摘要：本文简述了天津钢铁有限公司动力厂28000Nm3/h制氧空分装置中氮气缩机在实际用户管网用气量很不稳定情况下，采用DCS自动控制的原则、实施方法。详细介绍了基本控制、防喘振保护控制等氮压机主要控制的内容。
关键词：28000Nm3/h空分设备；氮压机；防喘振控制；起动及事故逻辑联锁；出口压力控制。
1：控制原则
氮压机的基本控制要求是在保证安全平稳运转的前提下充分利用氮压机允许的工作区，让机组工作在工艺要求的压力和用量变化范围内，工况稳定可靠，操作方便，自动化程度高。氮压机的工作状态尽可能地对操作人员开放，便于故障分析和操作，有较长的历史趋势可查。
由于实际用户管网用气量很不稳定，当用户使用氮气时，用气量在两分钟内由0NM3/H跃升至20000NM3/H，而当用户不使用氮气时，用气量也会很快地由20000 NM3/H降至0NM3/H。
2： 控制方案
由于一期12000NM3/H空分装置压缩机机组全部由机组自带的控制系统(PLC)控制，采用通讯的方法，将机组的主要参数传送到DCS，在DCS操作站上仅仅进行显示，达到监察的目的。
虽然PLC的扫描速度快，对保护有利。但其存在着PLC的安全可靠性不如DCS，人机界面较差，机组工作状态对操作人员透明程度低，用户难以深入了解和理解控制方案，现场修改困难，历史趋势记录功能较差等缺点。鉴于以上情况28000NM3/H空分装置中压缩机组均采用DCS自动控制，压缩机只配备必要的现场仪表、探头和传感器，现场不设机旁仪表盘，由中控室DCS（采用YOKOGAWA CENTUM CS3000系统）控制整个机组，以充分发挥DCS系统的功能和优势。该方法要求设计人员熟悉压缩机组的原理、性能和操作过程。控制方案可以在设计组态和调试过程中不断修改，可以做得非常完善。特别是人机界面非常友好和清晰，在DCS系统中，可以做到控制线、喘振线、工作点、控制点和喘振点随着各级入口温度、机组入口和出口压力的变化自动补偿并动态显示(如图1中的1、2和3点)。操作工对机组的运行状况如工作点位置、控制点位置、喘振点位置一目了然，且对起动过程中各过程参数的变化心中有数。历史趋势记录功能极强，便于分析起动过程和故障，实时修改控制参数或控制方案。
与主压缩机相比，氮压机与工艺过程联系得更紧密，有些参数在调试过程中要经常改动，所以氮压机的控制在中控室DCS系统上实现更为必要，同时实现难度也相当高。
3： 氮压机的主要控制内容
3.1 基本控制
根据工艺的要求，氮压机控制采用了恒压控制，这是机组最基本的工艺控制。其余的控制如防喘振控制、电机过载保护控制、自动加载起动和事故联锁保护停车控制等均是为了机组的安全运行而设。
3.2 防喘振保护控制
防喘振控制是氮压机控制的核心部分。氮压机产生喘振的直接原因是由于氮压机进口流量与出口压力不匹配，造成氮压机轴向低频大振幅周期性气流震荡。喘振使氮压机的性能恶化，气流参数（压力、流量）产生大幅波动，噪声和震动加剧，严重时足以损坏氮压机。因此防喘振控制是一个重要的安全控制，防喘振系统就是通过调节入口阀开度和旁通阀开度来控制氮压机的流量和出口压力，目的是使氮压机工作点始终处在限定的范围内，而不进入喘振区，以确保机组的安全运行。它的保护范围为机组的整个工作范围，一般来说氮压机防喘振控制的对象是放空阀。
由于本套氮压机只在送出管道上设计了一个电磁流量计，而放空管道上没有流量监测，并且入口管道上也未设计流量监测仪表，设备在防空时，造成流量测量不完全。鉴于现场实际情况，采用氮压机电机电流与末级出口压力进行监测实现防喘振控制。
