工艺液氧泵的控制探讨

摘要：在大型空分装置中，液氧内压缩空分装置占有的比例最大，来自主冷低压液氧通过液氧泵加压后，通过高压主换热器复热至设计温度后作为产品氧气送用户使用。文章介绍了大型空分装置工艺液氧泵的控制功能、实施方法、操作方式，从而保障工艺稳定运行。

关键词：空分液氧泵系统；时序控制；联所逻辑控制；外给定PID；阀门开度记忆；工艺液氧泵 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2017）04-0054-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.028

目前在大型空分装置中，液氧内压缩空分装置占有的比例最大，来自主冷低压液氧通过液氧泵加压后，通过高压主换热器复热至设计温度后作为产品氧气送用户使用；液氧泵配置两台，其中一台正常运转，另一台处于惰转备用状态，当工作的液氧泵故障时，惰转备用泵在短时间内提升到工作运转状态，保证后续工艺用氧的需要。

液氧泵系统是空分装置的最重要的组成部分，它是时序控制和联锁逻辑及外给定PID控制的结合，本系统的控制是保证空分装置长期稳定运行的关键之一，对于大型空分装置在设计该程序时和阀门选型方面必须经过充分的考虑以满足工艺和用户提出的控制要求，确保空分装置运行稳定，保证后续氧气的正常供应。

图1为兖矿国宏化工60万吨甲醇项目30000Nm3/h空分液氧泵工作情况，正常运行的液氧泵后压力8.0MPa、泵前0.2MPa、转速3389rpm，惰转备用泵后压力0.33MPa、泵前0.2MPa、转速300rpm，若是正常运行的泵由于某种原因出现故障，惰转备用泵在10秒内从当前工况达到正常的工艺用氧的压力和流量使后面煤汽化系统用氧不受影响，后续用氧的最低使用压力6.5MPa，如果低于此压力，气化炉将不能正常工作，这样就会造成后续生产停运，损失就很大，为了保证正常生产不受影响，除了设备本身可靠外，在液氧泵的控制上做了以下的程序控制功能来满足工艺的用气要求。

1 单台氧泵程序控制的主要功能

1.1 液氧泵加热器的控制

加热器通过DCS系統的操作画面能手动启停控制，通过按画面上的对话框“启动”、“停车”按钮，弹出对话框“是否要启动”或“是否要停车”，如果要启动或要停车选定“是”如果不需要启动或不需要停车选定“取消”，就可以完成手动启停操作，也能避免误操作；加热器的控制同时受液氧泵的轴承温度的控制要求：当温度小于等于5℃时自动启动加热器进行加温，当温度大于25℃时停止加温。

1.2 液氧泵风扇的控制

与加热器相同，在DCS系统的操作画面能手动启停控制，操作方法也类似；液氧泵启动之前先启动风扇，也就是风扇有运行指示后氧泵才允许启动，风扇运行信号消失氧泵联锁停车。

1.3 液氧泵本身的联锁停车

1.3.1 启动条件：风机运行、轴承温度大于

-40℃、进口阀开度大于95%、空分预冷系统联锁解除条件同时满足才允许启动液氧泵。

1.3.2 停车条件：风机停运、轴承温度大于120℃、迷宫温度低于-150℃、氧气出冷箱温度低于0℃、出口压力高于8.9MPa、空分预冷系统联锁停车、紧急停车台停车信号条件之一满足时液氧泵联锁停车，从而保障设备安全，停车时使进出口阀的电磁阀失电关闭氧泵进出口调节阀（同时程序置4mA信号输出给现场阀门定位器，阀门为故障关，保障电磁阀失电和定位器的输入信号同步）、关氧泵回流阀（程序置20mA信号输出给现场阀门定位器，阀门为故障开，使氧泵与冷箱其他设备隔离）。

1.4 变频调速控制

液氧泵的转速是通过变频调速进行控制的，变频器的给定值为外给定，由DCS系统输出4～20mA信号到变频器，变频器根据此给定信号进行转速的调节，同时变频器把转速信号反馈给DCS进行显示，方便操作。

1.5 电机的电流

液氧泵运行的电流信号进DCS显示，根据电流大小可以作为判断运行泵是否故障。

1.6 进出口阀门的电磁阀控制

电磁阀在不参与联锁或调试过程中可以手动操作让其得电（可操作阀门的开度大小）、失电（关闭阀门），在投入联锁后电磁阀的控制不受人为操作影响，联锁信号才能让其得电或失电。

2 两台液氧泵互为备用的控制功能

2.1 操作画面按钮及操作参数设置

对加热器、风机均设“启动”、“停止”按钮，对液氧泵设“启泵”、“停泵”按钮，对每台泵设“独

立/互备”按钮，对电磁阀设“得电允许操作”、“失电全关”按钮，为了防止误操作，每个按钮的操作均需确认才生效。

2.2 操作画面参数设置和显示

为了方便在不同工况下的操作，在操作界面上对每台泵的转速、进出口阀门的开度、回流阀的开度、泵出口压力调节回路的PID调节器的外给定设定值在权限许可下可以进行修改，界面上同时显示设定值和当前运行的值。

2.3 互为备用程控说明

以一号液氧泵正常运行二号液氧泵惰转备用加以说明。

2.3.1 参数设置：两台泵运行达到各自的运行参数后做如下设置：（1）把两台液氧泵的“独立/互备”按钮设置为互备方式，操作画面显示“互备”；（2）二号泵转速输出的设定值设为正常工作泵的转速值：3389rpm；（3）二号泵出口阀的开度设为正常工作泵出口阀的开度：100%；（4）二号泵回流阀的开度设为正常工作泵回流阀的开度：20%；（5）二号泵出口压力PID调节的外给定值设为正常工作泵的出口压力值：8.0MPa。

