制氧機制動機空調(diào)系統(tǒng)的可靠性分析

山東立鋼天然氣公司2300m3生產(chǎn)空氣壓縮機采用四個電機平衡箱，4級離心式空氣壓縮機。空壓機作為空分裝置中首要的設備,其運行的穩(wěn)定可靠性直接關(guān)系到整個制氧機組的正常運行?？諌簷C控制系統(tǒng)主要包括勵磁和壓縮機本體兩大部分。勵磁系統(tǒng)使空壓機順利啟動,本體系統(tǒng)是監(jiān)測空壓機運行的關(guān)鍵,尤其是防止發(fā)生喘振和保護跳閘方面。因此,該控制系統(tǒng)的設計與實施是極其重要的。本文以ATLAS空壓機為例,探討如何保證該控制系統(tǒng)的可靠性。1電機控制系統(tǒng)的設計空壓機的勵磁系統(tǒng)采用的是常用的帶交流發(fā)電機的無電刷系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)圖如圖1)。無電刷勵磁系統(tǒng)主要由以下三個部分組成:旋轉(zhuǎn)整流器的三相同步主勵磁器;用于電動機起動程序的可控硅和觸發(fā)器單元的旁通電路;用于勵磁器勵磁的電動機控制設備。電動機控制單元由交流系統(tǒng)供電,由限流器和保護功能的自動化調(diào)節(jié)器電路兩部分組成。調(diào)節(jié)器電路包括可控硅換流器和一個具有調(diào)節(jié)器、限流器、保護功能的PLC。(見原理框圖2)1.1同一種或感應的相應系統(tǒng),利用同步應力發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合相在無電刷勵磁系統(tǒng)中,勵磁電流是在主勵磁機中產(chǎn)生的,該勵磁機是一個同步的或感應的三相交流發(fā)電機。它在轉(zhuǎn)子上有交流繞組,在定子中有勵磁繞組,起到一個來自控制系統(tǒng)的勵磁電流放大器的作用。1.2整流器放電保護旋轉(zhuǎn)二極管整流器是安裝在勵磁機的軸上,由以下組成:一個三相全波六脈沖整流器,每個支路用一個二極管,總共6個二極管;用于整流器高峰電壓保護的2個RC電路;兩個帶觸發(fā)單元的可控硅,在電機應用中的同步啟動期間用作磁場過電壓保護和旁路。1.3控制器可控硅控制器可控硅控制器主要用來控制主勵磁機磁場的勵磁電流,也可控制主電機的電壓或無功電流或功率因數(shù)。調(diào)節(jié)器的輸出用來控制可控硅控制器?？煽毓杩刂破饔蔑L扇強制冷卻的,由三相可控硅單元組成?？煽毓杩刂破魍瑫r有相位角控制,根據(jù)負載大小,可控硅控制器的輸出線性地高于或小于調(diào)節(jié)器的控制電壓。1.4去磁干勵磁電路在可控硅控制器的輸出側(cè)上提供了一個勵磁斷路器。1.5ac400m控制器調(diào)節(jié)器是建立在ABBAdvantControllerAC800M的基礎(chǔ)上。AC800M是CompactProducts800系列產(chǎn)品中的一個重要組件,它是一款基于導軌安裝的模塊化的控制器,包含了CPU、通信模塊、電源模塊及一系列附件。集成了多種通信功能、可以實現(xiàn)全方位冗余,并且支持寬范圍的I/O信號,同時也包括在危險區(qū)域的本質(zhì)安全信號。AC800M控制器通過CompactControlBuilder編程軟件為其編程組態(tài),使得AC800M控制器可以實現(xiàn)各種控制應用?？芍貜褪褂么a和庫文件的功能特點也使AC800M的應用程序更加容易組態(tài)和建立?？刂破靼ㄆ饎舆壿嬰娐?、調(diào)節(jié)器功能、過勵磁和欠勵磁的限制、保護和監(jiān)督功能。調(diào)節(jié)器功能包含勵磁電流調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、無功功率調(diào)節(jié)器和功率因數(shù)調(diào)節(jié)器。采用功能塊圖FBD編制了應用程序,該應用程序包含了有三個單獨執(zhí)行時間的程序,即快速程序、正常程序和慢速程序。對電壓調(diào)節(jié)器、快動作保護功能、欠勵磁限制器和控制功能,則使用快速程序。