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制氮机(制氮系统)在的应用和操作

前言
沙钢集团650万t热卷板工程配套6套
21000m /h无氢制氩空分设备。主体设备由杭氧生
产,空压机采用美国Copper公司3MSG.25/10型三
级压缩的压缩机,配套ABB公司9800kW 电机,软
启动器为HTR.10000S柜式高压热变电阻。目前5
套空分设备已经投产,第六套在建。其中第一、第
二套空压机的控制系统采用原厂专用QUAD2000控
制器(单片机)。后由于空压机控制器及其电源问
题导致频繁停车,就决定后建设的4套空分设备的
空压机改用DCS系统(Yokogawa Centum CS3000)
控制,沙钢自行组态设计。
1 开停车的控制方案
将空压机的压力、温度、振动、位移及电流等
模拟量直接接入DCS系统,DCS系统到电控柜的
开关量信号通过机旁PLC系统执行控制。并可实
现电控柜现场开停车或远程DCS系统全自动控制
开停车功能。
空压机的控制要求压缩机在空分工艺要求的压
力、流量变化范围内安全运行,实现机组的启动、
加载、卸载及故障联锁停车等一系列自动控制功
能。核心内容是DCS系统根据出口压力和电机电
流的测量值,通过多个控制模块调节入口导叶阀
(IGV)和防喘振放空阀(BOV,快速气动阀)两者
的开度,使两阀协调动作,保证出口压力稳定、工
况远离喘振区(如图1所示)。V3002放空阀(带
电磁阀、气动放大器)仅作为BOV的补充和空气
预冷系统压力低联锁放空使用,不参与核心控制。
IGV和BOV均设有自动(AUTO)和手动(MAN)
两种操作位置,以便于人为干预操作。手动操作时
分别用手操器MIGV和MBOV。
2 空压机的控制原理 制、电机过载保护控制和防喘振控制等。
空压机的控制原理如图2所示,包括恒压控
图1 空压机气路控制图
IGV一入口导叶阀,气开式、4—20mADC (O一100%) B0V一防喘振放空阀,气闭

式、4 20mADC (O 100%)
IIc3200一电机过载保护模块PIC3009-,~,口压力控制模块 nc3200一防喘振控制

模块 PIc3Ol1一压力帽控制模块
MB0V一防喘振阀手操器 MIGV一入口导叶手操器HC3001- V3001送气阀手操器

PIC3002-V3002放空阀控制模块
图2 空压机控制原理图
KIY3001A-~Jl载速率限定模块 KIY3001B-it~载速率限定模块KPY30o9一防喘振曲

线计算模块
KPY3011-~力帽计算模块 AS1、AS2、As3一低值选择器 FOuT一分配器
2.1 恒压控制
空分设备的工艺要求空压机的出口压力尽可能
恒定(设计值为0.52MPa),这是最基本的控制要
求。空压机出口压力由恒压控制器PIC3009调节
(设定值SV为系统实际所需压力值),控制对象为
IGV。
2.2 电机过载保护控制
当空分设备后系统压力持续低于空压机出口压
力设定值(例如设备大气量进行加温吹扫时),恒
压控制器将控制入口导叶持续开大直至全开,此时
拖动电机有可能过载。为了防止电机过载,引入电
机过载保护控制器IIC3200 (设定值SV为电机额定
电流)调节导叶开度。
当电机电流超过额定值时,电机过载保护控制
器与恒压控制器进行低选,限定入口导叶的开度,
保护电机不过载。当然开车过程中也可以通过调整
IIC3200控制器的电流设定值来限定入口导叶的开
度;达到变负荷、低负荷工况操作的目的。
2.3 防喘振控制(流量控制)
空压机运行过程中始终存在压力和流量匹配的
问题(具体表现为压力和电机电流),特别是出现
高压力、小流量的情况极可能导致空压机发生喘
振,严重时损坏机组(引起高压力、小流量的原因
主要有操作不当或后系统故障引起的气量骤减等情
况)。因此防喘振控制非常重要, 目的是使空压机
始终工作在限定的范围内,而不进入喘振区,以确
保机组的安全运行。防喘振控制的对象是BOV。
当空压机工作点靠近喘振区时提前打开放空阀,增
大流量,使工作点远离喘振区。
空压机发生喘振时每个压力对应1个最小电流
值,压力与最小电流值呈线性关系构成喘振曲线
(如图3所示)。喘振线需在现场试车过程中实测得
出(通常测得3个喘振点,选择最合适的两点)。
由于喘振发生得非常快,所以在喘振线右侧设定1
条防喘振控制曲线,调节放空阀提前打开,与喘振
线相距5% ~8% 的流量值(不取电流量程,否则
能损大)。此偏移量越小,放空阀打开的机会就越
少,能量损失越少,但也越容易受阀门影响进入喘
振线以内;该量越大,放空阀打开的机会就越大,
能量损失越大,但越能保证机组的安全。该偏移量
值的选择很关键,需在开车过程中试验摸索。
喘振线方程式:Y=aX+b
式中:Y为轴对应压力;x为轴对应电流。

