空分增压机系统节能优化改造

赵东华,邱发春,冯伟,张超

制氧

空分增压机系统节能优化改造

赵东华,邱发春,冯伟,张超

（张家口紫光气体公司，河北张家口075100）

介绍了张家口紫光气体公司6#空分系统增压机节能改造的具体实施情况，实现了优化控制，降低了空分的能耗。

空分系统；增压机；控制系统；节能

1 引言

张家口紫光气体公司6#15000 m3/h空分系统为内压缩流程，增压机为二段串联的6级离心式压缩机，每段分三级，各有导叶、回流阀、放空阀一台。其DCS控制系统为ABB控制系统。增压机是空分系统中的主要耗电设备，6#空分增压机投产以来，一段导叶开度85%、回流阀开度6%，二段导叶开度20%、回流阀开度27%，空分单耗居高不下，长期在0.69 kW·h的水平，日耗电在10万kW·h左右的高值，在2012年厂优化生产工艺及技改工作会议上厂部提出对6#空分增压机控制系统优化改造。

2 改造方案

2.1 总体思路

该项目在增压机起、停车操作及连锁逻辑仍然由“ABB”控制系统来完成的基础上，增设一套CCC Vanguard S5 Duplex控制系统。ABB和3C控制器之间通过必要的信号来实现联络，6#空分增压机控制系统优化节能就是自动调节增压机的一、二段排压操作点，使操作点向喘振控制曲线右侧移动，以实现操作点的所谓“卡控”边控制，降低制氧单耗，确定一个合适的喘振控制裕度，再根据喘振发生的特点通过一些特定的控制响应来控制防止喘振的发生。优化控制主要是通过以下几方面来实现真正的防喘振控制与性能控制：

（1）根据喘振发生的特点，将闭环控制和各种开环控制相结合，实现防喘振控制。

（2）应用极限控制、解耦控制和各种后备功能，提高了增压机系统的稳定性。

（3）利用3C控制系统的快速测量、扫描、程序内部的高速运算速度，提高防喘振控制系统的响应速度。

（4）采用系统总线、I/O卡件、CPU处理器、通迅网络、模块内部电路均为双重冗余结构。

（5）实现自动变负荷操作，提高增压机的效率，起到节能降耗的作用，减少用电量。

2.2 技术方案具体实施步骤

增设CCC Vanguard S5 Duplex控制系统一套，首先确定ABB机柜和3C机柜必要的来往信号，然后在ABB操作系统上改编增压机起停车操作及连锁逻辑，最后在增压机起车后，通过仪表设备测量增压机各参数计算3C控制器的喘振曲线，同时在3C控制系统的增压机操作界面共建4个关键的控制器并定义它们的功能，实现自动加、卸载与防喘振控制。

（1）首先确定ABB机柜和3C机柜必要的来往信

号，通过表1中的信号来实现联络，确定所需增设的仪器设备及其布置，信号线路的布置方式及连接方法。

表1 ABB机柜和3C机柜来往信号

（2）然后改编仍由ABB控制系统来完成的增压机起停车操作及连锁,以及由两控制系统的来往信号逻辑图。

（3）最后增压机起车后，通过仪表设备测量增压机参数计算3C控制器的各喘振控制曲线，在3C控制系统的增压机操作界面共建4个控制器并定义它们的功能。

①计算3C控制器的各喘振控制曲线

因我厂增压机为非标设备，喘振控制中所需要的差压必须进行补偿计算，再得出SLL线与SCL线，如增压机一段计算方法。

第一步：喘振公式：

第二步：SLL线：f（x）=dpoc/k×ps

式中，k——补偿系数，k=0.18，k越大，斜率越大；

ps——PT-615；f（x）——纵坐标。

第三步：SCL线：f（x）1=f（x）×1/〔（1-b）1/2-1〕

（注：b=0.2，先设定，在实验过程中进行修定）

第四步：X=PT-619/PT-615

式中，PT-619——三级出口压力；

PT-615——一级入口压力；

X——横坐标。

第五步：根椐f（x）、X得出同一时刻的喘振曲线图。

以上计算所需要的参数以及增压机运行过程中发生喘振的时间与喘振时的差压值都可从历史数据趋势中找出。历史数据趋势图见图1。

图1 历史数据趋势图

②在3C控制系统的增压机操作界面共建4个关键的控制器并定义它们的功能。

6#空气增压机3C操作界面建的4个控制器分别为：一段出口压力控制器（PIC-619）；一段喘振控制器（FIC-620）；二段喘振控制器（FIC-623）；二段出口压力控制器（PIC-632）。