對大部分控制任務,則使用正常程序。對啟動阻塞、溫度監(jiān)控,則使用慢速程序。1.5.1確定保護跳閘電機的目標(1)電壓調(diào)節(jié)器是PID(比例積分微分)控制的,并測量電機的電壓,且將它與設定值相比較。將從電壓調(diào)節(jié)器的輸出連接到模擬輸出,并控制可控硅轉(zhuǎn)換器。(2)二極管故障會造成勵磁丟失和造成電機不能運行。二極管發(fā)生故障時,會使勵磁機勵磁電流產(chǎn)生電流波動。勵磁電流是通過只對交流諧波敏感的傳感器進行測量的。引至PLC與設定值比較,一旦超過時,在設定的時間延遲后,二極管監(jiān)控跳閘電機達到保護目的。(3)不同步保護,保護電機防止在欠勵磁下不穩(wěn)定地運行。(4)差動保護是對電機的短路保護。(5)使用欠勵磁限制器,來防止電機運行在太低的欠勵磁區(qū)域中。(6)用于跳閘線路的邏輯,斷開主斷路器和勵磁斷路器。包括的功能例如:長啟動、二極管故障、不同步、高或低電壓、高或低勵磁電流、差動保護、外部的跳閘、緊急停止。1.5.2控制系統(tǒng)的設計對正常程序的執(zhí)行時間,設定到100-200ms。(1)當從壓縮機控制活動了啟動信號時,就引發(fā)了啟動邏輯。在啟動順序期間,由PLC監(jiān)視著自動變壓器斷路器。當閉合CB1且電動機已同步時,就閉合勵磁斷路器。用計時器監(jiān)控啟動時間,當閉合CB2時計時器就啟動了。當完成啟動時,該計時器就停止了。長啟動時間就跳閘主斷路器。(2)用于每個調(diào)節(jié)器的設定值,可以從操作員的控制盤上,使用升高、降低按鈕來改變。升高和降低命令,都連接到運行中的調(diào)節(jié)器。(3)勵磁電流調(diào)節(jié)器是PID特性的,且測量勵磁電流,并將它與設定值相比較。從勵磁電流調(diào)節(jié)器的輸出,連接到模擬輸出,并控制可控硅轉(zhuǎn)換器。(4)用于電壓調(diào)節(jié)器和勵磁電流調(diào)節(jié)器的勵磁電流限制器。(5)無功功率調(diào)節(jié)器。(6)功率因數(shù)調(diào)節(jié)器。(7)可控硅轉(zhuǎn)換器監(jiān)控。(8)使用高和低勵磁保護,來防止電機運行在安全勵磁電流極限范圍之外。(9)過和欠電壓保護。1.5.3緩慢程序在慢速程序中,將勵磁時間設定到500-1000ms,并包含啟動計數(shù)器、啟動阻塞功能的報警。1.6監(jiān)控與釋放信號顯示此系統(tǒng)中,使用ABB操作員控制面板用于電動機運行數(shù)據(jù)、報警、跳閘和狀態(tài)指示。其主要功能是:顯示實際的電機運行數(shù)據(jù),有電壓、電流、功率因數(shù)、有功負載、無功負載和勵磁電流,以及設定值;顯示啟動和斷路器位置的狀態(tài);顯示所有的報警與釋放信號;使用此操作面板的唯一不足是沒有歷史記錄,為此利用AC800M提供的以太網(wǎng)接口,采用IFIX4.0通過OPC實現(xiàn)了空壓機整個啟動過程的歷史紀錄,方便了空壓機的故障迅速解決。2主殼體2.1停機注意事項空壓機由操作員直接在畫面上發(fā)出啟動命令,在空壓機允許啟動條件都滿足后,通過PLC輸出直接去空壓機高壓柜和勵磁柜,從而使空壓機啟動。整個啟動過程受勵磁系統(tǒng)監(jiān)控。在空壓機運行過程中,時刻監(jiān)測空壓機的振動,軸溫,電機繞組溫度,出口溫度,油壓等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。若出現(xiàn)如下異常,振動高、軸溫高,出口溫度高,電機繞組溫度高,油壓低,喘振將會造成空壓機保護跳閘?？諌簷C的電機溫度、齒輪箱軸承溫度、出口溫度都是非常重要的參數(shù),溫度高將直接聯(lián)鎖設備停車。溫度直接接進西門子S7-400PLC的熱電阻模板,測溫的一次元件經(jīng)常會因為機體振動而斷線,使得溫度顯示最大值,導致停車。