空分系統增壓機防喘控制改造與應用

山信軟件股份有限公司萊蕪自動化分公司，山東萊蕪 271104

一、前言

山東鋼鐵集團萊蕪分公司60000m3/h空分系統作為型鋼區域配套的制氧系統，為型鋼高爐轉爐鋼鐵的生產提供所必須的氧氣、氮氣、氬氣以及特種稀有氣體，因此機組是否穩定運行直接決定型鋼區域的鋼鐵生產的產能，具有舉足輕重的地位。

依照空分工藝的要求，主要的設備流程由空壓機系統、預冷及凈化系統、增壓機系統、膨脹機系統、冷箱系統以及儲槽后備系統六大系統構成，如圖1所示。

由圖1可以看出，增壓機系統作為中間“樞紐”，在整個空分系統生產運行中占據了不可或缺的地位。增壓機系統的穩定運行至關重要，而防喘振保護控制又是增壓機控制功能的核心內容，直接關系到增壓機是否能夠穩定、安全、高效地運行。如果防喘振保護控制部分一旦出現異常情況，就會導致以下兩種極端現象的發生：

① 沒有發生喘振，定位器誤動作，造成增壓機喘振停車，嚴重影響生產；

② 設備發生了喘振，控制系統無法消除，對設備和人身產生危險。

因此，進行增壓機防喘控制既可以降低因增壓機喘振造成的空分系統停機對鋼鐵生產的影響率，同時又避免了喘振對增壓機軸承和葉輪轉子等產生的硬性損壞。

本文針對增壓機運行過程中防喘閥門出現的問題，分析防喘控制系統，通過更換閥門定位器和優化防喘參數兩個方面來實現對防喘控制的改造與優化。

二、60000m3/h空分系統增壓機防喘閥控制系統構成

60000m3/h空分系統增壓機防喘閥控制由DCS控制器及現場閥門定位器控制兩部分構成，DCS控制采用空分控制系統中最先進的FOXBORO I/A系列控制系統，現場閥門定位器采用西門子公司生產的定位器和MTS公司生產的位移傳感器。

圖2為防喘振控制功能原理圖。此喘振線是根據增壓機的喘振實驗得到的數據，通過一個7波段函數繪制而出的特性曲線，喘振線的確定融合了入口流量與壓比之間的關系，反應了增壓機運行時的物理特性。喘振線（Surge Line）確定以后，在喘振線的基礎上向右平移10%的控制裕量DSL（Control Margin）得到控制線（Control Line）[1]。增壓機全速運行以后，DCS發出指令信號，使防喘閥電磁閥得電，防喘閥門處在全關狀態，增壓機運行在控制線（Control Line）下方的穩定區域；增壓機在運行過程中，一旦工況出現波動，導致越過控制線，防喘振控制系統會第一時間做出判斷，并將所得出的指令下達到防喘閥門定位器，通過定位器控制閥門的開度使之遠離喘振線（Surge Line）的不穩定區域，從而實現對防喘振保護的控制。

在設備維護過程中對比發現，西門子定位器和MTS位移傳感器對惡劣環境的適應能力較差，特別是工作在長期振動的環境中故障率較高，而且因為防喘閥門定位器和位移傳感器均相互獨立的直接安裝在工藝管道上，生產過程中振動相當高，定位器誤動作的出現在所難免。

在60000m3/h制氧空分系統投產后，增壓機在最初運行的一年時間內共出現了4次防喘閥門定位器異常，其中3次造成了增壓機停車，1次因防喘閥門定位器原因停機檢修。防喘閥門定位器異常歷史趨勢見圖3。

以上情況說明，西門子防喘閥門定位器在振動較大的環境中工作穩定性差，無法滿足增壓機穩定運行的需要。

此外，防喘控制需要進一步優化，對增壓機機組防喘保護實現快、準、狠，從而有效減少故障的發生，避免事故停機。

三、技術改造方案與實施

1、更換閥門定位器，避免防喘閥門誤動作。

首先，針對現場存在問題，考慮到抗振性，同時結合制氧老區的改造經驗，我們決定使用山武AVP201系列分體式智能定位器替代現有定位器。該系列定位器在閥門工作穩定性、閥門初始化簡易程度和抗振性能等方面表現較好，可以在惡劣環境下長期穩定運行。同時，使用該系列定位器替代現有西門子定位器加MTS位移傳感器的控制方式，可以減少現場控制元件數量，對系統優化和備品備件統一化都是有利的。

