某電廠二期儀用空壓機站改造及應用

許江淮

（廈門華夏國際電力發展有限公司，福建 廈門 361100）

0 引言

空氣壓縮機節能作為研究熱點之一，其中的空壓機及氣站節能改造大部分是基于PLC的恒壓控制，主要針對用氣負荷與空壓機站的啟停協調。而現役空氣壓縮機存在以下主要問題：一是大多數空氣壓縮機設計原始，仍是基于單片機或早期PLC，控制策略封裝鎖存無法修改，即使大多數工業企業主生產業務系統已采用DCS工業控制系統[1]，可接受Modbus、RS-232、RS-485等多種數據通信協議，但受限于早期空壓機無數據通信協議接口與外部系統數據進行交換，仍無法利用高級工業控制系統的優越性能提升控制精度，成為信息孤島和控制短板；二是工藝控制簡單，工況參數調整精度差，壓力調節控制大多仍是采用較為粗放的機械氣動調節系統，壓縮機出力調節線性區狹窄，一旦用戶負荷變化較大即調節失衡，節能效率極低；三是空氣壓縮機工況參數無法追憶，即使是最新型的產品也僅能查詢有限次數內的定制故障報警，無法復現故障發生時的全工況信息，不能有效支撐故障分析。

1 設備現狀

某電廠二期儀用空壓機站機型為廣東中山復盛SA-185W/0.85型螺桿式壓縮機，設計為一臺主機、三臺備機供應二期兩臺發電機組用氣，控制系統采用A-B PLC聯控柜通過串口網絡進行空壓機站的啟、停、聯鎖等控制，僅將空壓機“啟動、停止”反饋信號送至GE新華OC6000e型工業DCS控制系統。壓縮主機經歷十余年長期投運仍工況良好，相較而言，控制調節部分原PLC控制未進行冗余設計，PLC控制器與通信模塊老化日益嚴重，多次出現PLC故障導致的單機退出運行，嚴重影響儀用氣系統的安全穩定運行，且空壓機故障報警信號集中在現場PLC柜內，故障響應效率低。

考慮到該電廠二期發電機組普及使用的GE新華OC6000e型工業DCS控制系統具有DPU冗余設計[2]，控制功能成熟，人機交互功能友好，操作人員熟練度高且后期維護成本低等優點，故提出方案，對該電廠二期儀用空壓機站采取保留機械主體，切除PLC控制單元，增加必要的執行單元和測量元件，由DCS控制系統與空氣壓縮機工藝流程全面直聯的方式進行升級改造。

2 方案設計

2.1 增加電動吸氣調節門

參考已在某電廠一期儀用空壓機站改造使用的實用新型專利——“一種大型工業用空氣壓縮機壓力調節優化冗余系統”，在壓縮機吸氣閥前端加裝具備連續調節能力的電動吸氣調節門，如圖1所示，建立開度/出力自動調節回路[3]。在此基礎上，本次改造研究建立基于DCS控制系統的空壓機負荷自動控制回路，由DCS系統根據設定壓力與實際壓力偏差自動調節閥門開度與備用聯啟，與氣動蝶閥聯合控制空壓機加載時出力，實現供氣壓力的恒壓控制。

圖1 空壓機進氣管加裝電動吸氣調節門

2.2 控制回路改造

對原空壓機電氣控制原理圖進行解讀，在保留電氣主體回路的基礎上，設計具有就地緊急停機功能的由DCS替代PLC進行遠方控制的新電氣控制回路。拆除4臺儀用空壓機PLC控制器、I/O模塊、通信卡件、電源模塊、配套就地操作/顯示屏、聯控柜等相關PLC組件和所有與PLC相連的內部接線，拆除由PLC指令控制的主電機接觸器MJ、散熱風扇接觸器FJ、三角啟動接觸器DJ、星型啟動接觸器SJ、加卸載電磁閥SVJ共5個接觸器的中間控制繼電器線圈及拓展接線，將這5個PLC輸出信號改為由DCS輸出，修改電氣原理圖如圖2所示。

圖2 PLC改DCS控制電氣原理圖

增加必要的執行單元和測量元件，根據熱工專業聯鎖信號三取二的設計原則，儀用氣母管壓力變送器由1個增加為3個，增加電動調節閥配電回路，更換排氣口壓力傳感器、分離器壓力傳感器為標準壓力變送器，利用拆除空間安裝I/O信號就地接線端子排，將所有相應線圈、電磁閥的控制信號和測量元件信號，敷設電纜送至GE新華OC6000e型工業DCS控制系統，新增相應I/O卡件。單臺空壓機總的I/O信號共有29個，I/O清單如表1所示。

