鄭永義
(國家能源集團煤焦化有限責任公司,內(nèi)蒙古烏海 016040)
國家能源集團煤焦化西來峰分公司西來峰甲醇廠空壓機H1037防喘振控制自開工以來,防喘振回路一直在手動控制狀態(tài),升速系統(tǒng)為505控制,操作復雜,嚴重影響機組安全運行,能耗大。介于目前狀況,現(xiàn)改造為CCC 一鍵啟停機組控制系統(tǒng),并利用2021年10月份大檢修時完成改造,以達到全自動控制,穩(wěn)定工藝目標,實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。
(1)甲醇廠使用的DCS 為德國ABB 的AC900F,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)模擬量顯示、開關(guān)量顯示、模擬量控制、開關(guān)量控制、邏輯控制、聯(lián)鎖控制;但是制作不了防喘振曲線,實現(xiàn)不了入口壓力、出口壓力、出口流量控制,也就保護不了機組的安全運行。
(2)由于出口放空閥開度較大,為了達到出口壓力設(shè)定值,汽輪機經(jīng)常滿負荷運行,主汽門開度經(jīng)常在100%。當蒸汽壓力和溫度下降時,汽輪機轉(zhuǎn)速即發(fā)生下降,操作人員需要及時關(guān)小放空閥來穩(wěn)定出口壓力,操作難度大,如果放空閥關(guān)閉過多,容易使壓縮機發(fā)生喘振。
(3)放空閥開度大,機組機做功大。
(4)目前壓縮機入口導葉為手動調(diào)節(jié),自動化程度低,在操作中容易出現(xiàn)操作失誤現(xiàn)象或工藝波動時操作不及時,造成壓縮機波動。容易對設(shè)備本身造成損害(如干氣密封等),維修費用高等。
(5)Woodward 505 調(diào)速器自動化程度較低,無法實現(xiàn)壓縮機的全自動暖機升速、一鍵啟停等功能,操作繁瑣。
用一套專業(yè)的機組控制系統(tǒng)進行改造,達到全自動控制,穩(wěn)定工藝目標,真正實現(xiàn)黑屏操作重新計算并設(shè)定防喘振控制線。
現(xiàn)場實測喘振線,設(shè)定各控制回路的解耦協(xié)調(diào)控制,POC 控制和RT 控制,從而實施安全、高效的防喘振及性能控制。
需要將參與壓縮機組的壓力控制、防喘振控制所需要的空壓機入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度、出口流量等信號接入CCC 一鍵啟停系統(tǒng),輸出通過控制器、卡件、安全柵接到HV10016放空閥、FV10015防喘振閥、電液轉(zhuǎn)換器和入口導葉定位器。
本次改造涉及的控制回路包括:防喘振控制回路、入口壓力控制回路、出口壓力控制回路、轉(zhuǎn)速控制回路以及超速試驗回路。
在機組啟動過程中,導葉在最小位置,防喘振閥門在全開位置。在空壓機達到工作轉(zhuǎn)速區(qū)域時,防喘振控制器投入運行,自動關(guān)小防喘振閥門;同時壓力控制器通過分程調(diào)節(jié)導葉和轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)空壓機出口流量的自動控制。
(1)空分機柜間安裝一個防喘振控制機柜。
(2)空分操作室安裝工程師站1臺,甲醇中控操作室安裝操作員站1臺。
(3)DCS 空壓機入口壓力、入口溫度、出口溫度、出口壓力、出口流量信號通過一拖二安全柵接入防喘振控制機柜。
(4)505控制器轉(zhuǎn)速信號,電液轉(zhuǎn)換器控制信號接入防喘振控制機柜,由CCC 系統(tǒng)控制。
(5)防喘振控制閥HV10015、HV10016 及導葉PV10010由DCS 控制改為CCC 系統(tǒng)控制。
(6)DCS 聯(lián)鎖信號、允許啟動信號、防喘振電磁閥狀態(tài)信號送CCC 控制系統(tǒng),CCC 系統(tǒng)機組喘振信號送DCS 報警,CCC 系統(tǒng)停車信號送DCS。
(7)通過CCC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)空壓機防喘振控制功能。
