宣鋼氧氣廠7號空壓機儀控系統節能優化改造

趙東華

（河鋼集團宣化鋼鐵公司，河北宣化 075100）

0 引言

近十年，隨著鋼鐵企業產能提高，企業的生產工藝裝備也逐步趨于大型化，與之配套的空分生產工藝設備也同步走向了大型化、智能化。宣鋼氧氣廠7號空分系統設計氧氣產量25000Nm3/h，氮氣產量10000Nm3/h，產品氧氣的40%供宣鋼2號高爐富氧鼓風，60%供150t轉爐煉鋼吹氧，產品氮氣主供150t轉爐爐前吹煉保護氣[1]。在空分生產流程中，空壓機主要為空分系統提供一定壓力、溫度下的加工空氣，是整套空分系統的最前端工藝裝備，也是主要耗電設備。宣鋼氧氣廠7號空分系統配套的7號空壓機是由Atlas公司生產制造，設計排氣壓力0.6MPa，排氣量75000m3/h，是兩段串聯的六級離心式壓縮機，兩段各級都配有導葉、回流閥、放空閥一臺。空壓機由電機來驅動，并通過大齒輪軸端的膜片聯軸器與電機相連接，電機額定電壓5500V，額定電流710A，額定功率850kW，儀控方式為ABB集散控制系統。

宣鋼氧氣廠7號空壓機自投產以來，運行能耗居高不下，致使7號空分系統氧氣單耗持續走高，長期在0.75kW.h/Nm3的水平，并多次發生由于放空閥故障和空壓機喘振而引發的空分系統計劃外連鎖停車事故，使得主要用戶宣鋼2號高爐和150t轉爐被迫調整生產計劃。針對該機組多年來存在的問題，宣鋼公司經多次討論研究，決定對氧氣廠7號空壓機儀控系統進行優化改造。

1 空壓機儀控優化改造概述

在空壓機啟、停動作以及連鎖邏輯仍由ABB控制器來實現的基礎上，再增加一個CCC控制器，CCC控制系統構造如圖1所示[2]。CCC控制器的作用是在保證空壓機排氣壓力、排氣流量一定，且在不發生喘振的情況下，采取優化喘振控制、性能控制、退守策略和兩段壓縮系統解耦控制等措施，盡量減少一、二段入口導葉與一、二段回流閥的開度，自動調整壓縮機的第一、二段排壓操縱點，并將操縱點往喘振控制線右側移動，以設定一種合理的喘振抑制裕度。同時采用一些特殊的控制響應方式來實現對空壓機的防喘振控制、測量以及機組的自動加載、卸載。增加CCC控制器是空壓機節電的重要措施，同時也是提高空壓機自動化控制水平、提高機組運行可靠性、降低計劃外停車率的重要保證。

圖1 CCC控制系統構造圖

2 儀控優化改造具體實施內容

2.1 在CCC控制界面設定控制器并定義功能

氧氣廠7號空壓機在啟、停車操作仍由ABB控制系統完成基礎上，在CCC控制系統的空壓機操作界面共建4個關鍵的控制器，并定義它們的功能。

（1）一段出口壓力控制器（PIC-619），相關儀表：PT-619（一段出口壓力）、PV-601（一段入口導葉）、FV-612（一段回流閥）。主要功能：一是極限控制，當電機電流高于531A時，PIC-619控制器會自動關小入口導葉PV-601開度，以減小電機電流；二是壓力超馳控制，當一段出口壓力高于2.46MPa時，控制器會自動打開回流閥FV-612，以減小出口壓力。

（2）二段出口壓力控制器（PIC-632），相關儀表：PT-632（二段出口壓力），PV-627（二段入口導葉）、FV-621（二段回流閥）。主要功能：一是極限控制，當電機電流高于557A時，PIC-632控制器會自動關小入口導葉PV-627開度，以減小電機電流；二是壓力超馳控制，當二段出口壓力高于6.22MPa時，控制器會自動打開回流閥FV-621，以減小出口壓力。

（3）一段喘振控制器（FIC-620），相關儀表：PT-615（一段入口壓力）、PT-619（一段出口壓力）、TE-607（一段入口溫度）、TE-618（一段三級入口溫度）、PDT-620（一段三級壓差）。主要功能：安全響應，發生安全響應后，喘振控制線會向安全方向平移0.02的相對距離，控制面板上的“安全響應”會變成黃色，波動平穩后點“復位安全響應”按鈕使喘振控制線回到原位。

（4）二段喘振控制器（FIC-623），相關儀表：PT-628（二段入口壓力）、PT-632（二段出口壓力）、TE-620（二段入口溫度）、TE-631（二段六級入口溫度）、PDT-623（二段六級差壓）。主要功能：安全響應，發生安全響應后，喘振控制線會向安全方向平移0.02的相對距離，控制面板上的“安全響應”會變成黃色，波動平穩后點“復位安全響應”按鈕使喘振控制線回到原位。

2.2 制定空壓機CCC控制器的控制策略

2.2.1 空壓機一段控制策略

（1）空壓機一段加載控制。電機電流達到10A后，一段排氣壓力控制器會自動打到預加載狀態，延時40s后，一段導葉會自動打開7%開度；一段加載信號從ABB發出后，一段排氣壓力控制器會自動以每秒0.1%的速度將導葉升至15%開度，然后轉變為PID調節；同時一段回流閥自動以每秒1%的速度關下來，關到空壓機操作點與喘振控制線之間的偏差（DEV）=0.2時，轉為PID調節。