3 本方案所采用的主要理论与技术

6#空分增压机控制系统优化节能项目全面应用防喘振控制器、性能控制器、解耦控制器等控制技术作为优化控制的应用平台，进行防喘振控制。但稳定、节能的防喘振控制绝对离不开高速的测量数据采集速度、高分辨率的历史趋势数据显示功能与快速的运算功能。因此方案中必须增设一套高性能的CCC Vanguard S5 Duplex控制系统。

CCC Vanguard控制系统是真正的实时多任务开放式系统，采用先进的安全型cPCI总线构架；双重化冗余容错的硬件体系结合全面的冗余容错技术和独一无二的Fallback策略，使得系统可靠性达到

99.99%。先进的实时多任务操作系统将关键任务与非关键任务按优先等级实施控制，保证系统的执行速率不随I/O点数增加而下降，如防喘振、调速和性能控制执行速率为20 ms，使机组的精确控制成为可能。

它的主要技术特点在于：

（1）控制方式不同

传统的防喘振控制一般只适用于简单的单段压缩系统，3C先进的防喘振控制系统通常用于处理复杂的多段压缩控制问题，并有阶梯响应、多段压缩的解耦控制以及退守策略等控制方式。

（2）采样周期和执行周期不同

CCC Vanguard控制系统信号采样周期：2.5 ms；执行周期：系统任务——5 ms；控制任务——喘振控制、速度控制等压缩机控制任务以及紧急停车联锁20 ms。更快于ABB控制系统。

（3）冗余范围不同

所有与控制有关的部件（例如：IO卡件、控制器、内部总线、IO扩展、BUS等）都将按冗余容错配置。比ABB控制系统多出IO卡件的冗余。

4 关键技术及创新点

4.1 关键技术是防喘振控制器根据操作点的移动情况以操作点与偏差（DEV）为被控制变量将PI反馈控制和开环控制结合起来进行防喘振控制，具体如下：

（1）对于缓慢的小的扰动使操作点进入SCL左边的喘振控制区，3C防喘振控制器的PI控制算法根据操作点与SCL之间的距离（DEV=e）产生相应的比例积分响应使操作点回到SCL右侧的安全控制区。

（2）对于一个较大较快的扰动,当比例积分/微分(PI&D)响应不能使压缩机的操作点保持在SCL线的右边，而使操作点瞬间越过了SCL左边的RTL，则3C防喘振控制器的循环跳闸响应就会以快速重复的阶跃响应迅速打开防喘振阀，这样就恰好可以增加足够的流量来阻止喘振。

（3)在SLL左边还有一条SOL，如果因意外的情况（如组态错误、过程变化、特别严重的波动）使压缩机操作点越过SLL和SOL线而发生了喘振，则安全保险响应（CRSO）就会重新规定喘振控制余度的宽度b（裕度）使喘振控制线右移，增加喘振控制线与喘振极限线间的距离，并在一个喘振周期内将喘振止住。

4.2 在3C防喘振控制系统的调试投用过程中，碰到和解决的问题有：

（1）与3C防喘振控制器配套的测量仪表选用了反应较快的变送器，原防喘振控制阀为响应速度慢的等百分比控制阀，通过调整气动继动器提高控制阀的响应速度，使控制阀可以在1.6 s以内完成全开动作。

（2）要对变送器的阻尼进行调整，特别是流量测量变送器，以消除信号噪声对防喘振控制的不利影响。

（3）解决了3C控制器与ABB控制器间的通讯问题，使3C防喘振控制器上的信号可以在DCS上显示，方便了操作人员的操作。

（4）解决了以往增压机手动操作为主及起车与故障停车后恢算时间长的问题。

5 效益分析

表2是6#空分增压机控制系统优化节能项目投用前后的过程增压机数据比较结果。

表2 测试结果对比表

可以分析得出优化控制投运达到如下效果：

运行期间增压机电流和功率都有明显的降低。通过对比可以看出，投用后增压机压机平均电流从410.32 A降低到370.4 A，有效功率从4061.62 kW降低到3638.5 kW，降低幅度为10.42%。

6 结束语

6#空分增压机的控制系统优化控制由于调试准确，机组运行稳定，自开车以来从没有发生过机组喘振现象，为空分系统长期安全稳定运行提供了有力的保证。

The Energy-saving Optimization Revamping of Air Separation Booster System

ZHAO Donghua，QIU Fachun，FENG Wei，ZHANG Chao
(Zhangjiakou Ziguang Gases Company,Zhangjiakou,Hebei 075100,China)

The energy-saving optimization project of boosters in the No.6 air separate system of Zhangjiakou Ziguang Gases Company is introduced in detail.After completion of the project,optimized control has been achieved and energy consumption of air separation has been reduced.

air separate system;pressure booster;control system;energy saving

TH45

B

1006-6764(2013)10-0029-03

2013－07－08

赵东华（1983-），男，2006年毕业于河北农业大学仪表专业，助理工程师，现从事制氧设备维护维修管理工作。