2.3.2 正常工作的泵故障可能是如下的原因：泵工作得是否正常最终反映在出口压力和输送量上，若是泵工作在额定转速工况附近，用氧量保持不变的情况下出口压力值偏离工况比较大，说明泵有故障，故障可能是以下原因引起：汽蚀或喘振、迷宫密封异常、电气故障等原因；泵若汽蚀对泵的损害最大，可能会对叶轮造成不同程度的损坏，汽蚀时也会使振动增大，同时由于低温液体离心泵在安装过程中可能会出现一定的偏差，导致在运转过程中转子不对中，产生不平衡力从而造成零部件松动、局部温度过高诱发振动及喘振，在泵的工作中若是出现以上严重对泵有损坏的可能或对后续用氧造成影响的情况时必须在短时间内把惰转备用泵投入额定工作状态、停运故障泵来保证工艺的稳定和设备的安全，切换后两泵的互备自动转为独立运行，待故障泵维修后，重新启动作为备用，此时需要手动投入互备按钮。

2.3.3 惰转备用泵自动投入额定工况的过程：（1）转速给定：程序设计时把操作画面上设定的正常工况下运行的转速自动赋值给DCS的AO输出去作为变频器的设定值，变频器按照新的设定参数去控制液氧泵的变频电机，使变频电机在10秒内从当前的转速达到额定转速，进入正常的工作状态，泵切换时由程序进行给定，切换完成权限交给操作员；（2）氧泵出口阀控制：惰转备用泵的出口阀是关闭的，靠回流量来维持其惰转工况的，当转为主工况时出口阀的电磁阀带电，同时把操作画面上阀门的开度值自动赋值给DCS的AO输出，使阀门开到设定开度；（3）氧泵回流阀控制：惰转备用泵工况回流阀是按出口压力为惰转压力设定值进行PID自动调节控制的，阀门开度比较大，当转为主工况时，阀门的开度在3～5秒（时间可调）内按照时间斜率预关到主工况运行时的设定开度，出口压力的设定值自动赋值为主工况的设定值，延时6～8秒（时间可调）投入闭环自动调节，并对压力的控制进行限幅控制，保证压力稳定在7.5～8.5MPa之间，从而来保证后续工况大于6.5MPa的使用压力和液氧泵的安全运行，泵切换时由程序进行给定，切换完成通过出口压力自动控制，权限交给操作员。

3 液氧泵的操作

低温液氧泵长期工作在低温工况，其操作有严格的操作程序，每台泵在独立程序控制中单独启动，启动前需要做如下的主要准备工作。

3.1 启动前的准备

3.1.1 液氧泵接触的是氧介质需要禁油，因为氧气和油混合会引起火灾或爆炸的危险，因此需要确认脱脂情况。

3.1.2 密封气的确认：迷宫密封液氧泵需要通干燥的密封气进行密封，通常为干净干燥的氮气或干燥的仪表空气。

3.1.3 确认泵的转动方向，多级离心泵一般为逆时针方向（单级泵多为顺时针方向），结合使用说明书确认。

3.1.4 启动加热器，加热器的控制按照轴承温度情况进行自动控制，小于5℃自动启，大于25℃停加热器；启动风机。

3.1.5 液氧泵的预冷：打开进液阀和与之有关的手动阀，对泵进行预冷，关闭氧泵的回流阀和出口阀，预冷时间通常为：60分钟左右。

3.2 启动

充分预冷后启动液氧泵，打开泵出口阀、回流阀的开度一般控制在70%～80%、打开冷箱外面的氧气放空阀、关闭氧气送气阀，并行升压，通过DCS输出信号慢慢给变频器加载使泵从低转速达到额定转速，调节回流阀和氧气放空阀的开度，使压力达到泵的工作压力，稳定后把氧泵回流阀和氧气放空阀投入自动调节，若后续工况需要用氧，进行氧气放空阀和氧气送气阀的切换，慢慢打开氧气送气，同时慢慢关闭氧气放空阀，稳定后投入自动，氧气放空阀通过压力进行控制、氧气送气阀通过用氧量的流量进行控制；惰转泵启动时泵的出口阀是关闭的，通过回流阀控制其惰转工况，两泵都运行稳定后把它们均投入互备状态，程序设计时先运行的泵为主泵，当运行的主泵故障时惰转泵转为主泵，故障泵处理好后变为惰转备用泵。

3.3 停泵

正常停泵：按下画面上的停车按钮并确认，切断液氧泵电机的电源，缓慢关闭氧泵的进出口阀、缓慢关闭回流阀，打开相应的手动液体排放阀、加温复热液氧泵到常温；联锁停泵自动完成进出口阀、回流阀关闭工作。

4 结语

两台液氧泵的互为备用的自动切换大大提高了整套空分系统的稳定性、可靠性和安全性，减少了增压机末级空气的放空，同时更好地满足了后续工况连续用氧的要求，降低了由于液氧泵故障引起后续工艺停车的风险，为整个工艺过程提供了安全保障，运行稳定可靠在投运的许多内压缩空分装置中得到了广泛的验证。

作者简介：文国荣（1964-），男，四川空分设备（集体）有限责任公司空分事业部自控室主任，高級工程师，研究方向：过程控制自动化。

（责任编辑：蒋建华）