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内压缩流程空分装置的联锁控制研究 <一>

佚名   点击:

  前言

  二十一世纪以来,我国空分设备行业共生产大中型空分设备近千套,其中外压缩空分设备一般用于冶金(钢铁和有色)工业;内压缩空分设备一般用于化工行业(以煤化工制甲醇二甲醚、合成氨、煤制天然气和煤制甲醇为代表);高纯氮装置一般用于石油化工、造纸、玻璃、锂电池等行业,以及三塔精馏低纯氧技术、高纯氧氮气体及稀有气体全提取流程等这些先进流程的组织和应用,在近些年取得了快速发展,使得我国空分技术迈上了一个更新更高的台阶。

  空分设备的仪控系统对于一套空分设备来说至关重要,甚至是一套空分设备成功与否的关键,同时先进的仪表控制系统也是现代空分设备的标志。当前我国空分设备从建国初最初的几百,经过五六十年的发展,如今已跃升至十二万到十五万等级规模,与国外的差距进一步缩小。仪控系统也升级较快,其中大型空分仪控系统如:PLC(可编程控制系统)、DCS(先进的集散型控制系统)、ESD(紧急停车系统技术)、ALC(自动变负荷技术)、FCS(现场总线控制技术)、SIS(安全仪表系统)、MMS(振动保护系统)、ITCC(压缩机机组综合控制系统),及CCS(压缩机组协调控制系统)等的广泛应用,也标志着当前我国空分设备的先进性向国际一流水平迈进。

  1、空分装置联锁综述

  一般一套空分设备由工艺系统,仪控系统,电控系统三大系统组成。仪表控制系统设计以可靠、实用、先进、高性价比为原则。仪控系统采用分散型控制系统(DCS)、机旁盘仪表和就地仪表控制相结合的控制原则,即现场仪表+DCS控制系统。整套空分设备的各个单元设备包括各机组,如空气压缩机、预冷系统、纯化系统、分馏塔系统、氧压机、氮压机、液体贮存系统以及空分装置的公用工程测量点全部采用一套DCS系统来进行工艺参数的监视和控制联锁保护。

  对于空分装置的各个系统而言:空气过滤器系统,自洁式空气过滤器设有自动控制系统,可以自动定时反吹,并可以根据过滤器阻力大小调整程序;预冷系统,冷冻水泵、冷却水泵采用国内可靠产品,且均为一用一备,保证装置的可靠性;纯化系统,采用长周期,双层床净化,切换系统采用无冲击切换控制技术。切换系统采用DCS自动控制,并设有压力压差自动判断,再配合阀位返馈信号。可充分保证切换系统的可靠性,均压采用正反流流通能力相近的且具备良好调节性能的进口阀门,保证装置再生过程中工况的相对稳定;精馏系统,低温液体泵,采用进口名牌产品,一用一备,一台工作另一台低速运转作备用,若运行泵出现故障,则备用泵在15~20秒种内自动达到工作负荷。污氮放空阀采用预开方式,防止上塔“憋压”。

  空分内部逻辑连锁示意图见下图:

内压缩流程空分装置的联锁控制研究 <一>

  1.1压缩机组

  由空压机出口压力与空分给定恒定压力进行PID调节,该输出信号作为转速给定,经PID运算调节汽轮机主汽门,实现空压机组性能调节,确保空分装置空压机工况要求。在达到一定恒转速曲线条件下,增压机以其出口压力调节入口蝶阀。

  1.2机组防喘振控制

  空压机防喘振控制方案。采用整机防喘放空方式,五参数控制空压机出口防喘阀,五个参数为:入口压力、入口温度、出口压力、出口温度、出口流量。

  压缩机的防喘振调节系统可以保证机组在空分开车最低负荷至装置最高负荷的负荷调节范围内,经济稳定可靠地运行。该保护调节系统根据压缩机的特性曲线,自动实现当其运行工况点因某种原因而超过特定的防喘振控制曲线时,使防喘阀快速打开某一开度,进而降低排气压力、增加出气流量,使得压缩机快速脱离喘振工况。

  压缩机的防喘振保护系统是当压缩机的排气压力超过防喘振保护曲线时,压缩机的防喘振阀在2秒内快速全开以实现紧急卸压。

  增压机防喘振分低压缸和高压缸两部分,低压缸以进气流量、进气压力、进气温度和排气压力作为防喘振控制单元的控制要素,控制单元的控制输出作用于低压缸防喘振阀,防喘振阀的输出打回流于低压缸进口。高压缸以进气压力、进气温度和排气压力、排气流量作为防喘振控制单元的控制要素,控制单元的控制输出作用于高压缸防喘振阀,防喘振阀的输出打回流于高压缸进口。