氮压机的防喘振线在现场试车过程中实测出来，考虑到系统的动态特性，喘振发生得非常快，控制系统必须能识别喘振极限线有否被越过，对控制系统扫描周期有较高要求，因此在现场与厂商试车人员取得共识，在喘振线右侧设定一条控制线，其形状与喘振线一致，但与控制线相距10％的电流量程值（该距离越小，放空阀打开的机会就越少，能量损失越少，但对控制系统、阀门的响应时间要求越高，该距离越大，放空阀打开的机会就越大，越能保证机组的安全，但能量损失越大）。
喘振曲线示意图如图1：
喘振曲线示意图
图中虚线喘振线为理论喘振曲线，实际程序设计中采用“三线法”计算喘振曲线值，三线如图a、b、c所示，数学模型分别为： y1=k1*x1+a、y2=k2*x2+b、y3=k3*x3+c
控制中，当压力一定时，即y值一定时，取三方程式中x最小值为喘振电流值；当电流一定时，即x值一定时，取三方程式中y最大值为喘振压力值，并由喘振压力值计算得到喘振报警值。喘振曲线由控制程序根据设备实际运行状况动态计算得到。
3.3 电机过载保护
为防止电机过载，设置了电机过载保护。当电机电流超过额定值时，电机过载保护调节器(IC2311)开始与原出口压力调节器(PIC1051)同时叠加在一起，调整氮压机人口阀的开度，保护电机不过载。
3.4 出口压力过高保护控制
对于恒压控制的氮压机，入口阀开度的调整还不能使出口压力稳定在设计值而继续升高并达到某一值时，出口压力过高保护调节器(PC1051)开始起作用，与防喘振调节器(PDC1055)一起调整放空阀的开度，保护出口压力不再升高。
3.5氮压机启停条件及过程的逻辑控制设计
3.5.1 在相关的工艺或机械条件全部满足后，氮压机启动逻辑条件满足，送现场电机励磁柜允许启动信号，在这个逻辑里，包括了油压联锁逻辑即副油泵的自动起动逻辑以及轴振动联锁在起动过程中的解除。在启动过程中机组的振动应用了测振仪的报警倍增功能，在起动过程使机组的振动和位移既在安全监控范围内又能顺利地渡过临界区，完成起动过程。
氮压机起动前，先判断起动条件是否满足。
氮压机的起动条件是：入口阀处于起动位置、放空阀全开、电控正常、无联锁停车事故、油温达到起动温度、油压正常、冷却水流量正常、重新起动时间限制已到上述起动条件满足，机旁柜允许起动信号灯亮，电机允许起动。电机起动后，测振仪报警倍增30秒。需要注意的是，如果振动值超过了二倍增，氮压机在报警两倍增时间内仍然联锁停车。30秒后，报警倍增解除。在氮压机同步运转后，氮压机开始自动加载。
开车前电控要将辅油泵转换开关打到自动位置，先开辅助油泵提供油压。电机同步运行以后，齿轮泵运行起来，延时60秒停辅油泵。当供油总管压力低于设定值（0.126MPa）或电机停车时，DCS自动起动辅助油泵。
3.5.2 氮压机停车逻辑（NTCSTOP）
当机组出现任何一个重要的工艺参数（比如振动或位移，轴承温度等）超限或机组故障时，将紧急停车，以确保机组的安全。事故停车处理后再起动时，必须经人工确认。停车逻辑的结果是电机停车，放空阀快速全打开，氮压机入口阀全关，在空分装置预冷系统或分子筛纯化系统发生故障时，联锁的动作是卸载，即放空阀全开，氮压机入口阀均在最小位置(设置在10％)，电机不停车，机组在小负荷下工作。
机组正常停车的卸载、卸压和停车操作由操作员在中控室DCS空压机流程图上实现。
下列事故只要发生一个，氮压机立即停车，它们是：