表1 單臺空壓機I/O清單

2.3 控制邏輯設計

對照空氣壓縮機工藝流程，引入說明書中時間、電流、壓力、溫度等參數的原始設定值，經聯合討論，制定DCS系統邏輯控制工序如圖3所示。

圖3 空壓機控制工序

各控制工序簡述如下：

（1）啟動工序。若DCS控制器接收到聯鎖啟動指令或啟動控制信號，DCS控制器發出主電機接觸器MJ、主電機星型接觸器SJ、冷卻風扇接觸器FJ控制信號，從而啟動主電機、主電機星型回路以及冷卻風扇電機。其中，聯鎖啟動指令指：儀用氣母管壓力變送器低于設定值，主電機溫度開關、熱偶繼電器、相序保護器均未閉合，且主接觸器反饋接點斷開時間滿足設定值（防止接觸器短時間多次分合）；經8 s計時后，DCS控制器發出星-三角變換指令，閉合主電機三角型接觸器DJ，并斷開主電機星型接觸器SJ，將主電機星型回路切換為三角回路，完成壓縮機組的降壓啟動。

（2）加載工序。

氣動蝶閥控制：若DCS控制器接收到加載允許指令，DCS控制器發出加載電磁閥控制信號，接通加載氣路，并斷開泄放電磁閥控制信號。其中，加載調節允許指令指：停機指令未觸發的前提下，排氣口壓力變送器降至加載閾值且主電機已完成星-三角切換，或空氣壓縮機啟動初次完成星-三角切換。

電動吸氣調節閥控制：加載氣路接通后，若DCS控制器接收到加載調節允許指令，則允許DCS控制器發出電動調節閥控制指令，此時電動調節閥控制指令作為輸出變量與被控變量排氣口壓力采用PID運算回路實現空氣壓縮機的加載調節，具體邏輯描述為排氣口壓力與空壓機出口壓力設定值SP送入DEV偏差運算功能塊，對設定值與實際排氣壓力的偏差值進行非線性計算，輸出計算值Y參與PID模塊運算，最終輸出電動調節閥控制指令，實現空氣壓縮機加載出力精密調節。電動調節閥位置反饋質量判斷信號、主電機電流質量判斷信號、排氣口壓力與空壓機出口壓力設定值SP偏差越限指示信號、卸載允許指令、加載允許指令非等5個信號共同進入邏輯“或”功能塊，其任一輸入信號為1均輸出閉鎖指令閉鎖電動調節閥控制功能。其中，加載調節允許指令指：加載允許指令存在、主電機電流變送器信號質量好、電動調節閥位置反饋信號質量好且排氣口壓力變送器信號偏差越過調節死區。

（3）卸載工序。若DCS控制器接收到聯鎖卸載指令，則DCS控制器發出泄放電磁閥控制信號，接通卸載氣路，并斷開加載電磁閥控制信號，關閉加載氣路，實現空氣壓縮機的卸載。其中，聯鎖卸載指令指：停機指令存在，或者主電機已啟動但未完成星-三角切換，或者排氣口壓力變送器升至卸載閾值且主電機完成星-三角切換開始做功。

（4）停機工序。若DCS控制器接收到電氣保護停機回路指令、熱工保護停機回路指令或者自動停機回路指令，DCS控制器發出卸載指令、閉鎖加載指令及閉鎖出力調節指令，并斷開主電機接觸器控制信號、主電機星型接觸器控制信號、主電機三角型接觸器控制信號、冷卻風扇接觸器控制信號，完成壓縮機組的停機。其中，電氣保護停機回路指令指：熱偶繼電器、急停按鈕反饋接點、相序保護器和主電機溫度開關至少一個動作；熱工保護停機回路指令指：排氣口溫度傳感器超過停機保護設定值，或排氣口壓力變送器超過停機保護設定值；自動停機回路指令指：泄放電磁閥控制信號閉合時間滿足設定值，且壓縮氣母管壓力變送器信號偏差不低于設定值。

按照上述控制工序搭建基于DCS控制系統的邏輯組態及人機操作界面，實現空壓機PLC原有功能的全面轉移。改造后，經冷熱態試驗，空壓機站啟動、聯鎖、加載、卸載、停機工序運轉良好，電流、溫度、壓力、故障報警等運行參數顯示完備且畫面整潔，操作人員對運行狀態的監測和故障的響應效率得到較大改善。

3 結束語

本文所述改造方案在不對現有空氣壓縮機機械主體進行改動的前提下，通過安裝在壓縮機上的電流、溫度、壓力等信號采集器件，制定符合企業用氣工況的DCS控制策略，由DCS分散控制系統代替PLC全面接管空壓機站的運行控制及狀態監測。而區別于PLC的封裝工藝，DCS分散控制系統的功能參數支持在線修改與信號強制，同時DCS系統對空壓機站信號的實時監視及歷史數據存儲，進一步滿足了故障分析以及設備優化需求，使空壓機站的運行更加合理，控制更加靈活便捷。本次改造解決了前文提到的現役空壓機的幾大主要問題，為具備DCS集散控制系統的生產企業PLC空壓機實現DCS自動控制提供了可行性參考，外加調節裝置的空壓機負荷自動控制回路也為空壓機站供氣優化、節能降耗提供了工藝方向。