山武智能定位器可作用于角行程閥門和直行程閥門的執行器，與普通閥門定位器安裝方式相同，為防止改造過程中可能出現固定螺栓松動的情況，需進行防松動處理。具體的安裝過程不再做贅述，定位器與DCS接線方式如圖4所示。

閥門定位器順利完成安裝后，閥門需要通過具體的人工參數設定，并根據閥門的開到位、關到位（零位）位置進行適應性的自動調整，此過程稱之為定位器初始化。此過程閥門會根據輸入信號源（4mA～20mA）以及執行器的正反向作用，自動完成開閥與關閥調整，所有行程執行完畢后即完成了閥門的初始化過程。如果過程中出現報錯，檢查定位器參數以及閥門機械無誤后重新初始化。具體分離型SVP的設定如表1所示。

表1 分離型SVP設定

2、將吸入溫度值參與入口流量的計算調節，優化防喘邏輯控制參數。

在增壓機加載直至全速運行過程中，如果工況出現波動，越過控制線外側的不穩定區域，防喘控制系統會通過定位器調節閥門開度來實現對喘振的控制。喘振的發生與入口流量Q以及壓比π=P2/P1（其中，P1為增壓機入口壓力，P2為增壓機出口壓力）之間有直接關系。

而在增壓機實際運行過程中，氣體被壓縮升溫以后分子平均動能增加，分子的勢能也增加，表現出氣體內能的增加，而對于同一臺增壓機而言，氣體內能增加后，增壓機要想壓縮相同的氣體就要做更多的功來克服氣體的內能，這將會導致增壓機排出壓力P2值的減小，導致壓比的降低，從而影響喘振線的準確性。圖5是吸入溫度對喘振線的影響。

從圖5中可以看出，如果吸入溫度為T=10℃，則工況點A處于安全可調控的區域；如果吸入溫度T=20℃，則工況點A已經快接近喘振線；如果吸入溫度T=30℃，則工況點已經越過喘振線，此時增壓機已經發生喘振。這說明吸入溫度升高會使喘振線向右側移動，使工況點更加靠近喘振線；吸入溫度降低會使喘振線向左側移動，遠離喘振線。

由該圖可以看到，不同的工況點對應了不同的壓比π和PV值，而π確定之后，根據與控制線交叉點對應的橫坐標可以確定SP的值，只有當PV>SP，工況點才能夠位于控制線的右側，增壓機才能安全運行，為此，把吸入溫度作為增壓機入口流量另外一項重要計算參數，參與防喘邏輯計算，避免了吸入溫度對喘振線造成的干擾，使得喘振線更加準確[2]。具體計算公式過程如下：

設：空壓機的吸入溫度為t(℃)，吸入壓力由絕對壓力變送器測得，記為P絕，入口差壓值為ΔP，因此入口流量Q的值可以更直觀的表示為：

式中：Qd—孔板達到設計膨脹系數時的流量值；

P0—標準大氣壓，一般取值為101325Pa；

Pd—標準狀況下，孔板達到最大設計流量時的壓力值（表壓）；

P絕—增壓機絕對壓力變送器測得的吸入壓力值；

ΔP—增壓機入口差壓值；

ΔPd—標準狀況下，孔板達到最大設計流量時的差壓值；

td—標準狀況溫度，一般為0℃或20℃。

四、實施效果

該方案實施后，我們對增壓機系統防喘控制的趨勢進行了6個月的跟蹤記錄，在此期間，增壓機防喘閥門控制精準，閥門開度波動率均低于0.9%。同時，吸入溫度和入口流量對防喘參數的整定準確性得到更進一步的提高，使得防喘閥門響應更加靈敏，增壓機穩定順行，沒有再次出現因防喘閥門定位器失準造成的停機事件。

五、結論

隨著增壓機防喘控制得到不斷的優化，有效減少了閥門定位器誤動作對整個空分生產的影響，空分機組的穩定性得到加強、運行效率得到保障、智能化水平得到提高，各類空分產品的產量和純度均達到并超過行業標準。目前，機組正處于穩定、高效、節能、環保的態勢下運行，為型鋼區域生產熱線的正常運行提供了可靠保障，同時，新舊動能設備轉換效果顯著，產生了巨大的直接經濟效益和不可估量的間接效益。

此次防喘控制的改造優化的可行性與先進性得到充分的印證，在空分系統同行業內及其它大型旋轉設備的防喘振保護中具有極高的應用和推廣價值。