空分增壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造

趙東華,邱發(fā)春,馮偉,張超

制氧

空分增壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造

趙東華,邱發(fā)春,馮偉,張超

（張家口紫光氣體公司，河北張家口075100）

介紹了張家口紫光氣體公司6#空分系統(tǒng)增壓機(jī)節(jié)能改造的具體實(shí)施情況，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制，降低了空分的能耗。

空分系統(tǒng)；增壓機(jī)；控制系統(tǒng)；節(jié)能

1 引言

張家口紫光氣體公司6#15000 m3/h空分系統(tǒng)為內(nèi)壓縮流程，增壓機(jī)為二段串聯(lián)的6級離心式壓縮機(jī)，每段分三級，各有導(dǎo)葉、回流閥、放空閥一臺。其DCS控制系統(tǒng)為ABB控制系統(tǒng)。增壓機(jī)是空分系統(tǒng)中的主要耗電設(shè)備，6#空分增壓機(jī)投產(chǎn)以來，一段導(dǎo)葉開度85%、回流閥開度6%，二段導(dǎo)葉開度20%、回流閥開度27%，空分單耗居高不下，長期在0.69 kW·h的水平，日耗電在10萬kW·h左右的高值，在2012年廠優(yōu)化生產(chǎn)工藝及技改工作會議上廠部提出對6#空分增壓機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化改造。

2 改造方案

2.1 總體思路

該項(xiàng)目在增壓機(jī)起、停車操作及連鎖邏輯仍然由“ABB”控制系統(tǒng)來完成的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套CCC Vanguard S5 Duplex控制系統(tǒng)。ABB和3C控制器之間通過必要的信號來實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)，6#空分增壓機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能就是自動調(diào)節(jié)增壓機(jī)的一、二段排壓操作點(diǎn)，使操作點(diǎn)向喘振控制曲線右側(cè)移動，以實(shí)現(xiàn)操作點(diǎn)的所謂“卡控”邊控制，降低制氧單耗，確定一個合適的喘振控制裕度，再根據(jù)喘振發(fā)生的特點(diǎn)通過一些特定的控制響應(yīng)來控制防止喘振的發(fā)生。優(yōu)化控制主要是通過以下幾方面來實(shí)現(xiàn)真正的防喘振控制與性能控制：

（1）根據(jù)喘振發(fā)生的特點(diǎn)，將閉環(huán)控制和各種開環(huán)控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)防喘振控制。

（2）應(yīng)用極限控制、解耦控制和各種后備功能，提高了增壓機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）利用3C控制系統(tǒng)的快速測量、掃描、程序內(nèi)部的高速運(yùn)算速度，提高防喘振控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（4）采用系統(tǒng)總線、I/O卡件、CPU處理器、通迅網(wǎng)絡(luò)、模塊內(nèi)部電路均為雙重冗余結(jié)構(gòu)。

（5）實(shí)現(xiàn)自動變負(fù)荷操作，提高增壓機(jī)的效率，起到節(jié)能降耗的作用，減少用電量。

2.2 技術(shù)方案具體實(shí)施步驟

增設(shè)CCC Vanguard S5 Duplex控制系統(tǒng)一套，首先確定ABB機(jī)柜和3C機(jī)柜必要的來往信號，然后在ABB操作系統(tǒng)上改編增壓機(jī)起停車操作及連鎖邏輯，最后在增壓機(jī)起車后，通過儀表設(shè)備測量增壓機(jī)各參數(shù)計(jì)算3C控制器的喘振曲線，同時在3C控制系統(tǒng)的增壓機(jī)操作界面共建4個關(guān)鍵的控制器并定義它們的功能，實(shí)現(xiàn)自動加、卸載與防喘振控制。

（1）首先確定ABB機(jī)柜和3C機(jī)柜必要的來往信

號，通過表1中的信號來實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)，確定所需增設(shè)的儀器設(shè)備及其布置，信號線路的布置方式及連接方法。

