浅谈北营能源总厂空分装置自动化

浅谈北营能源总厂空分装置自动化
摘要：本文介绍了空分装置的现状，简述了北营能源总厂制氧系统50000Nm3／h制氧机的工艺流程，并对其自动化系统的配置及典型控制回路进行了分析。

关键词：空分装置集散控制系统典型控制系统
1.
概述
随着世界工业化进程的不断发展，冶金、化工、机械等传统工业领域规模的日益庞大，及对氧、氮、氩等气体要求的日益增加，空气深度冷冻液化分离方法已成为适应大型工业性生产的首选方法。

它的主要原理是将空气经压缩、冷却和液化后利用空气中氧、氮等气体的沸点不同，采用多次蒸发，多次冷凝的方法进行精馏分离而得到产品，再按不同用途将产品加压贮存和输送给用户。

本文以北营能源总厂制氧系统50000Nm3／h制氧机为例谈一下其自动化控制系统的特点。

1.
空气分离流程特点及其自动控制系统
2.1工艺流程及主要性能参数
该套空分设备采用分子筛增压流程，压缩空气经分子筛纯化后，一路经冷箱内换热器到氧氮分馏塔下塔分馏；另一路经增压机增压的空气，到换热器冷却后再经膨胀机膨胀，最后到氧氮分馏塔上塔进行分馏，得到液氧、液氮、产品氧和氩馏份。

另外该套空分采用规整填料塔和全精馏制氩等先进技术外，还采用了液氧自增压技术，具有负荷变化范围大，液体产量高的特点。

采用液氧泵，将上塔底部的液体打到主冷的上部，也是这一套空分设备流程组织的一个特点。

该套空分设备不仅要求有高负荷的工况, 更具备稳定的低负荷工况, 其负荷变化的范围是50%～105%。

本项目的设备除两台空透是GHH公司利旧设备，其它的主体设备均为国产，
如氧气机是杭氧公司的，冰机开利公司的，氮透是沈鼓公司的。

这个系统的控制
点有模拟量输入560点，模拟量输98点，RTD输入125点，数字量输入
(24VDC)148点，数字量输出(220VAC，50Hz)120点。

2.2自动控制系统
五万立制氧机组仪控系统采用日本山武的Harmonas DCS过程控制系统，以
彩色CRT屏幕显示、键盘操作、自动制表代替了常规的中央控制室内设置的主仪
表盘、半模拟盘及操作台上所设置的显示、报警、记录及操作仪表。

Harmonas过
程控制系统及机旁盘采用UPS不间断电源供电，包括分析仪表室内所有的分析仪表。

本系统采用利用DCS冗余技术，使控制器、电源及通讯总线采用双机热备的
形式，控制的可靠性得到进一步提高。

能够实现连续控制、顺序控制、逻辑控制、先进控制、数据采集及网络之间的互相通讯等功能，将生产过程控制、监视操
作和工厂管理有机地结合起来。

DCS人机界面使用的是INTOUCH软件，从控制器
读取过程采集来的数据用于显示，同时操作员把各种控制命令写到控制器里。

总
之操作站完成了过程数据的实时监视各种画面显示、操作命令的输入、报警和事件、报表及打印、系统诊断和维护、系统组态。

图1北营能源总厂制氧系统山武DCS系统网络拓朴图
系统I／O包括HLAI高电平模拟输入模块，LLADMUL(RTD)模块，模拟量输出AO模块，DO(220VAC，50HZ)模块，DI(24VDC)模块。

系统总I／O负荷占最大允许
量的比例小于85％。

负荷率是合理的。

为了能使监控准确可靠和对计量的要求，现场选用E+H变送器,阀门分
子筛部分采用法液空利旧阀门，其它的大部分采用无锡工装阀门，电机轴承、电
机定子、冷箱内等一些不易维护或重要的地方均采用双支热电阻。

另外分析仪表
室设有6面分析仪表柜，共12台(其中10台进口)，分别用于分析产品纯度、液
体空气、粗氩含氧量、污氮中含氧量等过程参量，这些分析仪对于研究分馏状况
很有帮助。

3、典型自动化控制系统分析
3.1 空压机防喘振控制系统
在空压机正常运转中，防喘振系统的保护是保障机器平稳运行，空分设备工
况稳定的关键，故在设计防喘振系统时应做到全盘考虑。

整个空压机的连续控制
分为二个大部分：机器（导叶）的自动加载和防喘振阀的连续控制。

引入空压机
出口压力，空压机出口流量，结合空压机厂家提供的喘振曲线去控制放空调节阀，以避免喘振发生。

为安全考虑，放散阀应选快开阀。

当喘振发生时，确保快速疏散，在考虑现场维护方便的情况下，放散阀应尽量靠近主管，放散管至消音器的
距离也最好短一些。

同时放散管也考虑加粗些，以使道路便利。

本装置空压机原
设计的自动加载，自动卸载由于空压机导叶不能投入自动，现已取消此功能。

防
喘振主要靠三台放空阀(原设计两台，疏散后压力0.33Mpa，为保证安全增加一台
放空阀)，每台放空阀设有快开电磁阀和增速器保证压缩机发生喘振时，2秒种快
速打开三台放空阀，从而保证机组的安全。