修改入口壓力PT10010、出口壓力PT10015、出口流量FT10015變送器阻尼時間,提高儀表響應速度;HV10016防喘振閥動作緩慢,現(xiàn)場進行改造,在進氣缸入口處增加快排閥一個,提高閥門動作速度。
一鍵啟??刂葡到y(tǒng)提供了一種多用途、緊湊和經(jīng)濟的手段對汽輪機的轉(zhuǎn)速進行精確的控制,防止超速損壞并實施自動開車和停車程序。對于抽汽式汽輪機轉(zhuǎn)速控制,還可以同抽汽控制相結(jié)合以協(xié)調(diào)功率和抽汽流量或者壓力。對汽輪機驅(qū)動的壓縮機來說,CCC轉(zhuǎn)速控制可以同防喘振控制和性能控制相結(jié)合,對整個機組實施全機組控制,并且轉(zhuǎn)速控制的輸出信號同上述控制的輸出信號直接解耦,因而可以對整個機組實施更加精確的控制和有效的保護。
轉(zhuǎn)速控制主要功能概述:
(1)有效轉(zhuǎn)速范圍(Valid Speed Range)能夠可靠測量的轉(zhuǎn)速范圍。
(2)轉(zhuǎn)速控制范圍(Speed Control Range)能夠應用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制的范圍。
(3)正常操作范圍(Normal Operating Range)滿足工藝要求的正常操作的轉(zhuǎn)速范圍。
(4)臨界轉(zhuǎn)速范圍(Critical Speed Range)透平發(fā)生振動停止操作的轉(zhuǎn)速范圍。
(5)空載和額定轉(zhuǎn)速(Idle and Rated Speed)自動順序開始調(diào)節(jié)透平的起始轉(zhuǎn)速。
(6)當?shù)剡h程和串級設(shè)定值之間的平滑切換。
(7)串級/約束控制用于調(diào)節(jié)所驅(qū)動設(shè)備的負荷,可用輔助控制回路限制驅(qū)動設(shè)備的負荷或其他工藝參數(shù)。
(8)與抽汽控制之間的完全集成。
(9)發(fā)電機控制自動同期Droop 控制斷路器開路保護防止透平轉(zhuǎn)速飛升。
(10)快速PID 控制算法。
(11)臨界轉(zhuǎn)速避免。
(12)超速保護與測試。
(13)啟動與停機順序。
(14)自動與手動操作。
(15)高電流輸出幾乎適應任意的控制閥提供多重回路測試選項,包括閥門定位控制回路。
CCC 一鍵啟停冗余控制系統(tǒng)允許壓縮機在更靠近機械、工藝限制區(qū)域內(nèi)安全運行。此安全操作區(qū)域由壓縮機喘振線和限制變量(如與工藝有關(guān)的限制變量,包括最大出口壓力、最小入口壓力等)。CCC 公司Prodigy 冗余控制系統(tǒng)也允許實現(xiàn)自動的啟機、停機操作,并且能夠優(yōu)化壓縮機和工藝操作。
空壓機H1037通過減少回流量達到節(jié)能效果,依據(jù)得到的壓縮機性能曲線、數(shù)據(jù)表及空壓機的運行數(shù)據(jù)(表1),進行了初步計算。
表1 H1037運行數(shù)據(jù)
根據(jù)H1037性能曲線及當前運行數(shù)據(jù),用坐標系繪制喘振曲線及運行點,橫坐標為簡化流量,縱坐標是壓比,如圖1所示。
曲線為理論喘振線,圓圈o 代表空壓機運行點(未畫出喘振控制線)。
由計算得出的圖可看出,當前運行點離理論喘振線有距離,而且理論喘振線往往在實際喘振線的右側(cè),因此,當完成喘振測試后,存在關(guān)小防喘振閥門開度的可能性。根據(jù)CCC 以往的工程經(jīng)驗,節(jié)約蒸汽量不低于當前蒸汽耗量的5%。
(1)CCC 控制系統(tǒng)完全實現(xiàn)原有505控制器所有功能,操作簡單方便,只要機組允許啟動信號具備條件,操作人員將DCS 防喘振電磁閥得電,然后點擊CCC 控制系統(tǒng)操作站畫面轉(zhuǎn)速控制器面板上的正常啟動按鈕,就可實現(xiàn)機組自動啟動功能。
(2)在啟動過程中出現(xiàn)意外情況,可以轉(zhuǎn)為手動升速功能,繼續(xù)升速;機組達到額定轉(zhuǎn)速后,轉(zhuǎn)速控制器SIC-10061投入自動,入口導葉控制器PIC-10010投入自動,防喘振控制器FIC-10015投入自動,防喘振控制閥根據(jù)負荷大小開始慢慢關(guān)閉,生產(chǎn)正常后全部關(guān)閉,以后操作人員無需再對防喘控制閥進行操作,減輕了工作量。
