1 引言
Atlas风机是我厂核心设备之一,采用两级压缩,设计风量28800NM3/h,出口压力为4.4Bar(绝压),它的主要作用是为吹炼炉供风。因此该设备的运行情况将直接影响到成品铜的产量,在生产的衔接过程中起着非常重要的作用。但该设备在投运试车时,的确遇到了一些问题,使风机无法正常使用。Atlas风机工艺流程如图1所示。单就Atlas风机而言,其单体运行试车比较顺利。但联动试车配合吹炼炉用风,出现问题较多,Atlas风机频繁喘振,根本无法满足吹炼炉风量大范围波动的使用条件,风机无法正常运行。Atlas风机频繁喘振,不但风机给设备安全稳定运行造成极大威胁,而且严重影响吹炼炉供风。
2 Atlas风机控制回路分析
2.1 加载过程中的控制
压缩机的加载过程是一个从卸载(空载)状态,转入恒压控制达到压力设定值,给系统供风的过程。当控制系统接到加载的命令后,控制系统会比较系统的实际压力与设定压力,当系统设定压力大于实际压力时,入口导叶会从空载时的５％开大,风量加大,电动机电流上升;当电流超过2５９Ａ(ＴL设定值)时,或压力超过设定值,入口导叶关小,电机电流减小,流量降低,压力降低,当流量低于喘振控制值时,喘振调节阀打开,即保证节能又避免喘振停车事故发生。系统压力达到设定值,进入恒压控制状态。这个加载过程的快慢及能否加载成功,与控制参数比例度、积分时间的大小有关。当系统需要快速加载时,应将比例积分时间适当调大些,过量的调整这些参数,反而会使阀门非正常频繁动作,流量急剧波动,加载失败。
2.2 加载成功后的控制
由于系统风量需求是变化的,压缩机的任务是在系统需求发生变化时,能通过控制系统的调节,保持系统压力不变,起到一个恒压源的作用,它的控制是由入口导叶和喘振阀共同调节来完成的。控制模式是高负荷限制、节流限制加比例积分算法。高负荷限制是在需要时限制入口导叶的最大开度,保护电动机,节流限制是限制入口导叶的最小开度为40%,保护压缩机,调节器为反作用,入口导叶为气开阀,喘振阀为气关阀。在压力控制回路中引入对电动机的电流的控制,是这个回路的特点。引入电动机电流的第一个作用是保护电动机,防止过载,称为高负荷限制(High Load Limit, HLL);第二个作用是确定放空阀开始打开的门槛,这个点称为节流限(Throttle Limit, TL)。实际上入口导叶、喘振阀是分程控制的。
2.3 卸载过程中的控制
卸载命令发出后,控制器会将入口导叶从工况开度滑变到卸载点开度,即５%,而喘振阀会全开。以上3种情况下两个调节阀的动作关系,可用图2来说明。２＃炉每班出铜期间停止用风平均1.5小时,进入卸载状态,达到节能目的。
3 风机喘振原因分析
Atlas风机单体试车,风机运行正常,在联动试车时,由于加载时,吹炼炉供风系统不稳定,造成风机负荷变化大,引起喘振。导致风机停车,如果风机不能如期投用,势必造成投资的浪费,造成一定的负面影响。
在不同工况下,喘振点是不同的,压缩机的性能曲线即入口流量与出口压力的对应关系,将性能曲线上所有的喘振点连起来就是该压缩机的喘振线。喘振线右侧为操作区,左侧为喘振区,是运行中要尽可能避免的。我厂吹炼炉正常用风量为避免20000～24000Ｎm3/h,出口压力要求为4.2bar(绝压),由图3可以看出,我厂的用风正好工作在风机的喘振临界点附近,并且我厂吹炼炉用风波动范围比较大,可能有１万多风量的变化,并且可能因为工艺事故等原因,导致突然停止用风,这对４８０风机来说,条件极为苛刻,更易造成风机的喘振。图3为４８０风机的特性曲线。
在４８０风机热试车时,炉子未下喷枪不用风时,手动旁路阀关闭,风机加载,由于二级出口压力变化速率过快,导致风机喘振引起卸载,引起４８０风机无法正常加载;炉子未下喷枪时,给手动旁路阀一固定开度,加载,正常后下枪,关闭手动旁路阀。但当２＃枪退出吹炼状态,风量急剧变化时,防喘振阀来不及动作,又造成风机喘振。反复实验多次,喘振频繁,风机根本无法正常使用。这样,即影响了Atlas风机的使用寿命,又影响炉子的正常供风。