  为了防止防喘振控制回路的深度积分饱和,该控制回路设置了有效的抗积分饱和的措施。

  1.3汽轮机

  汽轮机转速控制及热井液位等控制:实时监控机组的转速和汽机的热井液位等,以保证机组转速和汽轮机的热井液位正常,实现转速控制和超速保护。热井液位控制通过控制汽机热井的两台给排水阀和冷凝液泵的开停来实现。汽轮机密封为自立式调节。

  1.4预冷系统

  当出空冷塔的空气压力低于联锁值、空冷塔和水冷塔底部液位低于联锁值时,系统的循环水泵和低温水泵将停机。同时,原料空气压缩机也将处于全量放空状态。

  空冷塔的中部进水流量自动控制进水阀,同时当循环水泵停机,进水阀联锁关闭;空冷塔的上部进水流量自动控制进水阀,同时当低温水泵停机,进水阀联锁关闭;空冷塔下部的循环水位由空冷塔下部液位自动控制排水阀,保持液面恒定;
  水冷塔下部的低温水位由水冷塔下部液位自动控制进水阀,保持液面恒定。

  为了防止水中带微量杂质而引起的结垢,所有水流量的测量采用电磁流量计。

  1.5纯化系统

  两台分子筛吸附器按照工艺要求,用时序程序控制,其中均压阀采用分段控制,减少分子筛均压过程引起的上塔氩馏份波动。切换系统采用无冲击切换,保持床层的平整。污氮放空阀具有预开的功能,减少了分子筛系统切换过程中引起上塔压力波动。优化控制分子筛的冷却时间,以保证出分子筛的空气温度。分子筛切换阀具有故障的自诊断功能,能方便手动解除联锁及自动恢复联锁。

  分子筛每个切换阀分别具有手/自动切换的功能,当任何一个切换阀处于手动状态时,产生信息提示。当空压机停车时分子筛程序具有自动暂停功能,并记忆每个切换阀停车时状态。出分子筛空气中CO2含量监测报警。

  1.6增压透平膨胀机

  膨胀机组具有自动判断起动条件。膨胀机具有由轴承温度、供油压力、间隙与出口压差、转速、油泵等异常条件下的事故自动停车。增压机的防喘振是以进口压力、进口流量和排气压力三参数来控制的。增压空气含水量监测报警。

  1.7分馏塔

  产品氧气、液氧、氮气、液氮自动调节和纯度监测报警联锁。精馏塔的液面、压力调节及阻力的显示,有关操作点的纯度分析等。备用液氧泵在主液氧泵故障状态下的自动起动,液氧泵出口压力的自动调节,液氧泵的变频转速调节等。

  2、仪表联锁控制内容

  主要控制内容:根据空分装置的特点设定了以满足产品产量、产品纯度要求,保证装置先进性、与产品产量直接关联的流量控制;为满足装置稳定运转的压力、液面控制;以优化运行、操作简便的温度、分析、阻力控制。

  2.1以流量控制为主

  产品产量是空分装置的核心指标,是空分装置成功与否的标志。随着用户对变工况的要求,特别是像本流程空压机与空气增压机公用一台汽轮机拖动,对流量控制要求就更突出。

  流量控制主要包括:产品产量; 氧气产品,氮气产品等;总加工空气流量;增压压缩空气流量;蒸汽流量;冷却空气的常温水、低温水流量;纯化系统的污氮再生气流量;膨胀机流量;冷箱内液氮、贫液空、富氧液空等精馏塔物流。

  2.2压力、液面自动控制

  主要包括:空压机出口压力;空冷塔出口压力联锁;空冷塔、水冷塔液面;下塔液面;主冷液面;增压压缩机出口压力;氮气出上塔,污氮气出上塔压力;粗氩塔冷凝器液空去上塔压力;蒸汽压力;精氩塔液面;精氩塔压力;其他在流程中必须的压力点。