0
8

FIC3200值/A
图3 防喘振控制曲线图
将测得的两点喘振值代入方程式,求出a和b
的值就能确立喘振线。防喘振控制曲线方程式(C
取8%):
: (1+C)(Y—b)/a
在空压机控制原理图中,KPY3009和FIC3200
两控制器串联后构成防喘振功能,KPY3009控制器
根据喘振曲线和防喘振控制曲线方程式计算出相应
电流,FIC3200控制器调节放空阀开度,其设定值
SV为控制曲线电流,随空压机出口压力变化而变
化。机组工作点一旦达到喘振线,防喘振阀将快速
全开卸压(MBOV转“手动” 位置),想升压时
MBOV打“自动”位置。
2.4 压力帽控制
对于恒压控制的压缩机,单靠入口导叶的调整
还不足以确保出口压力稳定在设计值。当压力继续
升高并达到某值时,压力帽控制器开始起作用,打
开放空阀,与防喘振控制器低选,保护出口压力不
再升高。压力帽控制器实际上还起到预开放空阀的
作用。
2.5 启动联锁逻辑
在相关工艺和机械条件全部满足后,按“复
位”键程序初始化:
(1)所有报警、联锁信息复位。
(2)IGV处于手动全关状态,BOV处于手动全
开状态。
(3)加载限定器处于手动“0”位,卸载限定
器处于手动“0”位。
同时使空压机前电控、仪控正常,保证DCS
NR:1(无报警)、TRIP:0 (无联锁)及STOP CP
: 1(无停车事故,压缩机启动逻辑条件满足)才
可正常开车。从流程画面调用STOP CP位号,只有
当STOP CP=1时,可立即开车,按“启动”键。
在启动联锁程序中,原设有测振仪的振动联锁
倍增功能,但实际上启动过程中测振仪经常超量程
引起停车联锁。所以在启动程序中设计了“振动联
锁” 和“振动复位”开关,启动前振动联锁开关解
除。空压机启动成功后10s,IGV开度为10% ,空
压机低负荷运转。此时按“振动复位”键,将振动
联锁信息初始化,然后按“振动联锁” 键,将振
动、位移事故联锁程序投用,当然此过程也可设计
成程序控制完成。
2.6 加载控制
空压机电机启动50s后才可以加载,计时时间
一到,流程图有操作信息弹出提示。操作人员根据
情况可选择自动加载或手动加载方式。
自动加载过程:操作人员选择自动加载方式
时,先将恒压控制器PIC3009、手操器MIGV 和
MBOV均打“自动”位置,然后按“加载” 键进入
加载程序。此时加载速率限定器KIY3001A开始起
作用(在35s内MIGV开度从10%慢慢升至100% ,
同时MBOV 开度从0升至100%), 与PIC3009、
IIC3200控制器低选后调节入口导叶慢慢打开,与
FIC3200、PIC3011控制器低选后调节防喘振阀慢慢
关闭(见图2)。此时操作人员在防喘振曲线流程
图上可以实时监视压缩机的工作点,工作点在控制
线右侧向上向右移动。
手动加载过程:操作人员选择手动加载方式
后,入口导叶手操器(MIGV)和防喘振阀手操器
(MBOV)均置于“手动” 位置,在慢慢打开入口
导叶的同时慢慢关闭防喘振阀,两阀协调操作,保
证机组出口压力稳定上升,远离喘振区。加载结束
后两手操器置于“自动”位置。
2.7 卸载控制
卸载时按流程图画面上的“卸载” 键: ①
MBOV “自动”转“手动” 位置,BOV阀位从当前
值一下子降到0,快速全开;② 卸载速率限定器
(KIY3001B)开始起作用, 同时MIGV转“手动”
位置,限定IGV阀位在10s内从当前值降到10% ,
空压机小负荷运转。
此时如需加载,两手操器需转“自动” 位置,
然后按“加载”键,空压机自动加载。如需停车按
“停车” 键。
2.8 停车联锁逻辑
当机组出现任何一个重要的工艺参数(比如振
动、轴瓦温度等)高高报警或机组故障时,将紧急
停车, 以确保机组的安全。停车逻辑是电机停车,
BOV快速全打开,IGV关至10%。
计划停车过程:操作人员按“停车”键,机组
先卸载、慢关入口导叶到10% ,防喘振阀快速全
开,压缩机卸载至小负荷,然后停主电机,停车过
程结束。
故障联锁停车分为两种情况:① 由于停车联锁
条件满足(TRIP=1)而引起的停车过程,停压缩
机,防喘振阀快速全开,入口导叶慢关至10% ;