通过以上分析,我们认为风机喘振原因如下:
① 风机加载,由于二级出口压力变化速率过快;
② 随枪位变化,风量变化加大;操作人员大范围改变风量设定值;
③ 因工艺或外围故障引起ESD发生,系统快速停止用风。
4 方案设计与实施
4.1 实施一:增加辅助控制回路
在止回阀前另外引出管线,安装放风阀,调整放风量。在供风管路上装智能压力变送器,将压力信号送熔炼ＤＣＳ上进行显示和控制,同时利用DCS的PID控制功能块实现对压力信号的常规调节功能。根据改造设计方案,取压点的位置显得至关重要,如图4所示,取压点PT1安装在风机出口止回阀后,取压点PT2安装在熔炼厂房内距离风机出口约260米处,技术人员首先将取压点取于止回阀后的PT1点,和放风阀及DCS的控制点组成一个单回路控制系统,当熔炼炉紧急切断用风时,风机出口附近的压力变送器检测到压力升高时,调节放空阀动作,但因放风用的调节阀调整需要一定的时间,压力继续升高,风机喘振,防喘振阀打开。由此可见,由于取压点选取不合适,控制回路严重滞后,说明该点选取不当。后将取压点移到熔炼厂房内炉子用风前端管道PT2点处,充分利用这段260米的DN400管道作为缓冲,争取５秒鈡的延时。当紧急情况发生时,控制回路根据该检测点测得的压力值及时调整放风阀的开度,实现了超前控制,避免了风机系统压力过高而使风机喘振。
4.2 实施二:增加逻辑点,帮助风机加载
增加此控制回路与防喘振阀并行工作,虽然保证了风机在正常工况下的用风 ,但风机加载时,由于放风阀在控制回路中处于全关状态,这样,由于气体没有气路,二级出口压力变化速率过快,导致风机喘振,无法正常加载。为此,利用ＤＣＳ上的逻辑点,根据风机上ＰＬＣ的卸载反馈信号,ＤＣＳ把它作为判断条件,将控制回路改为手动,控制阀门输出一个40%固定开度,帮助４８０风机加载。当４８０风机加载且加压达到设定值之后,放空回路什么时候投入自动控制,根据技术人员探讨,认为熔炼厂房内取压点值大于280Ｋpa ,且加载信号送至ＤＣＳ,逻辑点把控制回路改为串级,赋值300给控制回路作为设定值。此项工作完成,试车,顺利加载成功且控制回路正常投运,多次加载均未出现喘振现象。
图中,PT05805.PV为风机出口压力实际值,即图5中PT2,F2ESD1_FL.PVFL为总连锁的旗标量,F2_ON_OFF.PVFL流程图中风机加载/卸载按钮旗标量,HS480_LOAD.PVFL为风机运行反馈信号,HS480_UNLOAD.SO为开关量输出,控制风机加载/卸载,GT表示大于,AND表示逻辑与,NOT表示取反.
在逻辑点中,当Atlas风机处于卸载或停机状态,SO4闭合,放空阀控制模式为手动,开度置为40%;当风机出口压力大于280KPa,且风机处于运行状态,SO6闭合,放空阀控制模式为自动,设定值置为300KPa;当ESD总连锁发生,或流程图卸载按钮动作,SO3为OFF,风机卸载; 当ESD总连锁没有发生,SO2为ON,且流程图加载按钮动作,F2_ON_OFF.PVFL为ON,SO3为ON,风机加载。
如果由于工艺事故等原因,发生ＥＳＤ,紧急切断用风,也容易造成风机喘振。为避免这种现象,利用ＤＣＳ的逻辑点,根据ＥＳＤ信号或人为判断不需用风,自动发出卸载信号,控制风机卸载;如果炉子上需用风时,若通知风机巡检人员送风,势必影响时间,因此,利用ＤＣＳ作出程序,使炉上操作人员在需要加载时点击发出控制命令,风机加载。
5 结束语
改造后保证Atlas风机稳定运行,提高了风机的控制精度,降低了故障休风率;提高了机组运行可靠性,减少了运行人员的工作量;在炉子方面,满足了吹炼炉的大风量操作,提高了吹炼炉的利用系数,为提高粗铜产量打下坚实基础。
作者简介:崔银峰(1973-),男,本科,仪表工程师,从事DCS控制系统方面的工作。