表1 ABB機(jī)柜和3C機(jī)柜來往信號

（2）然后改編仍由ABB控制系統(tǒng)來完成的增壓機(jī)起停車操作及連鎖,以及由兩控制系統(tǒng)的來往信號邏輯圖。

（3）最后增壓機(jī)起車后，通過儀表設(shè)備測量增壓機(jī)參數(shù)計(jì)算3C控制器的各喘振控制曲線，在3C控制系統(tǒng)的增壓機(jī)操作界面共建4個控制器并定義它們的功能。

①計(jì)算3C控制器的各喘振控制曲線

因我廠增壓機(jī)為非標(biāo)設(shè)備，喘振控制中所需要的差壓必須進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，再得出SLL線與SCL線，如增壓機(jī)一段計(jì)算方法。

第一步：喘振公式：

第二步：SLL線：f（x）=dpoc/k×ps

式中，k——補(bǔ)償系數(shù)，k=0.18，k越大，斜率越大；

ps——PT-615；f（x）——縱坐標(biāo)。

第三步：SCL線：f（x）1=f（x）×1/〔（1-b）1/2-1〕

（注：b=0.2，先設(shè)定，在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行修定）

第四步：X=PT-619/PT-615

式中，PT-619——三級出口壓力；

PT-615——一級入口壓力；

X——橫坐標(biāo)。

第五步：根椐f（x）、X得出同一時刻的喘振曲線圖。

以上計(jì)算所需要的參數(shù)以及增壓機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生喘振的時間與喘振時的差壓值都可從歷史數(shù)據(jù)趨勢中找出。歷史數(shù)據(jù)趨勢圖見圖1。

圖1 歷史數(shù)據(jù)趨勢圖

②在3C控制系統(tǒng)的增壓機(jī)操作界面共建4個關(guān)鍵的控制器并定義它們的功能。

6#空氣增壓機(jī)3C操作界面建的4個控制器分別為：一段出口壓力控制器（PIC-619）；一段喘振控制器（FIC-620）；二段喘振控制器（FIC-623）；二段出口壓力控制器（PIC-632）。

3 本方案所采用的主要理論與技術(shù)

6#空分增壓機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能項(xiàng)目全面應(yīng)用防喘振控制器、性能控制器、解耦控制器等控制技術(shù)作為優(yōu)化控制的應(yīng)用平臺，進(jìn)行防喘振控制。但穩(wěn)定、節(jié)能的防喘振控制絕對離不開高速的測量數(shù)據(jù)采集速度、高分辨率的歷史趨勢數(shù)據(jù)顯示功能與快速的運(yùn)算功能。因此方案中必須增設(shè)一套高性能的CCC Vanguard S5 Duplex控制系統(tǒng)。

CCC Vanguard控制系統(tǒng)是真正的實(shí)時多任務(wù)開放式系統(tǒng)，采用先進(jìn)的安全型cPCI總線構(gòu)架；雙重化冗余容錯的硬件體系結(jié)合全面的冗余容錯技術(shù)和獨(dú)一無二的Fallback策略，使得系統(tǒng)可靠性達(dá)到

99.99%。先進(jìn)的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)將關(guān)鍵任務(wù)與非關(guān)鍵任務(wù)按優(yōu)先等級實(shí)施控制，保證系統(tǒng)的執(zhí)行速率不隨I/O點(diǎn)數(shù)增加而下降，如防喘振、調(diào)速和性能控制執(zhí)行速率為20 ms，使機(jī)組的精確控制成為可能。

它的主要技術(shù)特點(diǎn)在于：

（1）控制方式不同

傳統(tǒng)的防喘振控制一般只適用于簡單的單段壓縮系統(tǒng)，3C先進(jìn)的防喘振控制系統(tǒng)通常用于處理復(fù)雜的多段壓縮控制問題，并有階梯響應(yīng)、多段壓縮的解耦控制以及退守策略等控制方式。

（2）采樣周期和執(zhí)行周期不同

CCC Vanguard控制系統(tǒng)信號采樣周期：2.5 ms；執(zhí)行周期：系統(tǒng)任務(wù)——5 ms；控制任務(wù)——喘振控制、速度控制等壓縮機(jī)控制任務(wù)以及緊急停車聯(lián)鎖20 ms。更快于ABB控制系統(tǒng)。

（3）冗余范圍不同

所有與控制有關(guān)的部件（例如：IO卡件、控制器、內(nèi)部總線、IO擴(kuò)展、BUS等）都將按冗余容錯配置。比ABB控制系統(tǒng)多出IO卡件的冗余。