（2）空壓機一段卸載控制。收到ABB發出的卸載信號，一段回流閥會自動全開；PIC-619控制器會打到IDLE狀態并保持一段導葉有7%的開度。

2.2.2 空壓機二段控制策略

（1）空壓機二段加載控制。二段加載信號從ABB發出后，二段排氣壓力控制器會自動以每秒0.025%的速度將二段導葉升至2%的開度，然后轉變為PID調節；同時二段回流閥自動以每秒1%的速度關下來，關到DEV（偏差）=0.2時，轉為PID調節。

（2）空壓機二段卸載控制：收到ABB發出的卸載信號，二段回流閥會自動全開；二段導葉會自動打到全關；當空壓機末級排氣壓力連鎖跳車后，CCC控制系統向ABB控制系統發出過度喘振信號，連鎖空壓機放空閥的電磁閥自動失電卸載。

3 CCC控制系統的主要優化功能

3.1 CCC控制器的防喘振優化控制功能

（1）要防止空壓機喘振發生，CCC防喘振控制器必須在操作點到達喘振線之前開始動作，增加壓縮機的流量。如果操作點越過防喘振極限，則表明空壓機已經正在發生喘振，控制器安全保險響應將增加喘振控制安全裕度，迅速制止喘振；同時控制器階梯響應將快速地打開一、二段回流閥；當工作點與喘振線相重時，CCC階梯響應在PID的輸出數值上加25°開度輸出。

（2）當操作工對三級排壓的設定值（PIAS1044E.SV）誤操作時，防喘振閥將大幅波動，導致空分系統工況紊亂，甚至空壓機喘振。為提高防喘振閥的穩定性，用CCC控制器CALCU模塊對防喘振控制器中的壓力與流量調節器輸出低限進行限定。

3.2 CCC控制器的導葉穩定優化控制功能

3.2.1 CCC控制器的導葉控制程序

空壓機經過電容降壓起動后,電控制柜自動輸出信息至DCS，此時空壓機起動執行信息為真。SH1031、SL1031A、SL1031B開機三十幾秒后，電動機轉數超過投勵磁轉數后，自動進行投勵磁，此時允許負載信息為真。RAMP1031A模塊為手動模型，CCC控制系統發出指令使空壓機進口一、二段導葉緩慢開至最小開度8°，空壓機運轉平穩后，CCC控制器根據運行工況采用智能掃描的三種排氣壓力，來調節導葉和防喘振閥門的開度，從而提高空壓機排壓。CCC空壓機導葉控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 CCC空壓機導葉控制邏輯圖

3.2.2 CCC控制器導葉控制程序的優化

空壓機導葉的自動控制是由排氣壓力和電機電流共同作用實現的。CCC控制器對導葉與回流閥的精密控制可穩定空壓機運行工況，進而使空壓機運行功率大大降低。

（1）為降低空壓機電流控制器輸出值的波動性，增強導葉穩定性，使用CCC控制器CALCU模塊對電流控制器輸出功率嚴格限定。

（2）如需提高空壓機的排壓，應在防喘振閥全關的前提條件下，才能開大導葉；當ZI1046＜2°時，PID調節器（PICAS1044E）為自動模式，導葉被自動控制在最優化的狀態下。為實現此控制，用LC64、CALCU模塊對壓力控制器的手/自動模式與設定值進行定義。

4 CCC控制系統投運后效果對比

4.1 空壓機防喘振效果顯著

CCC控制器的防喘振優化控制功能實施后。由7號空壓機的喘振試驗數據可以看出，目前7號空壓機的實際運行工況點距喘振控制線較遠，此時空壓機可以安全穩定運行，有效解決了因放空閥故障及空壓機喘振而引發的空分系統連鎖停車的事故問題。

4.2 空壓機節電效果顯著

CCC控制器的導葉穩定優化控制功能實施后。一段導葉開度在34%，回流閥開度為0%；二段導葉開度在4%，回流閥開度為14%。空壓機電流從420.56A降低到362.23A，空壓機小時耗電量減少了523.43kW.h，整個系統日均耗電由12×104kW.h左右降至8.7×104kW.h左右，制氧單耗由0.75kW.h/Nm3左右降至0.64kW.h/Nm3左右。在保證7號空壓機運行穩定的前提下，實現了對空壓機導葉和回流閥的精密控制，各項指標較儀控系統優化改造項目投運前有了大幅的提升。

5 結語

宣鋼氧氣廠7號空壓機儀控優化改造項目，優化了空壓機的啟、停車操作及連鎖控制邏輯程序,穩定了空壓機的運行工況，消除了因放空閥故障及空壓機喘振而引發的空分系統連鎖停車事故的發生。同時降低了空壓機的電耗，使得7號空分系統制氧成本大為降低。

另外7號空壓機的穩定運轉，提高了7號空分系統氧氣的產出量，2號高爐鼓風富氧壓力波動幅度明顯減小，富氧率由2.6%提升至3.4%，噴煤比增加了24kg/t，煤氣發熱值提升了2.8%，爐缸溫度提高了15.5℃，鐵水增產4.46%。實踐證明，此次7號空壓機儀控系統的CCC控制改造，為宣鋼2號高爐的高產、穩產奠定了基礎，也為大型空壓設備采用CCC先進防喘震控制樹立了成功典范。