為了避免這種情況發(fā)生,影響生產(chǎn),在程序中設計了“斷阻保護”,如果出現(xiàn)鉑電阻斷線,程序?qū)⒉粫?lián)鎖停車,如果是工藝原因而溫度確實高,程序會正常聯(lián)鎖停車?？諌簷C的停機信號采用常閉點,正常時,停止繼電器處于得電閉合狀態(tài),停止命令發(fā)出時失電,防止因為PLC故障,無法停止空壓機。所有的現(xiàn)場檢測儀表選用了可靠的進口元器件。由于設備安裝原因,在空壓機運行時,導致管道震動太大,為此,將放空閥由一體式西門子定位器改為分體式定位器,從而避免了放空閥因振動太大而導致關(guān)不嚴的現(xiàn)象。2.2預防哮喘的泵壓和控制壓縮機的升壓操作和防喘保護是由2個入口導葉和放空閥共同作用實現(xiàn)的。2.2.1理論上的運行壓縮機的升壓操作是工況的需要。壓縮機設有1級導葉和2級導葉(圖3所示),入口導葉為手動控制,一級導葉將根據(jù)升壓要求和二級導葉的邏輯關(guān)系自動調(diào)節(jié)。二級入口導葉的開度值是由電流控制器的輸出和手操值(手動輸入值)兩者的最小值決定。正常工況下,操作人員通過二級導葉的手操器控制二級和一級的閥門開度。當負荷超過額定負荷時,電流控制器起作用。當電流大于設定值時,二級入口導葉會從當前開度關(guān)小,直到實際值與設定值相等?？諌簷C的啟動升壓過程:空壓機啟動5分鐘后,一級入口導葉IGV自動從0逐漸開到30%(最小運行位置)?？諌簷C啟動10分鐘后,允許空壓機升壓(加載),此時將放空閥手操值由100%改為0%,點“加載”按鈕,放空閥跟隨加載斜波的輸出,由100%逐漸關(guān)到0%,空壓機出口壓力會不斷提升,放空閥全關(guān)后,如果壓力沒超過設定值,這時可以逐漸增加二級導葉的開度,而一級入口導葉開度也自動跟著增加,直到壓力與設定值一致,滿足工況的需要。2.2.2防止2.2氣體分離壓縮機達到最小流量時,葉輪中的氣流將失速。也稱為“喘振”。喘振是周期性的、有聲音的、對壓縮機機械元件造成嚴重應力的現(xiàn)象。壓縮機必須有防止喘振的保護,并且決不可以在喘振條件下運行。為了使壓縮機能夠在穩(wěn)定的運行范圍內(nèi)持續(xù)地運行,從兩方面防止發(fā)生喘振:在壓縮機達到(最小流量+固定值)之前,放空閥一直處于調(diào)節(jié)狀態(tài),當接近喘振保護線時,放空閥慢慢打開,防止空壓機進入喘振區(qū);(見圖4)進入喘振保護線內(nèi),還沒進入喘振區(qū),則放空閥立即打開到100%,空壓機卸載;2.2.2.放空閥關(guān)閉時輸出信號隨點流量控制器比較PV和SP。負控制誤差(即過程值大于設定點)導致輸出信號減小↓,Y→0%(放空閥關(guān)閉)。正控制誤差(即過程值小于設定點)導致輸出信號增大↑,Y→100%(放空閥打開)。流量控制器的輸出信號作用于“高選擇器”。2.2.2.輸出信號消失,放空閥關(guān)閉控制器的過程值PV指最后一級的出口壓力。限壓控制器比較設定點SP和過程值(PV)。負控制誤差:(即過程值大于設定點)導致輸出信號增大↑,Y→100%(通過工藝的流量減小意味著放空閥打開)。正控制誤差:(即過程值小于設定點)導致輸出信號減小↓,Y→0%(通過工藝的流量增大意味著放空閥關(guān)閉)。限壓控制器的輸出信號通過“高選擇器”和“逆函數(shù)”傳送給放空閥。出口限壓控制器達到最大輸出信號(100%輸出信號對應100%開度)時,放空閥必須打開。為了保證這與放空閥的運行一致,需要有“逆函數(shù)”。只有在極端的工藝條件下限壓控制器才工作,所以“高選擇器”的輸出信號作為反饋信號FB給限壓控制器。啟動時需要有斜波進行自動啟動。利用該斜波,放氣閥逐漸關(guān)閉并使控制器能夠平穩(wěn)的移交。2.2.2.3手動配置調(diào)整釋放裝置操作人員可以通過畫面對放空閥進行遙控,放空閥的最終輸出是由手操、加載—卸載斜波輸出、流量控制器和限壓控制器的輸出,四者高選值所決定。2.3機進入感冒區(qū)上面說明了如何防止空壓機在運行時進入喘振區(qū)域,而如果因為某些原因?qū)е驴諌簷C直接進入喘振區(qū),則應立即停止空壓機。這部分是通過喘振保護器S7-300實現(xiàn)的,通過監(jiān)