淺談空分裝置自動(dòng)化

1、淺談空分裝置自動(dòng)化    摘要：本文介紹了空分裝置的現(xiàn)狀，簡(jiǎn)述了粵港6000Nm3h制氧機(jī)的MS流程，并對(duì)其自動(dòng)化系統(tǒng)的配置及典型控制回路進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：空分裝置 集散控制系統(tǒng) 防喘振  1  概述隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，冶金、化工、造船、機(jī)械等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域規(guī)模的日益龐大，及對(duì)氧、氮、氬等氣體要求的日益增加，空氣深度冷凍液化分離方法已成為適應(yīng)大型工業(yè)性生產(chǎn)的首選方法。它的主要原理是將空氣經(jīng)壓縮、冷卻和液化后利用空氣中氧、氮等氣體的沸點(diǎn)不同，采用多次蒸發(fā)，多次冷凝的方法進(jìn)行精餾分離而得到產(chǎn)品，再按不同用途

2、將產(chǎn)品加壓貯存和輸送給用戶。本文以粵港6000Nm3h制氧機(jī)為例談一下其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。2  空氣分離流程及其自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)目前，大中型制氧機(jī)普遍采用增壓分子篩凈化全低壓流程，即MS流程。它比切換式換熱器(REVEX流程)要簡(jiǎn)化很多。MS流程中主換熱器只承擔(dān)冷卻加工空氣，同時(shí)復(fù)熱返流的氣體，不承擔(dān)水分及二氧化碳的清除任務(wù)，因而不需要切換。以粵港6000Nm3h制氧機(jī)為例，純化后空氣一路經(jīng)冷箱內(nèi)換熱器到氧氮分餾塔下塔分餾；另一路經(jīng)增壓機(jī)增壓的空氣，到換熱器冷卻后再經(jīng)膨脹機(jī)膨脹，最后到氧氮分餾塔上塔進(jìn)行分餾，得到液氧、液氮、產(chǎn)品氧和氬餾份。氬餾份出冷箱后經(jīng)過(guò)氬純化系統(tǒng)，然后再返回冷箱

3、氬精餾塔分餾出液氬。冷箱產(chǎn)生的污氮用于送至純化系統(tǒng)吸附劑再生。本項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備(包括為單體設(shè)備配套的儀控設(shè)備)均為進(jìn)口，如氧氣機(jī)是SULZER公司的，冰機(jī)是JOY公司的，空壓機(jī)是COPPER公司的。這個(gè)系統(tǒng)的控制點(diǎn)有模擬量輸入148點(diǎn)，模擬量輸出6l點(diǎn)，RTD輸入87點(diǎn)，數(shù)字量輸入(24VDC)148點(diǎn)，數(shù)字量輸出(220VAC，50Hz)101點(diǎn)，儀控系統(tǒng)采用HONEYWELL公司生產(chǎn)的MincroTDC-3000X型集散控制系統(tǒng)，如圖1所示。UCN萬(wàn)能控制網(wǎng)是一個(gè)符合MAP通訊協(xié)議，具有冗余特點(diǎn)的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，可擴(kuò)展APM先進(jìn)過(guò)程管理站。因?yàn)橄到y(tǒng)中UCN網(wǎng)上未掛LM邏輯管理站。因此，在編寫(xiě)

4、類(lèi)似分子篩吸附器切換的順序控制程序時(shí)，單靠在APM上完成，效率就較低，也不方便，不如在LM上進(jìn)行簡(jiǎn)單的快速聯(lián)鎖控制和一般常規(guī)的PLc功能。ICN局域控制網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)US集中監(jiān)控。HM歷史模塊采用Winchester硬盤(pán)，保證斷電期間，數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)HM定時(shí)建立系統(tǒng)運(yùn)行的備用數(shù)據(jù)庫(kù)，可下載數(shù)據(jù)，以使控制數(shù)據(jù)連續(xù)。系統(tǒng)IO包括HLAI高電平模擬輸入模塊，LLADMUL(RTD)模塊，模擬量輸出AO模塊，DO(220VAC，50HZ)模塊，DI(24VDC)模塊。系統(tǒng)總IO負(fù)荷占最大允許量的比例小于85。負(fù)荷率是合理的。為提高系統(tǒng)的安全可靠性，UCN，LCN，NIM及模塊電源均