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 關(guān)鍵技術(shù)是防喘振控制器根據(jù)操作點(diǎn)的移動情況以操作點(diǎn)與偏差（DEV）為被控制變量將PI反饋控制和開環(huán)控制結(jié)合起來進(jìn)行防喘振控制，具體如下：

（1）對于緩慢的小的擾動使操作點(diǎn)進(jìn)入SCL左邊的喘振控制區(qū)，3C防喘振控制器的PI控制算法根據(jù)操作點(diǎn)與SCL之間的距離（DEV=e）產(chǎn)生相應(yīng)的比例積分響應(yīng)使操作點(diǎn)回到SCL右側(cè)的安全控制區(qū)。

（2）對于一個較大較快的擾動,當(dāng)比例積分/微分(PI&D)響應(yīng)不能使壓縮機(jī)的操作點(diǎn)保持在SCL線的右邊，而使操作點(diǎn)瞬間越過了SCL左邊的RTL，則3C防喘振控制器的循環(huán)跳閘響應(yīng)就會以快速重復(fù)的階躍響應(yīng)迅速打開防喘振閥，這樣就恰好可以增加足夠的流量來阻止喘振。

（3)在SLL左邊還有一條SOL，如果因意外的情況（如組態(tài)錯誤、過程變化、特別嚴(yán)重的波動）使壓縮機(jī)操作點(diǎn)越過SLL和SOL線而發(fā)生了喘振，則安全保險響應(yīng)（CRSO）就會重新規(guī)定喘振控制余度的寬度b（裕度）使喘振控制線右移，增加喘振控制線與喘振極限線間的距離，并在一個喘振周期內(nèi)將喘振止住。

4.2 在3C防喘振控制系統(tǒng)的調(diào)試投用過程中，碰到和解決的問題有：

（1）與3C防喘振控制器配套的測量儀表選用了反應(yīng)較快的變送器，原防喘振控制閥為響應(yīng)速度慢的等百分比控制閥，通過調(diào)整氣動繼動器提高控制閥的響應(yīng)速度，使控制閥可以在1.6 s以內(nèi)完成全開動作。

（2）要對變送器的阻尼進(jìn)行調(diào)整，特別是流量測量變送器，以消除信號噪聲對防喘振控制的不利影響。

（3）解決了3C控制器與ABB控制器間的通訊問題，使3C防喘振控制器上的信號可以在DCS上顯示，方便了操作人員的操作。

（4）解決了以往增壓機(jī)手動操作為主及起車與故障停車后恢算時間長的問題。

5 效益分析

表2是6#空分增壓機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能項(xiàng)目投用前后的過程增壓機(jī)數(shù)據(jù)比較結(jié)果。

表2 測試結(jié)果對比表

可以分析得出優(yōu)化控制投運(yùn)達(dá)到如下效果：

運(yùn)行期間增壓機(jī)電流和功率都有明顯的降低。通過對比可以看出，投用后增壓機(jī)壓機(jī)平均電流從410.32 A降低到370.4 A，有效功率從4061.62 kW降低到3638.5 kW，降低幅度為10.42%。

6 結(jié)束語

6#空分增壓機(jī)的控制系統(tǒng)優(yōu)化控制由于調(diào)試準(zhǔn)確，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，自開車以來從沒有發(fā)生過機(jī)組喘振現(xiàn)象，為空分系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保證。

The Energy-saving Optimization Revamping of Air Separation Booster System

ZHAO Donghua，QIU Fachun，F(xiàn)ENG Wei，ZHANG Chao
(Zhangjiakou Ziguang Gases Company,Zhangjiakou,Hebei 075100,China)

The energy-saving optimization project of boosters in the No.6 air separate system of Zhangjiakou Ziguang Gases Company is introduced in detail.After completion of the project,optimized control has been achieved and energy consumption of air separation has been reduced.

air separate system;pressure booster;control system;energy saving

TH45

B

1006-6764(2013)10-0029-03

2013－07－08

趙東華（1983-），男，2006年畢業(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)儀表專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事制氧設(shè)備維護(hù)維修管理工作。