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大型空分设备空压机控制系统的设计和研究

空压机是空分设备中不可或缺的关键设备,由机械、润滑、冷却、电气和控制等系统组成,其稳定运行对整套空分设备工艺流程的实现关系重大。离心压缩机在运行时受油压、冷却水压、轴承温度、进排气压力等诸多因素共同作用。为了提高对压缩机的控制水平,增加操作者的指导信息,降低安装和维护费用,提高系统的运行可靠性,有必要利用现代技术对离心压缩机进行连续监测和控制,以使其能更加安全、可靠、高效地工作。

将空压机的压力、温度、振动、位移及电流等模拟量直接输入DCS控制系统,完成对空压机的状态监测、安全保护、报警、联锁跳车、启停操作和防喘振等功能,实现现场开、停车或DCS控制系统全自动控制开、停车功能。

1.2 控制和安全保护的内容和实现原理

1.2.1测量系统

(2)轴向位移保护。空压机产生轴向位移,首先是由于有轴向力存在。设置轴向位移保护系统,监视转子轴向位置的变化,当转子的轴向位移达到一定规定值时就能发出声光报警信号,并使空压机联锁停机。

(3)机械振动保护。高压空压机

是高速运转的设备,在运行中产生振动是不可避免的。但是振动值超出规定范围时危害很大。应用在线的微机处理技术,可以通过对测量的数据进行采集、存储、处理、绘图、分析和诊断,为空压机的运行维护、科学检修、专业管理提供可靠依据。另外,还可以应用手持式测振仪对转动设备实行动态检测。

(4)机组防喘振控制。对于恒压控制的压缩机,当出口压力通过入口导叶开度的调整不能稳定在设计值而继续升高并达到某一值时,出口压力过高保护调节器(PC1051)开始起作用,与防喘振调节器(PDC1055)一起调整放空阀的开度,使出口压力不再升高。

(5)电气保护监控。主电机保护由微机保护监控装置和数据通信装置构成,通过CAN总线或RS485接口实现与DCS控制系统进行实时数据交换,完成测量、控制、保护、信号和交直流系统等数据汇总工作,并可同配电自动化系统按标准通信协议联网,构成无人值班的变电站综合自动化系统,不再需要当地监控主机,并具有远程控制功能。提供RS232通信接口和调制解调输出接口,选用POLLING、DNP3.0、CDT、MODBUS等通信协议与配电自动化系统相连。

1.2.2 故障报警及故障联锁停机

当润滑油温度和压力、空压机排气压力及轴向位移、振动等参数值超过技术规定时,DCS控制系统自动进行声光报警,同时在屏幕上显示和用打印机打印,作为分析故障原因的保存记录。此外,各参数的报警门限,可在运行中采用人机对话的方式进行修改或调整。当润滑油出口压力、空压机轴承温度及空压机轴向位移等参数值超过极限时,DCS控制系统将自动输出一个停机信号给电机高压控制柜,使电机自动断电停车。和故障报警一样,停车时也进行声光报警、超限值屏幕显示和自动打印记录。报警分为杂质信息、低报警、高报警、紧急报警等4个级别,报警按轻、重故障分级处理,在流

程图画面和报警画面中对这些级别的报警用闪光、声音、颜色等信息加以区分。

在中控室设置紧急停车按钮台,用于在紧急状态下或计算机发生故障时的一触式紧急停车。

1.2.3 参数监测和数据处理

在整个运行过程中,DCS控制系统对空压机的气路、油路、水路三大系统的全部性能参数和空压机的轴振动、位移值进行连续循环监测、采样(包括模拟量、开关量),采样周期可调。在有些生产过程中,控制参数是唯一确定的,但是有些生产过程可能有几个控制参数可供选择。此时,一般希望控制通道克服扰动的校正能力强,动态响应时间短。通过正确选择控制参数,构成一个控制性能良好的过程控制系统,有效克服扰动的影响。数据处理的内容有: ①微机将测量参数与技术规定值进行比较,超限时发出声光报警、停车信号,并显示打印记录; ②每2小时将所测的各模拟量数据进行处理,并给出每个参数的最大、最小及平均值,同时进行打印; ③对防喘振系统和出口温度自动控制系统,计算后按最佳控制规律做数据处理,随时调整控制输出。

1.2.4 紧急停车的考虑

空压机在空分设备中是关键设备之一,对其安全性要求较高。而紧急停车系统ESD(EMERGENCY SHUT DOWN)的功能就是确保在生产装置出现问题、事故或潜在危险时,能使空压机停运,进入安全状态,隔离并减少连续的损失或避免事故的升级,以达到保护装置、机组及人员安全的目的。

因此,在设计中采取了4个原则。

继电器和中间接线端子,最大限度地减少可能的故障点,为机组长周期运行提供保证。

2 总体控制方案

空压机控制系统和软件构成如图2所示。

2.1 软件设计

软件设计分为主菜单和7个分菜单,用中文显示。主菜单:空压机系统自检功能;分菜单1:整定值修改;分菜单2:压力参数显示;分菜单3:温度参数显示;分菜单4:控制参数显示;分菜单5:压力变化趋势图;分菜单6:温度变化趋势图;分菜单7:控制参数变化趋势图。