  2.3温度、阻力及成份分析

  主要包括:空气进、出空冷塔温度指示与报警;冷冻水进空冷塔温度指示报警;再生气进、出分子筛吸附器温度指示报警;分子筛出口CO2含量;空气进,氮气、氧气、污氮出主换热器温度指示;膨胀机进、出口温度;产品出装置纯度分析,下塔液空分析;氩馏份纯度分析;精氩纯度分析;空气过滤器阻力;空冷塔阻力;下塔阻力;上塔阻力;粗氩塔阻力;精氩塔阻力;其他在流程中必须的测点。

  3、气动阀门及变频器控制

  实现联锁功能及气动阀门控制离不开各种仪表,包括阀门定位器、限位开关、密封形式及执行机构等。对于电机拖动的机器一般采用变频器控制,实现空分流程设计目的。

  3.1气动阀门

  电-气阀门定位器是一种从控制器或控制系统中接受4~20mA电流信号,转换成空气压力,向气动执行机构输送,从而来控制阀门的开度。该产品正、反作用,单、双作用之间可方便转换。特点是空气消耗量小,零度调节和量程调节非常简单,反映速度快,反馈杆连接非常简单。一般有ALS-1000R(角行程)和ALS-1000L(线行程)标准型两种,防护等级IP65。

  限位开关(回讯器)是自控系统阀门位置显示和信号反馈的一种现场仪表,用以将阀门的开启或关闭位置以开关的量(触点)的信号输出,被程控接受或计算机访样,确认后执行下一程序。一般有ALS-210N(紧凑型机械式),ALS-310N(机械式),ALS-320N(接近式),ALS-330N(智能型机械带信号反馈式),ALS-410N(机械式防爆设计),ALS-410-3W(机械防爆设计带电磁阀工作站)等系列,空分设备中选择机械式较多。

  阀位反馈的作用是将任意开度位置的信号反馈的一种现场仪表,比限位开关可反馈的信息更多,以求更加准确的知道阀门位置,一般在精确要求阀门开度时才设置。

  密封形式有软密封和硬密封两种。泄露等级要求高的,一般采用软密封,但是寿命较短。硬密封泄漏等级稍低一些,但是使用寿命较长。切换阀要求泄漏越低越好,软密封阀的泄漏是最低的,切断效果当然好,但不耐磨、可靠性差。从泄漏量又小、密封又可靠的双重标准来看,软密封切断就不如硬密封切断好。如全功能超轻型调节阀,密封而堆有耐磨合金保护,可靠性高,泄漏率达10E-7,已经能够满足切断阀的要求。

  执行机构对于气动阀而言有薄膜式和活塞式两种。薄膜式控制更加准确,但是价格较高。活塞执行机构可充分利用气源压力,使执行机构的尺寸比薄膜式更小巧,推力更大,活塞中的O型圈也比薄膜可靠,因此它的使用会越来越多。

  电磁阀一般有二位三通和二位五通,要求失气保持原位的采用双作用,要求失电保持原位的要求采用双线圈,只有要求保位的电磁阀时才用二位五(四)通,其它二位三通即可。

  对于气动阀门的计算与选型比较而言,选型要重要得多,复杂得多。因为计算只是一个简单的公式计算,它的本身不在于公式的精确度,而在于所给定的工艺参数是否准确。选型涉及到的内容较多,稍不慎,便会导致选型不当,带来若干使用问题,如可靠性、寿命、运行质量等。

  3.2变频器

  在工业领域所使用的大部分电机均为感应式交流电机型电机。感应式交流电机(以后简称为电机)的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值(为2的倍数,例如极数为2,4,6),所以不适和改变该值来调整电机的速度。另外,频率是电机供电电源的电信号,所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机,这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此,以控制频率为目的的变频器,是做为电机调速设备的优选设备。n=60f/p,n:同步速度,f:电源频率,p:电机极数,改变频率和电压是最优的电机控制方法。如果仅改变频率,电机将被烧坏。特别是当频率降低时,该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生,变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。例如:为了使电机的旋转速度减半,变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz,这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度,变频器使用寿命减半。因此,我们要重视散热问题!在变频器工作时,流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的,不能忽视其发热所产生的影响。通常变频器安装在控制柜中。注意控制柜和变频器上的风扇都是要的。

  如果在变频器安装时,需要把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面,将会使变频器有70%的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量,所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体,这样效果也很好。

  4、空分各系统联锁控制

  4.1压缩机系统

  机组系统一般采用ITCC控制,大型空分设备的机组系统的程序联锁条件为:当汽轮机、空压机和增压机停车或故障时:
  (1)预冷系统停泵(冷冻水泵与冷却水泵)关阀(开冷却水、冷冻水进水阀)。