②在中控室紧急按钮台按下紧急按钮,电控直接停
车(不经过电控PLC),防喘振阀快速全开,入口
导叶慢关至10%。
故障停车处理后再启动时,必须经人工复位初
始化。
2.9 辅助油泵联锁逻辑
电机未启动或油压(PIAS3104)小于110kPa
时辅助油泵启动;当电机启动50s后、并且油压
(PIAS3104)大于190kPa时辅助油泵停机。
2.10 油箱加热器联锁
当辅助油泵运转并且供油温度(TIAS3105)小
于30℃ 时, 油箱加热器投运; 供油温度
(TIAS3105)大于40~C或者空压机启动时,油箱加
热器停机。
3 组态设计
Centum CS3000集散控制系统具有强大的数据
采集、过程控制、逻辑控制和顺序控制等功能,采
用Windows 2000操作系统,界面友好,所以设计控
制方案时尽量让操作人员参与以便于监视和操作。
3.1 流程图设计
流程图设计5个画面窗口,图中设计设备运
转、停运的色变(运转时变红色,停运时变绿色),
伴随信息报警提示操作人员。
(1) 空压机气路控制图: 图中有参与控制
IGV、BOV两阀的主要PID控制器, 同时在位号下
标示PID控制器的输出值MV,并将“启动、加
载、卸载、停车、复位、振动复位、振动联锁” 等
按键置于图上。
(2)空压机机械监控图:此图主要有振动、位
移、轴承温度位号以及油路系统。
(3)空压机启动条件图:图中将所有空压机启
动条件以表格形式列出,方便操作人员随时查看,
各位号设计色变功能,条件满足信息报警提示。
(4)事故停车记录图:图中将所有引起事故停
车的参数以及高限值以表格形式列出,有色变功
能。事故停车时记录下第一停车联锁事件,并以红
色标点标出。复位后消失。
(5)防喘振控制曲线图:操作人员可以在图中
查看空压机的工作点位置,及时调整各项控制器的
设定值,维持工况稳定。
3.2 组态设计时需注意的问题
历史趋势图窗口设计分实时趋势、历史长趋势
两种形式。
(1)振动、位移、压力和电流PID控制器的
PV、MV值等测点采用1 s扫描周期,作为实时趋势
主要用于查看启动过程中的振动值的最大值以及变
化趋势。
轴承温度等测点采用1min扫描周期,作为长
时间查看使用。
(2)各个位号通过设定操作级别、操作确认防
止误操作。其中压力控制器、手操器和按键等设定
为“班长级”可读可写;涉及到串级功能的、所有
数字量输出DO点设定为“工程师级” 只可读不可
写。
(3)程序组态设计采用Yokogawa公司特有的
顺控表和逻辑图相结合的方法,减少编写难度,同
时阅读直观且易于修改。
4 操作步骤
4.1 开车过程
当空压机经过原始开车性能测试后,得到各压
力状况下的喘振点,计算出防喘振控制曲线,并且
对各仪表测点的报警联锁值核对确认,启动、加
载、卸载及事故停车等程序测试确认准确后,就具
※ ※
备全自动开车条件,空压机可以投入正常生产。当
然空压机开车还应遵循以下开车顺序:
(1)开车准备:先通冷却水、仪表气源,检查
入口导叶阀、防喘振放空阀等动作准确性,现场仪
表、仪控及电控系统等保证正常,机械设备正常;
机旁电控柜上,将各类选择转换开关置于“自动”
位置,进行仪控自动运行,软启动器接于主回路
上,开排烟风机。此时辅助油泵和油箱加热器等受
DCS系。统自动控制,及时查看供油压力、供油温
度。
(2)开空压机之前按“复位”键初始化, “振
动联锁” 开关置于“OFF”位置。
(3)按“启动”键,空压机运转正常后,先按
“振动复位”键,然后将“振动联锁”置于“ON”
位置。
(4)电机启动50s后,加载信息提示后,压力
控制器PIC3009、手操器MIGV、MBOV转“自动”
位置,按“加载”键。
4.2 停车过程
(1)正常停车:按“停车”键。
(2)事故停车:全自动过程,DCS系统控制电
机停车,卸载步序。
(3)紧急停车:中控室按钮台按下紧急按钮,
电机直接停车,卸载步序。
5 结束语
沙钢空分设备空压机改用Centum CS3000系统
自动控制后,运转正常,此类控制程序可推广到空
分设备中的透平增压膨胀机、透平氧压机和透平氮
压机的自动控制。