空压机的DCS控制资料

空气透平压缩机在DCS自动控制中的应用和操作

吴建平王键

（江苏沙钢集团制氧项目办，江苏张家港市锦丰镇，215625）

摘要：本文详细介绍了沙钢21000Nm3/h空分装置空气透平压缩机自动控制的原理、逻辑联锁，以及改用CENTUM CS3000控制的组态设计和操作方法。

关键词：空气透平压缩机；集散控制系统；防喘振控制；压力控制；启动、加载、卸载以及事故联锁；软件组态；

作者简介：

吴建平（1965-）：男，工程师，现任江苏沙钢集团氧气厂副厂长，项目办副主任，主管制氧项目仪电条线工作。先后负责筹建了六套21000Nm3/h制氧机组。

王健（1976-）：男，工程师，主任协理，1999年毕业于上海理工大学，现从事制氧项目的工艺和仪表条线工作。

一、前言

沙钢集团650万吨热卷板工程配套6套21000Nm3/h无氢制氩工艺流程的空分装置，主体设备为杭氧生产。空压机采用美国Cooper公司3MSG--25/10型三级压缩的空气透平压缩机,配套ABB公司9800KW电机，软启动器为HTR—10000S柜式高压热变电阻。目前五套制氧机已经投产、第六套在建。其中第一、二套空压机的控制系统采用原厂专用QUAD2000控制器（单片机），后由于空压机控制器及其电源问题频繁停车就决定后四套装置改用DCS系统（Yokogawa Centum CS3000）控制，沙钢自行组态设计，从三台已投用空压机的使用情况来看完全能达到原厂控制器的相同效果。

二、空压机改用DCS控制的方案和过程

1、开停车的控制方案

我们将空压机的压力、温度、振动、位移、电流等模拟量直接接入DCS，DCS到电控的开关量信号通过机旁PLC执行控制。并可实现“电控”现场开停车或远程“DCS”全自动开停车功能。

空压机的控制要求压缩机在空分工艺要求的压力、流量变

化范围内安全运行，实现机组的启动、加载、卸载、故障联锁停车等一系列自动控制功能。核心内容是DCS系统根据出口压力和电机电流的测量值通过多个控制模块调节入口导叶阀IGV 和防喘振放空阀BOV（快速气动阀）两者的开度，使两阀协调动作保证出口压力稳定、工况远离喘振区（详见图1）。V3002放空阀（带电磁阀、气动放大器）仅作为BOV阀的补充和空冷系统压力低联锁放空使用，不参与核心控制。入口导叶阀IGV 和防喘振放空阀BOV均设有自动“AUTO”和手动“MAN”两种操作位置，以便于人为干预操作。手动时分别为手操器MIGV和MBOV。

BOV（防喘振放空阀）：气闭式、4-20mADC（0-100%）；

IIC3200 ：电机过载保护模块；PIC3009：出口压力控制模块；

FIC3200：防喘振控制模块；PIC3011：压力帽控制模块；

MBOV：防喘振阀手操器；MIGV：入口导叶手操器；

HC3001：V3001送气阀手操器；PIC3002：V3002放空阀控制模块。

图1 空压机气路控制图

2、空压机的控制原理（图2）

2.1 恒压控制

空分装置的工艺要求空压机的出口压力尽可能恒定（设计值为0.52Mpa表压）,这是整个装置的最基本的控制要求。空压机出口压力由恒压控制器PICS3009调节（设定值SV为系统实际所需压力值），控制对象为入口导叶IGV。

2.2电机过载保护控制

当空分装置后系统压力持续低于空压机出口压力设定值（例如设备大气量进行加温吹扫时），恒压控制器将控制入口导叶持续开大直至全开，此时拖动电机有可能过载。为了防止电机过载，引入电机过载保护控制器IIC3200（设定值SV为电机额定电流）调节导叶开度。

当电机电流超过额定值时，电机过载保护控制器与恒压控制器进行低选，限定入口导叶的开度，保护电机不过载。当然开车过程中也可以通过调整IIC3200控制器的电流设定值来限定入口导叶的开度达到变负荷、低负荷工况操作的目的。

注：KIY3001A：加载速率限定模块；KIY3001B：卸载速率限定模块；

KPY3009 ：防喘振曲线计算模块；KPY3011：压力帽计算模块；

AS1、AS2、AS3：低值选择器；FOUT：分配器。

图2空压机控制原理图

2.3防喘振控制（流量控制）

透平空压机运行过程中始终存在压力和流量匹配的问题（具体表现为压力和电机电流），特别是出现高压力小流量的情况极可能导致压缩机发生喘振，严重时损坏机组（引起高压力小流量的原因主要有操作不当或后系统故障引起的气量骤减等情况）。因此防喘振控制是非常重要的，目的是使压缩机始终工作在限定的范围内，而不进入喘振区，以确保机组的的安全运行。防喘振控制的对象是放空阀BOV。当空压机工作点靠近喘振区时提前打开放空阀增大流量使工作点远离喘振区。

PIC3009

图3 防喘振控制曲线图

压缩机发生喘振时每个压力对应一个最小电流值，压力与最小电流值呈线性关系构成喘振曲线（详见图3）。喘振线需在现场试车过程中实测出来（通常测得3个喘振点，选择最合适的2点）。由于喘振发生得非常快，所以在喘振线右侧设定一条防喘振控制曲线调节放空阀提前打开，与喘振线相距5∽8%的流量值（不取电流量程，否则能损大）。此偏移量越小，放空阀打开的机会就越少，能量损失越少，但也越容易受阀门响应影响进入喘振线以内；该量越大，放空阀打开的机会就越大，能量损失越大，但越能保证机组的安全。该偏移量值的选择很关键，需在开车过程中试验摸索。

计算方法如下：Y轴对应压力；X轴对应电流。喘振线方程式：Y=aX+b，将测得的2点喘振值代入方程式，求出a和b 的值就能确立喘振线。防喘振控制曲线方程式：X′=(1+C)*(Y-b)/a，C取8%。

控制原理图2中，KPY3009和FIC3200两控制器串级后构成防喘振功能，KPY3009控制器根据喘振曲线和防喘振控制曲线方程式计算出相应电流，FIC3200控制器调节放空阀开度，其设定值SV为控制曲线电流，随空压机出口压力变化而变化。机组工作点一旦达到喘振线，防喘振阀将快速全开卸压（MBOV 转手动），想升压时MBOV打自动位置。

2.4 压力帽控制

对于恒压控制的压缩机，单靠入口导叶的调整还不足以确保出口压力稳定在设计值，当压力继续升高并达到某一值时，压力帽控制器开始起作用打开放空阀，与防喘振控制器低选，保护出口压力不再升高。压力帽控制器实际上还起到预开放空阀的作用。

2.5启动联锁逻辑

在相关工艺和机械条件全部满足后，按“复位”键程序初始化：

（1）所有报警、联锁信息复位。

（2）入口导叶阀IGV处于手动全关状态，BOV阀处于手动全开状态。

（3）加载限定器处于手动0位，卸载限定器处于手动0位。