  (2)纯化系统切换阀保位(气缸双气源排气阀门保持原位,无弹簧),其它阀门按照事故状态设置动作。

  (3)膨胀机停车(无气源停车),膨胀机停时,增压机中抽放空(增压机末段无法消化大气量,防止憋坏增压机)。

  (4)停液氧泵(无产品液体来源停车,否则板式无法复热)。

  (5)停液氮泵(无产品液体来源停车,否则板式无法复热)。

  同时空压机自身全量放空,增压机自身一级和二级放空动作,汽轮机系统联锁动作。

  空分装置机组联锁见下图:

内压缩流程空分装置的联锁控制研究 <一>

  4.2预冷系统

  大型空分设备的预冷系统一般均采用氮水预冷系统,且与压缩机的末级冷却器合并,即取消末级冷却器,将其热负荷移到空冷塔中,空气在空冷塔下部被常温冷却水冷却,再经上部低温冷冻水进一步冷却。低温冷冻水来自水冷塔,在水冷塔中,水被空分返流的干燥污氮气冷却(水汽化吸热)。

  (1)水冷塔液位设置有高报、低报、低低报。其中高报与低报仅仅是报警,而低低报则是联锁相关动作。水冷塔液位由进口调节阀调节控制,当液位高时关小阀门,如果高于高报值时报警;液位低时开大阀门,当液位低于低报值时报警;低低报即当液位低于低低值时,联锁动作,关掉冷冻水阀门(关阀之后一段时间,然后根据情况判断是否停泵)。

  当水冷塔无水进去或者当流量低,液位涨不到设定值时,与水冷塔液位联锁阀门保持全开,此时进空冷塔的冷冻水控制阀,其流量与阀门开度的控制不起作用,达到低低报值时,低低报联锁停水泵(防止出水阀仪表气源断),以防水冷塔底部无水,水泵汽蚀。

  关冷冻水阀的好处是可以延缓一会,停水泵则不能延缓,停掉以后启动还需要一段时间。

  (2)进空冷塔的冷冻水流量由阀门控制,当流量低于一定值时,阀门全关。

  (3)要求水泵启动(就地和远控)必须进DCS(因为机器最好现场启动看电机是否转动),即DCS必须知道水泵是否启动(就地也进DCS判断,因为倒换水泵时必须先启动备泵,然后才能停运行泵),停水泵远控进DCS,就地不需要进DCS。

  (4)空冷塔液位高高值三选二,其中就地液位计高高报,集中液位计有高高报,高报,低报三个。由出水阀调节控制空冷塔液位,当液位低时,开度减小,到达低报值时报警;当液位高时,开度增大,到达高报值时报警。当液位继续上涨,达到三选二高高值时,联锁动作紧急切断阀全开。

  (5)停冷水机组,对于氨制冷要求切断液氨并且保证压力不降低,否则会出现低温,冻结水,再次启动时无法进行。

  (6)预冷系统大连锁:输入信号为三选二空冷塔出口低低压,三选二空冷塔液位高高(一个就地液位计只能高高,翻板液位计当超量程时才报警传输高高信号,不超量程只做就地液位计,两个集中高高)同时联锁开阀(紧急排水阀)动作,ITCC直接停水泵联锁动作。输出信号为预冷系统停泵(冷却水泵、冷冻水泵),关阀(关冷却水阀,冷冻水阀)联锁动作。

  4.3纯化系统

  大型空分装置的纯化系统,易采用长周期设计,即单个吸附器吸附时间为4小时,从而使吸附剂及阀门使用寿命延长,切换损失减小,同时减少因切换引起的压力波动次数,保持主塔工况稳定,切换系统采用无冲击切换控制技术,进一步确保运行的稳定性。具体措施有:污氮放空阀采用预开方式,防止上塔“憋压”;切换系统采用DCS自动控制,并设有压力、压差自动判断,再配合阀位反馈信号,可充分保证切换系统的可靠性;均压采用正反流流通能力相近的且具备良好调节性能的进口阀门,均压过程分程控制,保证充气过程平稳及装置在再生过程中工况的相对稳定。

