离心式氮气压缩机的自动化改造

墙新奇

（新疆八一钢铁股份有限公司能源中心）

1 问题的提出

八钢能源中心制氧分厂南区国产12#循环氮压机（40000m3/h）排气压力基本依靠手动调节。进口导叶开度固定，通过回流和放空调节压力，设备能耗高，容易受用户用量变化的影响；设备运行不稳定。手动调节滞后，影响供气质量。一直以来，针对12#循环氮压机的排气压力只是远程监视，不能远程操作、控制。为了提高工作效率（同时降低操作人员的工作量），提高供气质量和降低能，对制氧离心式氮气压缩机进行了恒压自动控制改造，通过改造进一步提高设备的可靠性和可维护性。

2 改造的主要内容

2.1 建立新的控制模型

通过建立新的控制模型，实现排气压力自动调节。满足以导叶控制为主、回流为辅（主要为克服导叶可调范围较小的因素）的经济、安全调节方式；增加放空自动调节，缓解外部用户突然性大幅变化对空分系统的影响[1]。压缩机控制模型见图1。

图1 压缩机控制模型

图1所示，是以导叶控制为主、回流为辅的调节方式，给定1为正常的恒压控制设定值，与反馈1比较后，通过PID1模块控制进口导叶阀的开度，从而控制压缩机排气压力；当用户用量减少，导叶开度小于或等于开度下限时（小流量可能进入喘振区），PID1转为“手动”模式，导叶开度保持，PID2转为“自动”模式，回流阀参与自动调节；用户用量恢复，回流阀关闭，PID1转为“自动”模式；当用户用量增加，导叶开度大于或等于开度上限时（可能造成“阻塞”或电机过流），PID1转为“手动”模式，导叶开度保持，外部条件变化后PID1转为“自动”模式。

当外部用户用量突然大幅度变化（事故故障时），排气压力大于或等于报警值（给定2），为防止空分装置被冲击，放空阀自动调节（PID3投入自动），压力降低后关闭。

2.2 完善优化防喘振控制

改造前防喘振控制功能未投入，改造中增加了安全控制线及报警功能，提高压缩机安全运行的可靠性[2]。

2.2.1 安全控制线的设计

图2 压缩机防喘振曲线图

安全控制线（图2内侧线）是在防喘振线（图2中间线）的基础上(除原点外)压比值下移2.7%～5%获得，函数表达式为：

2.2.2 新增安全控制线

当工作点触碰或越过安全控制线后，发出报警信息（需要人为确认后才能消除报警），需要检查和干预压缩机及相关设备；若工作点触碰或越过防喘振线后，放空阀全开、回流阀全开；若工作点触碰或越过喘振线（图2外侧线）后，压缩机停机。

2.3 实现远程操控功能

改变原有远程仅有只读方式，无法写入数据或变量，实现远程操控功能。改造后的控制系统如图3所示。

图3 控制系统示意图

原控制系统PLC与DCS的I/O服务器为单工通讯，数据由PLC的CP341 MODBUS通讯模块（MODBUSMASTER）RS_485 串 口 发 送 至MOXA5630串口服务器（MODBUS SLAVE）--转换为Ethernet TCP/TP，经交换机发送至DCS的I/O服务器，采集处理后送DCS操作站。

（1）单工通讯增加参数[4]（不改变原有单工通讯方式，利用备用的变量通讯），具体见表1。

（2）增加DCS输出(新增I/O信号,通过硬接线实现PLC和DCS信号交换)，见表2。

（3）为防止现场信号窜入DCS，引起DCS故障或误动作，DCS送给现场PLC的AI信号用隔离器进行隔离，共4路信号，见表3。

表1 新增单工通讯DI变量表

表2 新增DCS/DO变量表

表3 新增DCS/AO变量表

PLC相应模块的两组共4个AI通道由2线制2DMU改为4线制4DMU（PIW312/PIW314/PIW316/PIW318），PLC接受有源信号。

2.4 控制程序优化

原控制程序采用STL（语句表）方式编制，改为用梯形图（LAD）和功能块图（FBD）方式编制，提高了程序的可读性和可维护性。

2.5 优化远程和就地的人机界面

为便于远程操作、手自动切换、量程修改、联锁和报警参数设置、PID参数设置等，对就地触摸屏的监控画面和远程的DCS监控画面进行了优化处理。

3 改造后的效果

2019年3月中旬12#循环氮压机完成热调试，投入生产运行，实现了远程主辅机设备启停、负荷调整、加卸载操作、手自动切换、恒压自动控制、压缩机工作点（防喘曲线中的）时时监测等功能，提高了压缩机安全可靠性。

提升了工作效率：每班平均节省单人现场操作和巡检时间1.2h，全年可节约900h。降低了能源消耗：额定压缩能力时负载电流平均降低约3A,每小时节能约52kW·h，全年节约374400kW·h。

4 结束语

改造中保留了原单工通讯的方式，远程操作所需的部分变量通过硬接线的方式从DCS输出给PLC，即这些关键操作指令不受通讯故障的影响。

这次成功改造的经验适合于国产离心式气体（非易燃易爆性）压缩机的改造。目前八钢在线使用的 INGERSOLLRAND、CAMERON、ATLAS COPCO、SAMSUNG TUBROMASTER等进口品牌的气体压缩设备控制系统与机器本体一体化集成，提供与第三方通讯的单工通讯接口，远程只能监视、不能操作和控制。这些技术障碍在智慧制造推进进程中需着手解决。因此这次的改造也为进口气体压缩机的远程控制改造提供参考借鉴。