601 90669
00
759
00
766
000
流
量
6.1 56.6
1 6.8
7.2
20
压
力
图2理想的流量-压力理论喘振曲线
3.2粗氩系统的分程调节
为了能使精氩塔正常工作，要求入精氩液化器的精氩流量保持在设定值，
FIC701实现分程调节，控制V705和V712阀，当粗氩流量增大量，V705（4~12mA）阀关小，粗氩流量减小时，V705阀开大。

但当V705阀全开，FIC701的流量值仍
低于设定值时，FIC701的调节器控制V712（12~20mA）开启相应的开度，粗氩自
动放空。

图3粗氩系统流程图
3.3氧气透平压缩机吸入压力及排出压力调节系统（低选）
为保证氧压机吸入压力和排出压力恒定而设。

吸入压力经压力变送器PT3302
送到DCS现场控制站，PIC3302调节器输出来控制氧压机入口导叶的开度，从而
改变氧压机的入口流量，以保持吸入压力恒定；若由于供给氧压机的气量不中，
以致于入口导叶关小到极限值，吸入压力仍然低于规定值时，则现场控制站的
PY3304自动地打开高压旁通阀V3303，靠回流量来维持吸入压力恒定。

动作一般
设定为先关导叶，后开回流。

排气压力经压力变送器PT3309送到DCS现场控制站，其一与来自PT3302吸
入压力经低值选择PY3304输出控制高压放空阀V3304，但两者设定值是不一样的，先开回流，后放空。

确保排气压力不超过规定值，并且不影响其他调节系统。

图4氧气透平压缩机低选原理图
3.4 PID控制
图5单回路PID控
制框图
比例、积分、微分调节规律对控制系统的影响：
比例调节规律就是调节器的输出变化与输入偏差成比例关系。

只要调节器有
偏差输入，其输出按比例变化，因此比例作用及时迅速。

但比例作用存在余差，
即被调参数回不到设定值上。

余差是比例作用的一个缺点。

比例常数值越大，余
差越小；但若过大，系统容易振荡，甚至发散。

积分调节规律只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，调节器的输出才稳定，这就是说积分作用能消除余差。

积分时间越小，积分速度越大，积分作用越强，但系统的稳定性降低。

微分调节规律根据被调参数变化的趋势，而提前调节措施，这是微分作用的特点，称为超前。

对于容量滞后较大的对象，用微分作用可以使超调量减少，操作周期和回复时间缩短，系统的质量可得到全面的提高。

微分作用的时间越长，则微分作用的输出越大，微分作用越强。

但微分时间过长，容易引起系统的不良振荡。

空分上常用的压力调节用比例积分调节。

液位调节有滞后性，应在比例积分调节的基础上加一定的微分调节，但实际调节时调整效果不理想，一般不加微分调节。

温度调节时滞后性比较大，调节时微分参数必须有才能达到理想的调整效果。

3.5增压机回流阀控制和膨胀喷嘴控制现场与远程控制
增压机回流阀控制和膨胀喷嘴控制现场在膨胀机机旁盘和中控室DCS系统操作站上均可操作。

膨胀机开车阶段，一般在机旁盘上操作。

待机组运行正常后，操作转入中控室DCS 操作。

下面程序是为保证机旁盘数显仪控制与主控室DCS控制实现无扰动切换而编写的。

SEQUENCE MMM4 (XPC ; POINT MMM4)
EXTERNAL HC401YM, HC402YM
EXTERNAL HI401Y, HI402Y
EXTERNAL PC402Y,HC402Y
---------------------------------
PHASE LTD
STEP ST1
IF HC401YM.PVFL=ON AND HI401Y.BADPVFL =OFF
THEN (SET PC402Y.MODATTR=PROGRAM;SET PC402Y.OP=HI401Y.PV)
ELSE SET PC402Y.MODATTR=OPERATOR
--------------------------------------
IF HC402YM.PVFL=ON AND HI402Y.BADPVFL =OFF
THEN (SET HC402Y.MODATTR=PROGRAM;SET HC402Y.OP=HI402Y.PV)
ELSE SET HC402Y.MODATTR=OPERATOR
GOTO STEP ST1
--------------------------------------------------------
END MMM4
图6透平膨胀机喷嘴及回流阀自动跟踪CL控制实例
3.6 再生污氮温度控制系统
该系统中污氮和蒸气送入蒸汽加热器。

污氮加热后送入分子筛纯化系统，用来再生分子筛吸附剂，在五万立制氧工程中，通过调节蒸气流量来稳定送出的
再生污氮温度。

但可以看出这个控制系统有缺陷，如果进入加热器的污氮流量发
生变化时，会影响加热器出口污氮的温度；同时因为温度检测量变化较慢，用它
来控制蒸汽进量有滞后的问题。

所以如果采用前馈控制，将污氮流量变化这一先
导干扰引入控制回路中，就可提高响应速度，稳定温度。

但为了保证前馈补偿的
精度，对控制阀的要求较严格，通过把前馈控制器的输出与温度控制器的输出叠
加后作为蒸汽流量控制器的给定值，从而构成前馈．串级控制，效果会更好些。

4结束语
当今，空气分离技术越来越朝专业化、规模化、标准化的方向发展，在
保证最大收益的前提下，努力降低能耗是这项技术面临的主要工作。

在实际工作
中善于发现系统存在的问题，改善流程控制方案，必将进一步提高空气分离的自动化控制技术水平。

参考文献
1.
毛绍融现代空分设备技术与操作原理杭州出版社。

2005.5
作者简介：王国海，男，1973年出生，工程师，1995年毕业于阜新矿业学院工业自动化仪表专业，现从事工程技术管理工作。