各级轴振动： VXIAS1568、VYIAS1568、VXIAS1569、VYIAS1569、VXIAS1570、VYIAS1570、VXIAS1571、VYIAS1571、VXIAS1572、VYIAS1572
电机轴承温度： TIAS1590、TIAS1591
氮压机定子线圈温度： TIAS1592、TIAS1593、TIAS1594
供油总管油压： PIAS1589
供油总管温度： TIAS1588
吸入压力： PIAS1550
密封气压力： PSLL1554、PSLL1556、PSLL1558、PSLL1560
停车动作是：氮压机电机停车、放空阀V1566全开、入口阀关至8％、辅助油泵起动。
控制室的紧急停车按钮用于在中控室紧急停氮压机。
在正常情况下，如果要停氮压机，应该先轻载氮压机（放空阀与入口阀配合操作），轻载后，用氮压机气路图上的“停氮压机”按钮停车。
3.5.3 氮压机的起动、自动加载、自动恢复
氮压机可在就地电控柜或中控室起动。
如果在中控室起动，须将就地的起动转换旋钮旋至“自动”，在收到电气的允许仪控起动氮压机信号后，由操作员在氮压机起动流程图中用“起动氮压机”按钮来起动氮压机。
电机允许加载信号到来时，氮压机的入口阀将由起车位置8％跳变到最小开度15％。入口阀跳变到15％，并且由爬坡器将入口阀开度继续开大的同时，由爬坡器将放空阀从100％开始关闭。当排气压力打到设定值时，恒压控制器投入自动，入口阀将处于自动控制状态；当电机电流小于防喘振控制线时，防喘振控制器投入串级，放空阀将处于自动控制状态。然后操作员可以修改压力设定值，使氮压机运行在额定压力，到此，氮压机起动完毕，操作员可以开送气阀向氮气管网送气，需要注意的是，送气阀必须缓开，关闭时必须缓关。
当氮压机的控制投入自动后，严禁操作员将入口阀的恒压控制器及防喘振控制器投入手动。
另外，还设置了防超压控制器PICA1566，如果排气压力高于设定值，放空阀将开启卸压。还设置了电机过流保护，如果电机电流高于设定值，入口阀将关小，降低氮压机负载。
遇到下面几种情况之一，氮压机将轻载：
排气压力超高，大于2.5MPa；氮压机喘振；操作员通过HS1503强制氮压机轻载。
轻载动作：入口阀限位至15％，放空阀全开在故障消除后，操作员可通过氮压机气路图上的“恢复加载”按钮来自动恢复加载氮压机，过程与起动时相同。
4：加载过程及卸载程序
机组厂商为了避免误操作、减小操作强度，要求采用自动起动机组的方式。在自动起动时不允许人为操作，仅当起动完成或机组已投入正常运行后，操作工可以进行卸载、卸压的操作，即：入口阀只能在原来的开度基础上进行关小的操作（设置入口阀安全手操器HC1051），放空阀只能在原来的开度基础上进行开大的操作(设置了防喘振阀安全手操器HC1055)，限制操作工只能向安全方向操作避免误操作是有实际意义的。入口阀控制方案见
图2,防喘振阀控制方案见图3。
图2：入口导叶控制示意图
图3：防喘振阀控制示意图
另外，由于本机组入口阀为碟阀，其动作特性远低于导叶阀，所以适量的控制调节器输出阀门的开度极限及PID参数，也为防喘振控制起到了很大的帮助。
在试车过程中，后续工况的不稳定导致氮压机的运行工况变化很大，氮压机的逻辑控制方案有效的避免了机组进入喘振区，既保证了机组安全运行，同时也避免了氮压机的频繁停车，保障了工艺生产的连续性;生产运行实践证明该控制方案是有效和可靠的。
作者简介：刘震，男，籍贯天津市，大专学历，主要从事制氧机DCS控制系统组态维护及在线仪表阀门维护工作。
