空分增壓機系統節能優化改造

趙東華,邱發春,馮偉,張超

制氧

空分增壓機系統節能優化改造

趙東華,邱發春,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#空分系統增壓機節能改造的具體實施情況，實現了優化控制，降低了空分的能耗。

空分系統；增壓機；控制系統；節能

1 引言

張家口紫光氣體公司6#15000 m3/h空分系統為內壓縮流程，增壓機為二段串聯的6級離心式壓縮機，每段分三級，各有導葉、回流閥、放空閥一臺。其DCS控制系統為ABB控制系統。增壓機是空分系統中的主要耗電設備，6#空分增壓機投產以來，一段導葉開度85%、回流閥開度6%，二段導葉開度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年廠優化生產工藝及技改工作會議上廠部提出對6#空分增壓機控制系統優化改造。

2 改造方案

2.1 總體思路

該項目在增壓機起、停車操作及連鎖邏輯仍然由“ABB”控制系統來完成的基礎上，增設一套CCC Vanguard S5 Duplex控制系統。ABB和3C控制器之間通過必要的信號來實現聯絡，6#空分增壓機控制系統優化節能就是自動調節增壓機的一、二段排壓操作點，使操作點向喘振控制曲線右側移動，以實現操作點的所謂“卡控”邊控制，降低制氧單耗，確定一個合適的喘振控制裕度，再根據喘振發生的特點通過一些特定的控制響應來控制防止喘振的發生。優化控制主要是通過以下幾方面來實現真正的防喘振控制與性能控制：

（1）根據喘振發生的特點，將閉環控制和各種開環控制相結合，實現防喘振控制。

（2）應用極限控制、解耦控制和各種后備功能，提高了增壓機系統的穩定性。

（3）利用3C控制系統的快速測量、掃描、程序內部的高速運算速度，提高防喘振控制系統的響應速度。

（4）采用系統總線、I/O卡件、CPU處理器、通迅網絡、模塊內部電路均為雙重冗余結構。

（5）實現自動變負荷操作，提高增壓機的效率，起到節能降耗的作用，減少用電量。

2.2 技術方案具體實施步驟

增設CCC Vanguard S5 Duplex控制系統一套，首先確定ABB機柜和3C機柜必要的來往信號，然后在ABB操作系統上改編增壓機起停車操作及連鎖邏輯，最后在增壓機起車后，通過儀表設備測量增壓機各參數計算3C控制器的喘振曲線，同時在3C控制系統的增壓機操作界面共建4個關鍵的控制器并定義它們的功能，實現自動加、卸載與防喘振控制。

（1）首先確定ABB機柜和3C機柜必要的來往信

號，通過表1中的信號來實現聯絡，確定所需增設的儀器設備及其布置，信號線路的布置方式及連接方法。

表1 ABB機柜和3C機柜來往信號

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

（3）最后增壓機起車后，通過儀表設備測量增壓機參數計算3C控制器的各喘振控制曲線，在3C控制系統的增壓機操作界面共建4個控制器并定義它們的功能。

①計算3C控制器的各喘振控制曲線

因我廠增壓機為非標設備，喘振控制中所需要的差壓必須進行補償計算，再得出SLL線與SCL線，如增壓機一段計算方法。

第一步：喘振公式：

第二步：SLL線：f（x）=dpoc/k×ps

式中，k——補償系數，k=0.18，k越大，斜率越大；

ps——PT-615；f（x）——縱坐標。

第三步：SCL線：f（x）1=f（x）×1/〔（1-b）1/2-1〕

（注：b=0.2，先設定，在實驗過程中進行修定）

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。

第五步：根椐f（x）、X得出同一時刻的喘振曲線圖。

以上計算所需要的參數以及增壓機運行過程中發生喘振的時間與喘振時的差壓值都可從歷史數據趨勢中找出。歷史數據趨勢圖見圖1。

圖1 歷史數據趨勢圖

②在3C控制系統的增壓機操作界面共建4個關鍵的控制器并定義它們的功能。

6#空氣增壓機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

6#空分增壓機控制系統優化節能項目全面應用防喘振控制器、性能控制器、解耦控制器等控制技術作為優化控制的應用平臺，進行防喘振控制。但穩定、節能的防喘振控制絕對離不開高速的測量數據采集速度、高分辨率的歷史趨勢數據顯示功能與快速的運算功能。因此方案中必須增設一套高性能的CCC Vanguard S5 Duplex控制系統。

CCC Vanguard控制系統是真正的實時多任務開放式系統，采用先進的安全型cPCI總線構架；雙重化冗余容錯的硬件體系結合全面的冗余容錯技術和獨一無二的Fallback策略，使得系統可靠性達到

99.99%。先進的實時多任務操作系統將關鍵任務與非關鍵任務按優先等級實施控制，保證系統的執行速率不隨I/O點數增加而下降，如防喘振、調速和性能控制執行速率為20 ms，使機組的精確控制成為可能。

它的主要技術特點在于：

（1）控制方式不同

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

（2）采樣周期和執行周期不同

CCC Vanguard控制系統信號采樣周期：2.5 ms；執行周期：系統任務——5 ms；控制任務——喘振控制、速度控制等壓縮機控制任務以及緊急停車聯鎖20 ms。更快于ABB控制系統。

（3）冗余范圍不同

所有與控制有關的部件（例如：IO卡件、控制器、內部總線、IO擴展、BUS等）都將按冗余容錯配置。比ABB控制系統多出IO卡件的冗余。

4 關鍵技術及創新點

4.1 關鍵技術是防喘振控制器根據操作點的移動情況以操作點與偏差（DEV）為被控制變量將PI反饋控制和開環控制結合起來進行防喘振控制，具體如下：

（1）對于緩慢的小的擾動使操作點進入SCL左邊的喘振控制區，3C防喘振控制器的PI控制算法根據操作點與SCL之間的距離（DEV=e）產生相應的比例積分響應使操作點回到SCL右側的安全控制區。

（2）對于一個較大較快的擾動,當比例積分/微分(PI&D)響應不能使壓縮機的操作點保持在SCL線的右邊，而使操作點瞬間越過了SCL左邊的RTL，則3C防喘振控制器的循環跳閘響應就會以快速重復的階躍響應迅速打開防喘振閥，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（如組態錯誤、過程變化、特別嚴重的波動）使壓縮機操作點越過SLL和SOL線而發生了喘振，則安全保險響應（CRSO）就會重新規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將喘振止住。

4.2 在3C防喘振控制系統的調試投用過程中，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較快的變送器，原防喘振控制閥為響應速度慢的等百分比控制閥，通過調整氣動繼動器提高控制閥的響應速度，使控制閥可以在1.6 s以內完成全開動作。

（2）要對變送器的阻尼進行調整，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#空分增壓機控制系統優化節能項目投用前后的過程增壓機數據比較結果。

表2 測試結果對比表

可以分析得出優化控制投運達到如下效果：

運行期間增壓機電流和功率都有明顯的降低。通過對比可以看出，投用后增壓機壓機平均電流從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 結束語

6#空分增壓機的控制系統優化控制由于調試準確，機組運行穩定，自開車以來從沒有發生過機組喘振現象，為空分系統長期安全穩定運行提供了有力的保證。

The Energy-saving Optimization Revamping of Air Separation Booster System

ZHAO Donghua，QIU Fachun，FENG 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年畢業于河北農業大學儀表專業，助理工程師，現從事制氧設備維護維修管理工作。