2.2 控制设计

将控制系统的控制设计分为7个相对独立的程序模块。

2.2.1 手动以及自动开车

在启动之前根据上一次停车状况,包括是否因故障停车,有无对故障进行处理,以及开车允许信号情况(包括辅助机械运行状态,高压设备状态和操作人员开车例行检查是否就绪等),判断“允许开车”信号是否有效。如果有效,则给出设备放空信号,同时自动启动油泵、水泵等辅机,并进行参数越限检测,待润滑油压、冷却水压等满足运行条件后设备方可启动。若有部分参数暂时不达标,设备会自动给出文本提示信息并等待10秒,待条件满足后再开车;参数逾期不达标,则拒绝启动。压机启动后停止放空信号,延时30秒待各级压缩缸进、排气压力达到额定工况后投入气压参数保护功能,设备转入正常运行。

2.2.2 手动以及自控停车

手动停车时,运行人员给出停车信号,设备自动按照先放空后停车、先主机后辅机的顺序停车。如有故障发生,则立即放空停车,同时发出声光报警,并在文本显示器上根据不同的故障类型和故障参数显示故障文本信息,提示相关人员注意。

2.2.3 辅机控制

当主机未运行时,可以手动开、停油泵、水泵等辅机;当主机运行时,强制启动辅机,而且此时手动停机信号无效;当主机正常停运时,油泵等辅机可随主机自动延时10分钟后停运;盘车设备等其他辅机运行时严禁启动主机。

2.2.4 运行参数监测和显示

空压机运行参数包括:油压、水压,一级进气、四级排气压力,一、二、三、四级进、排气温度及轴承温度,润滑油温度等,分别通过相应的传感器传送到DCS控制系统,并通过文本显示器显示实时参数值,该值也作为参数保护环节的信号源,同时可上传到上位机进行监控。

2.2.5 故障保护和报警

根据监测到的参数,对设备工况进行判断,对于不同的参数值给出声光报警或强制停车的选择,同时通过文本显示器显示文本故障信息。主要的故障信息可以在失电条件下保持,在故障信号人为复位前闭锁开机。

2.2.6 闭锁、试验和检修控制

在设计中,用程序来限定操作者只能按照既定的程序投运设备,一旦有误操作发生,根据情况或自动按程序执行。对于盘车机构和其他辅机的不当状态,自动显示出文本提示信息,要求运行人员注意。另外,考虑到设备维修和参数整定的方便,设计了“检修”选项,能够在不开车的情况下模拟运行状况,方便维修和参数调整。同时,设计了“试验”选项,可以屏蔽各种输入和输出信号,避免了在高压设备试验或其他检修过程中误启动设备。

2.2.7 远程操作和监测区域程序中还设计了远程操作和监测区域,只要通过网络对特定的存储区域读写信息就可以进行操作,监测参数。

有了以上7个程序模块,一套完整的空压机控制系统就基本成形了。在外围接线上设计了一些必要的联锁线路和冗余线路;在程序设计上也考虑了一些容错环节,最大程度地避免了人为因素引起的误操作。在参数显示部分由于监测电路接线量大,又多分布在设备上及其周围,故障率较高,为了满足设备运行稳定性的要求,也考虑到显示的直观性,增设了一套多点巡检仪表作为冗余显示和参数越限控制,能够通过内部继电器向DCS控制系统提供接点信号。巡检仪与DCS控制系统内部参数监测程序相互独立,可以单独运行也可以同时运行,大大提高了设备的可靠性和运行稳定性。空压机控制系统主程序框图如图3所示。

3 控制系统在空压机上的实际应用

3.1 设计思想

某钢铁有限公司空分设备配套空压机采用开封空分集团有限公司生产的H700型离心压缩机,采用DCS控制系统实现信息管理、中控、机旁、就地一体化控制,既可有效地监控整套空分设备的生产过程,又可方便地实现调度信息管理,具有设计先进、性能价格比高的特点。在设计中,充分利用DCS控制系统的通信网络,结合计算机网络先进技术,利用网桥实现了远距离信息的传送与管理,为企业现代化管理铺就了一条畅通的信息通道。

3.2 控制系统性能效果

实时流程画面是控制系统中重要的监视窗口。通过流程画面可以反映相关的工艺参数和运行状况,并可进行正常的操作和信息提示。流程画面中的动态变量按显示周期更新,通过切换按钮可以实现画面之间的切换,并且可以在图形打印机上打印或存为标准图形文件。工艺流程图画面中的工艺参数来源于DCS控制系统中输入模块采集的数据或内部计算处理后产生的数据,这些数据经过组织、处理后存放在实时数据库中,供需要使用DCS控制系统数据的应用软件访问。空压机实时流程画面如图4所示,空压机联锁启动画面如图5所示。

4 结论

(1)对工业生产过程实现监测、控制、优化、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗和确保安全等目的;

(2)压缩机组流量调节和防喘振控制方案可以保证压缩机和空分设备高效安全运行;

(3)机油供给系统的控制方案可以保障在可靠供给压缩机润滑油的基础上有效降低电耗;

(4)联锁保护的控制方案有效地防止了人为操作失误和在空分设备运行中出现意外的情况下,可能发生的空分设备和空压机设备故障;

(5)设计的人机界面友好,使用方便,可靠地实现了测量、控制的要求。