5、為冗余結(jié)構(gòu)。需要提一點(diǎn)的是APM與NIM之間的通訊電纜長(zhǎng)度一般小于10m，如果超過(guò)的話就要加兩個(gè)連接頭，所以中控室的布置上應(yīng)考慮這一點(diǎn)，使APM與NLM盡量接近?？辗窒到y(tǒng)有一些成套設(shè)備，都附帶有控制盤(pán)，其中主要是氧壓機(jī)就地柜，就地柜可以完成對(duì)氧壓機(jī)的常規(guī)控制。在粵港氣體工程中，為了便于集中控制，對(duì)氧壓機(jī)的一些重要參數(shù)如氧壓機(jī)出入口壓力顯示和回流閥的調(diào)節(jié)，均由DCS完成控制，這就使氧壓機(jī)單體的流量調(diào)節(jié)納入系統(tǒng)總物流的控制中。在現(xiàn)場(chǎng)就地柜和中控室都可對(duì)氧壓機(jī)進(jìn)行起停操作。為了能使監(jiān)控準(zhǔn)確可靠和對(duì)計(jì)量的要求，現(xiàn)場(chǎng)變送器選擇HONEYWELL的ST3000,900系列智能變送器，低溫調(diào)節(jié)閥選擇美國(guó)VA

6、LTCK閥，質(zhì)量流量計(jì)選擇了FISHROSMENGT的產(chǎn)品，馬達(dá)軸承、電機(jī)定子、冷箱內(nèi)等一些不易維護(hù)或重要的地方均采用雙支熱電阻。另外分析儀表室設(shè)有6面分析儀表柜，共12臺(tái)(其中9臺(tái)進(jìn)口)，分別用于分析產(chǎn)品純度、液體空氣、粗氬含氧量、污氮中含氧量等過(guò)程參量，這些分析儀對(duì)于研究分餾狀況很有幫助。對(duì)于液氧、液氮、液氬的計(jì)量一般采用質(zhì)量流量計(jì)(精度2.0左右)，但管道需要良好的保溫處理，否則液體汽化會(huì)影響測(cè)量精度。對(duì)于產(chǎn)量小的液氬也有在冷箱內(nèi)的精氬緩沖貯槽上設(shè)置液位計(jì)(精度3.0左右)間接測(cè)量液體產(chǎn)量的，但要考慮到液體液面波動(dòng)會(huì)給測(cè)量精度帶來(lái)影響。3  典型控制系統(tǒng)分析31空壓機(jī)控制系統(tǒng)(

7、如圖2所示)通常情況空壓機(jī)在定壓和定流量下運(yùn)行，當(dāng)壓力或流量過(guò)高時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)PV閥和調(diào)節(jié)放散管FV閥放空流量，以保持一定的壓力和流量并避免喘振發(fā)生。當(dāng)產(chǎn)品需要量變化時(shí)，需要對(duì)空壓機(jī)的流量、壓力、溫度等進(jìn)行控制，一般空壓機(jī)在保證液體產(chǎn)量不變的情況下，變工況流量調(diào)節(jié)范圍在75108之間。圖中是通過(guò)進(jìn)冷箱的空氣流量FC2來(lái)調(diào)節(jié)MAC入口導(dǎo)葉閥，使進(jìn)冷箱的空氣流量保持在設(shè)定值附近。當(dāng)前比較實(shí)用的自動(dòng)防喘振控制是當(dāng)離心式壓縮機(jī)流量過(guò)小，壓力過(guò)高時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)放空閥為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。UY引入空壓機(jī)出口壓力，空壓機(jī)出口流量，結(jié)合空壓機(jī)廠家提供的喘振曲線去控制放空調(diào)節(jié)閥，以避免喘振發(fā)生。為安全考慮，放散閥FV應(yīng)選

8、FO閥。當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，確保快速疏散，在考慮現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方便的情況下，放散閥FV應(yīng)盡量靠近主管，放散管至消音器的距離也最好短一些。同時(shí)放散管也考慮加粗些，以使道路便利。32 增壓機(jī)防喘振控制喘振現(xiàn)象是離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特性引起的。當(dāng)流過(guò)增壓機(jī)的空氣流量減少到一個(gè)最小流量值時(shí)，壓縮機(jī)性能就變得不穩(wěn)定了。喘振時(shí)，壓力和流量大幅度波動(dòng)將使整個(gè)增壓機(jī)的振動(dòng)加大，應(yīng)盡量避免。負(fù)荷減少是壓縮機(jī)喘振的主要原因，因此需要一個(gè)防喘振控制系統(tǒng)，確保在任何轉(zhuǎn)速下，限制壓縮機(jī)流量Ql不會(huì)小于喘振極限線所對(duì)應(yīng)的極限流量Qp,并且希望增壓機(jī)的正常操作點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離喘振時(shí)的操作點(diǎn)，這樣可以保證有較大的壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)范圍。因此采取循環(huán)流