(3)該系統(tǒng)維護方便,控制機柜內(nèi)所有硬件全部為雙冗余,無需維護。維修入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度、出口流量儀表時,只需將防喘振控制器切換到手動和硬手動操作就可以進行,不影響整個機組的運行。
(4)該系統(tǒng)超速保護試驗簡單方便,當機組達到額定轉(zhuǎn)速以后,允許進行超速保護試驗,點擊超速試驗,開始升速,當達到電子跳閘時,機組不停車,只報警,達到機械跳閘前后100轉(zhuǎn)左右,如果機組還不停車,自動發(fā)出命令停車。
目前國內(nèi)外大部分工廠使用離心機的壓縮機,為保護壓縮機都有不同的壓縮機控制系統(tǒng),國內(nèi)使用的比較好的有和利時的汽輪機控制系統(tǒng),國外有名的是康吉森、西門子、CCC 防喘振控制系統(tǒng),相對比而言,美國CCC 和康吉森控制系統(tǒng)使用比較多,而且相對穩(wěn)定。美國CCC 防喘振系統(tǒng)冗余功能和穩(wěn)定性更優(yōu)越于康吉森控制系統(tǒng),價格比其他系統(tǒng)高,操作簡單方便,應用成功案例多。具體比較如下。
(1)CCC 防喘振控制系統(tǒng)硬件體積小,安裝方便,其他系統(tǒng)硬件體積大,不便于在線安裝。
(2)CCC 防喘振控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單,現(xiàn)場來的信號通過安全柵和繼電器就可以直接到達卡件,其他系統(tǒng)需要經(jīng)過中間端子板,通信電纜到達卡件,而且出現(xiàn)故障不好檢查。
(3)CCC 防喘振控制系統(tǒng)軟件安裝簡單,不需要授權(quán),計算機帶有兩塊硬盤,一塊損壞不影響操作;其他系統(tǒng)軟件分上位機和下位機軟件,安裝完畢后需要硬件授權(quán)才能工作。
(4)CCC 防喘振控制系統(tǒng)軟件組態(tài)方便,容易易學,基本上是填表格實現(xiàn);其他系統(tǒng)采用功能塊進行組態(tài),遇到復雜的控制邏輯,極不方便。
(5)CCC 防喘振控制系統(tǒng)控制回路投入自動方便,只要設(shè)好控制規(guī)律參數(shù),就可投入;其他系統(tǒng)大部分處于手動狀態(tài),不能實現(xiàn)自動。
通過防喘振控制系統(tǒng)改造,脫離了工藝人員在加減量及緊急情況下頻繁操作防喘振控制閥,實現(xiàn)中控室自動控制負荷功能,控制系統(tǒng)完全實現(xiàn)原有505控制器所有功能,操作簡單方便,為下一步機組控制系統(tǒng)實現(xiàn)黑屏操作奠定了基礎(chǔ)。
直接經(jīng)濟效益:經(jīng)統(tǒng)計,節(jié)約中壓蒸汽2~3 t/h,按市場最低價170 元/t 蒸汽計算,減去裝置大檢修30 d,全年節(jié)資2.5×24×335×170=341 萬元;每小時節(jié)約壓縮空氣1 500 m3,按市場最低價0.01 元/m3計算,全年節(jié)資1 500×24×335×0.01=12 萬元;保守總計節(jié)省費用約為353萬元/a,達到了節(jié)能降耗的目的。
間接經(jīng)濟效益:為甲醇廠降本增效起到了重要作用,同時減少了放空噪聲污染,減輕了工人的勞動強度,減少了儀表人員的維護工作量,實現(xiàn)了空壓機自動控制功能。
目前西來峰分公司甲醇廠空分裝置空壓機控制使用美國CCC 防喘振控制系統(tǒng),系統(tǒng)從2020年6月投運以后,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,無任何故障,開停車方便,防喘振控制閥、導葉、調(diào)速閥一直處于自動狀態(tài),操作人員無需任何操作,減輕了勞動強度,節(jié)約了中壓蒸汽和空氣,為甲醇廠起到了降本增效的作用;介于空壓機CCC 一鍵啟??刂葡到y(tǒng)成功使用情況,其他煤化工同類型企業(yè)壓縮機控制系統(tǒng)可以考慮使用CCC 防喘振控制系統(tǒng)。