程使機(jī)組的振動和位移既在安全監(jiān)控范圍內(nèi)又能順利地渡過臨界區(qū)，完成起動過程。 　　氮壓機(jī)起動前，先判斷起動條件是否滿足。 　　氮壓機(jī)的起動條件是：入口閥處于起動位置、放空閥全開、電控正常、無聯(lián)鎖停車事故、油溫達(dá)到起動溫度、油壓正常、冷卻水流量正常、重新起動時間限制已到上述起動條件滿足，機(jī)旁柜允許起動信號燈亮，電機(jī)允許起動。電機(jī)起動后，測振儀報警倍增30秒。需要注意的是，如果振動值超過了二倍增，氮壓機(jī)在報警兩倍增時間內(nèi)仍然聯(lián)鎖停車。30秒后，報警倍增解除。在氮壓機(jī)同步運轉(zhuǎn)后，氮壓機(jī)開始自動加載。 　　開車前電控要將輔油泵轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動位置，先開輔助油泵提供油壓。電機(jī)同步運行以后，齒輪泵運行起來，延時60秒停輔油泵。當(dāng)供油總管壓力低于設(shè)定值（0.126MPa）或電機(jī)停車時，DCS自動起動輔助油泵。 　　3.5.2 氮壓機(jī)停車邏輯（NTCSTOP） 　　當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)任何一個重要的工藝參數(shù)（比如振動或位移，軸承溫度等）超限或機(jī)組故障時，將緊急停車，以確保機(jī)組的安全。事故停車處理后再起動時，必須經(jīng)人工確認(rèn)。停車邏輯的結(jié)果是電機(jī)停車，放空閥快速全打開，氮壓機(jī)入口閥全關(guān)，在空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)或分子篩純化系統(tǒng)發(fā)生故障時，聯(lián)鎖的動作是卸載，即放空閥全開，氮壓機(jī)入口閥均在最小位置(設(shè)置在10％)，電機(jī)不停車，機(jī)組在小負(fù)荷下工作。 　　機(jī)組正常停車的卸載、卸壓和停車操作由操作員在中控室DCS空壓機(jī)流程圖上實現(xiàn)。 下列事故只要發(fā)生一個，氮壓機(jī)立即停車，它們是： 　　各級軸振動： VXIAS1568、VYIAS1568、VXIAS1569、VYIAS1569、VXIAS1570、VYIAS1570、VXIAS1571、VYIAS1571、VXIAS1572、VYIAS1572 　　電機(jī)軸承溫度： TIAS1590、TIAS1591 　　氮壓機(jī)定子線圈溫度： TIAS1592、TIAS1593、TIAS1594 　　供油總管油壓： PIAS1589 　　供油總管溫度： TIAS1588 　　吸入壓力： PIAS1550 　　密封氣壓力： PSLL1554、PSLL1556、PSLL1558、PSLL1560 　　停車動作是：氮壓機(jī)電機(jī)停車、放空閥V1566全開、入口閥關(guān)至8％、輔助油泵起動。 控制室的緊急停車按鈕用于在中控室緊急停氮壓機(jī)。 　　在正常情況下，如果要停氮壓機(jī)，應(yīng)該先輕載氮壓機(jī)（放空閥與入口閥配合操作），輕載后，用氮壓機(jī)氣路圖上的“停氮壓機(jī)”按鈕停車。 　　3.5.3 氮壓機(jī)的起動、自動加載、自動恢復(fù) 　　氮壓機(jī)可在就地電控柜或中控室起動。 　　如果在中控室起動，須將就地的起動轉(zhuǎn)換旋鈕旋至“自動”，在收到電氣的允許儀控起動氮壓機(jī)信號后，由操作員在氮壓機(jī)起動流程圖中用“起動氮壓機(jī)”按鈕來起動氮壓機(jī)。 　　電機(jī)允許加載信號到來時，氮壓機(jī)的入口閥將由起車位置8％跳變到最小開度15％。入口閥跳變到15％，并且由爬坡器將入口閥開度繼續(xù)開大的同時，由爬坡器將放空閥從100％開始關(guān)閉。當(dāng)排氣壓力打到設(shè)定值時，恒壓控制器投入自動，入口閥將處于自動控制狀態(tài)；當(dāng)電機(jī)電流小于防喘振控制線時，防喘振控制器投入串級，放空閥將處于自動控制狀態(tài)。然后操作員可以修改壓力設(shè)定值，使氮壓機(jī)運行在額定壓力，到此，氮壓機(jī)起動完畢，操作員可以開送氣閥向氮氣管網(wǎng)送氣，需要注意的是，送氣閥必須緩開，關(guān)閉時必須緩關(guān)。 　　當(dāng)?shù)獕簷C(jī)的控制投入自動后，嚴(yán)禁操作員將入口閥的恒壓控制器及防喘振控制器投入手動。 　　另外，還設(shè)置了防超壓控制器PICA1566，如果排氣壓力高于設(shè)定值，放空閥將開啟卸壓。還設(shè)置了電機(jī)過流保護(hù)，如果電機(jī)電流高于設(shè)定值，入口閥將關(guān)小，降低氮壓機(jī)負(fù)載。 遇到下面幾種情況之一，氮壓機(jī)將輕載： 　　　　排氣壓力超高，大于2.5MPa；氮壓機(jī)喘振；操作員通過HS1503強(qiáng)制氮壓機(jī)輕載。 輕載動作：入口閥限位至15％，放空閥全開在故障消除后，操作員可通過氮壓機(jī)氣路圖上的“恢復(fù)加載”按鈕來自動恢復(fù)加載氮壓機(jī)，過程與起動時相同。 　　4：加載過程及卸載程序 　　機(jī)組廠商為了避免誤操作、減小操作強(qiáng)度，要求采用自動起動機(jī)組的方式。在自動起動時不允許人為操作，僅當(dāng)起動完成或機(jī)組已投入正常運行后，操作工可以進(jìn)行卸載、卸壓的操作，即：入口閥只能在原來的開度基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)小的操作（設(shè)置入口閥安全手操器HC1051），放空閥只能在原來的開度基礎(chǔ)上進(jìn)行開大的操作(設(shè)置了防喘振閥安全手操器HC1055)，限制操作工只能向安全方向操作避免誤操作是有實際意義的。入口閥控制方案見 圖2,防喘振閥控制方案見圖3。 圖2：入口導(dǎo)葉控制示意圖 圖3：防喘振閥控制示意圖 　　另外，由于本機(jī)組入口閥為碟閥，其動作特性遠(yuǎn)低于導(dǎo)葉閥，所以適量的控制調(diào)節(jié)器輸出閥門的開度極限及PID參數(shù)，也為防喘振控制起到了很大的幫助。 　　在試車過程中，后續(xù)工況的不穩(wěn)定導(dǎo)致氮壓機(jī)的運行工況變化很大，氮壓機(jī)的邏輯控制方案有效的避免了機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)，既保證了機(jī)組安全運行，同時也避免了氮壓機(jī)的頻繁停車，保障了工藝生產(chǎn)的連續(xù)性;生產(chǎn)運行實踐證明該控制方案是有效和可靠的。 　　作者簡介：劉震，男，籍貫天津市，大專學(xué)歷，主要從事制氧機(jī)DCS控制系統(tǒng)組態(tài)維護(hù)及在線儀表閥門維護(hù)工作。