9、量法，可以防止進(jìn)入喘振區(qū)。讓壓縮機(jī)通過(guò)的流量總是大于某一定值流量，當(dāng)增壓機(jī)吸入量Q1大于Qp時(shí)，旁路閥關(guān)死；當(dāng)Q1小于Qp時(shí)，旁路閥打開(kāi)，使通過(guò)增壓機(jī)氣流量增大到大于Qp，結(jié)果向管網(wǎng)系統(tǒng)供氣量將會(huì)減少，以適應(yīng)負(fù)載減小的需要。Qp是一定值，正確選定Qp是關(guān)鍵，Qp通常選最大轉(zhuǎn)速時(shí)的喘振極限流量作為Fc的給定值。但有一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)增壓機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，雖然增壓機(jī)未進(jìn)入喘振區(qū)，但入口氣量也有可能小于設(shè)定值(設(shè)定值是按最大轉(zhuǎn)速流量設(shè)定的)，結(jié)果是旁路閥打開(kāi)，部分氣體回流，造成能量的浪費(fèi)。因此負(fù)荷經(jīng)常變化時(shí)，這種方法就不太適合了。另外有時(shí)往往不能在增壓機(jī)入口管線上安裝節(jié)流裝置，因?yàn)樵谌肟诠苌蠝y(cè)流量會(huì)造成壓力

10、降，所以，要在增壓機(jī)出口管線上安裝節(jié)流裝置，如圖3所示本工程中對(duì)應(yīng)的流量Ql比喘振極限流量Qp略大510。3.3 加氫比值調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在氧化爐內(nèi)從粗氬塔而來(lái)的粗氬與氫氣反應(yīng)以除去粗氬中氧。氧化爐入口粗氬流量與其檢測(cè)出的含氧量相乘，從而計(jì)算出粗氬中實(shí)際的氧氣體積流量，同時(shí)考慮到在氧化爐內(nèi)反應(yīng)之后的過(guò)量氫氣(約1)，可以計(jì)算出需加入氫氣的實(shí)際體積流量。反應(yīng)后，使工藝氬中含氧量小于3ppm，過(guò)量氫含量小于l。如果粗氬塔中粗氬含氧量大于4.5 ，或進(jìn)口溫度較低，則停止粗氬壓縮機(jī)。因?yàn)榇謿搴趿窟^(guò)高，說(shuō)明分餾過(guò)程有問(wèn)題，會(huì)使氧的產(chǎn)量受影響，同時(shí)通過(guò)氧化爐降低氧含量也會(huì)較困難。此控制系統(tǒng)中，送入氧化爐內(nèi)氫

11、氣和粗氬分別有各自的流量調(diào)節(jié)回路。氫氣流量回路的設(shè)定來(lái)自氫氧比值計(jì)算器。同時(shí)當(dāng)主負(fù)荷粗氬提降時(shí)，投入的氫量也跟蹤提降，并使兩者比值不變。氫氣的流量測(cè)量精度在這里是比較重要的，本項(xiàng)目采用小孔板測(cè)量。34  再生污氮溫度控制系統(tǒng)該系統(tǒng)中污氮和蒸氣送入蒸汽加熱器。污氮加熱后送入分子篩純化系統(tǒng)，用來(lái)再生分子篩吸附劑，在粵港氣體工程中，通過(guò)調(diào)節(jié)蒸氣流量來(lái)穩(wěn)定送出的再生污氮溫度。但可以看出這個(gè)控制系統(tǒng)有缺陷，如果進(jìn)入加熱器的污氮流量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響加熱器出口污氮的溫度；同時(shí)因?yàn)闇囟葯z測(cè)量變化較慢，用它來(lái)控制蒸汽進(jìn)量有滯后的問(wèn)題。所以如果采用前饋控制，將污氮流量變化這一先導(dǎo)干擾引入控制回路中，就可提高響應(yīng)速度，穩(wěn)定溫度。但為了保證前饋補(bǔ)償?shù)木龋瑢?duì)控制閥的要求較嚴(yán)格，通過(guò)把前饋控制器的輸出與溫度控制器的輸出疊加后作為蒸汽流量控制器的給定值，從而構(gòu)成前饋串級(jí)控制，效果會(huì)更好些。4 結(jié)束語(yǔ)當(dāng)今，空氣分離技術(shù)越來(lái)越朝專(zhuān)業(yè)化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，在保證最大收益的前提下，努力降低能耗是這項(xiàng)技術(shù)面臨的主要工作。在實(shí)際工作中善于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，改善流程控制