  (1)两位式切换程序阀门:主要流路8台阀门,吸附与反吹8个气动切换蝶阀(三偏心阀门价格高出50%。3万等级以上用三连杆阀门,口径DN700以上;3万等级以下采用两偏心阀门,中线阀密封差,高压侧往低压侧漏气,同时阻力大,另外还有3个再生气阀门(污氮再生气反吹进分子筛之前,压力低,要求不是太高,允许漏气,为低压侧)共11个阀门,同时带电磁阀,切断气源或者连通气源。8台为切换阀(故障状态保位),3台气动蝶阀(故障状态保位),同时带上下限位开关。

  1个均压阀(可以修改时间长短及分程控制开度大小)和2个泄压球阀(分程适当少些)均要求程序控制缓慢打开(故障状态全关),带电气定位器带上下限位开关。

  (2)纯化系统大连锁:均压以后压差仍然大于15kPa维持均压状态,下一个程序暂停执行,直到两个纯化器的差压小于15kPa,再继续运行切换程序。

  (3)空压机故障停车或放空,纯化系统切换程序发出报警,并暂停程序(11台阀门保位,由于两位五通电磁阀双气源排气,无弹簧拉力,无法实现气开气关,3台球阀故障状态失气关闭)。

  (4)当再生时纯化器泄压小于10kPa才允许再生气进入(程序控制),否则继续泄压。

  (5)冷吹结束床层温度大于30℃时,继续冷吹,直至冷吹温度低于30℃才允许进入下一步骤。

  (6)对于应用电加热器加热的要求停运,否则气体不流通,会烧坏电加热器;对于蒸汽加热器则无此影响,蒸汽会憋压(蒸汽液化放热)而是蒸汽不进入。

  4.4膨胀机系统

  膨胀机系统主要任务是提供装置冷量,一般内压缩为为中压膨胀机,增压端进口压力为2.7MPa,增压到4.0MPa,然后膨胀进下塔。膨胀机一般设置2台,1用1备,1台进口,另一台为国产。2台均可单独工作,保证工况设计要求。以国产中压膨胀机为例说明膨胀机自身系统联锁为:

  (1)膨胀机系统大联锁:输入信号为膨胀机事故状态或者ITCC(空压机、增压机故障或者放空),联锁相应动作为:全关膨胀机进口紧急切断阀,全开膨胀机增压端防喘振阀(回流阀),防止膨胀机工况急剧波动(转速骤降甚至倒转或者增压端超压)而损坏,此时膨胀机一定要降速停车。

  如果输入信号为膨胀机事故停车(关紧急切断阀,开防喘振阀),则需要联锁动作ITCC(增压机中抽放空,但是不停车)。

  (2)膨胀机自身联锁设置:例如配套2万等级空分设备的中压膨胀机:转速初次启动要求大于1000r/min,否则转速太低无法形成油膜,易造成烧瓦;转速大于24000r/min时报警(高报);转速大于25500r/min时停车(高高报),对于国外刚性转子则有临界转速,要求迅速通过临界转速区,否则会发生共振损坏机组,国产挠性转子则无此要求。膨胀机增压端与膨胀端轴温大于80℃报警(高报);大于85℃停车(高高报)。油箱温度低于25℃时,启动电加热器加热。轴振(每端均布两个,共四个测点)大于40um报警(高报),大于50um停车(高高报);无运行信号时停车。

  (3)油泵联锁启动:

  a.供油压力≤0.14MPa,去联锁停膨胀机,故障原因如:两台油泵都故障导致油压无法升高,或者油过滤器堵塞,节流阀节流压力太大。

  b.供油压力≤0.18MPa,去联锁启动备用油泵(两台油泵同时启动,或者一台油泵运行故障,只能启动另外一台)。

  c.供油压力≥0.3MPa,去联锁停备用油泵,运行泵不停,先运行的为主泵,后运行的为备泵。

  d.供油压力≥0.2MPa,才允许启动膨胀机。

  联锁控制程序为:当油压低于0.18MPa,且转速大于1000r/min时(作为触发条件),同时强行启动1号与2号泵,正常后,当油压高于0.3MPa时,先停2号泵(以1号泵作为主泵,2号泵作为备泵)。

  关于停油泵:两台油泵一起运行时,想停一台油泵时,可以就地停或者联锁超压停油泵(一般两台油泵运行肯定超压,先运行的一台为主泵,后启动的一台为备泵,联锁停备泵)。

  蓄能器以压差为条件,油压低时自动供油,储气罐充气体提高蓄能器压力,将油压升高。

  <注:本文未完,更多精彩内容见下期>

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