空分热负荷增加进气量增多 [空分中的变负荷控制]
摘要:以某化肥厂空分设备为例,详细介绍了自动变负荷控制系统及其工作原理,以及各关键工艺参数的实现过程;变负荷技术在空分中的应用还要受到压缩机喘振曲线的限制,进而介绍喘振的知识,在通用性能曲线的限制下使得变负荷控制在空分设备中正常稳定的运行。
关键词:空分设备,自动变负荷,控制系统,防喘振
引言
随着空分技术的不断发展,我国的空分工艺流程组织也经历了几代变革。目前出现的全低压制氧机,采用的是低温法分离空气,由内压缩流程完成生产。其主要工艺流程包括以下几个部分:空气压缩、空气冷却、空气纯化、换热液化和低温精馏。目前空分行业广泛关注的是面对当前空分设备大型化程度的提高,如何减少产品气放散量,保证物料平衡,并且在不同的负荷情况下怎样控制设备的总能耗、保证整个系统安全经济运行是设计者着手研究的方向。
空分工艺过程
该空分设备采用常温分子筛吸附、增压透平膨胀机、规整填料上塔和全精馏无氢制氩技术、氧氮产品内压缩流程。其动力来源于一台仅有1/3负荷能力的电机和一台具有2/3负荷能力的尾气透平机。流程如上图所示。在上述装置刚刚启动运作时,还未曾产生尾气,所以此时空压机只是依靠同步电机拖动。如果此时的负荷量超过同步电机所能承受的范围,电机可能有损坏的危险。随着生产过程不断进行,气体温度以及尾气量也开始增加,尾气透平机开始工作,整个系统的负荷亦随之增大。
变负荷控制系统
由空分工艺流程可知空分系统的负荷变化范围不仅大而且是较长时间的缓慢过程。若某一时刻加量过快,将会对同步电机构成威胁,加量太慢又不能使尾气透平机的功率得到充分的利用。针对空分装置各主要参数诸如空气量、氧气量、膨胀空气量、膨胀空气旁通量、粗氩流量、氩馏分量、空压机排气压力和下塔阻力等的频繁变化的特点,采用适合的调节方式对这些变动的负荷进行调节,使空压机保持在适当的工况下运行。
变负荷调节的关键是根据空压机所承载负荷的变化情况,确定当前的加工空气量和其他工艺参数。具体过程介绍如下:首先根据氧气负荷来确定分离空气量,再由分离空气量确定出出塔氮气量和氩气量。液体产量是按照工艺要求决定, 根据产品量和分离空气量, 并且由冷量平衡式,初步确定膨胀空气量, 从而进一步确定膨胀空气旁通量和加工空气量的初值。由加工空气量的初值, 可以进一步校算膨胀空气量, 最终确定加工空气量, 由此就可以确定其他工艺参数。
变负荷系统工作原理
该公司现有的空分设备控制系统由集散控制系统和基于此系统的高级工艺流程控制系统组成。此流程控制系统可以在Windows XP环境下运行,内部集成了80%～110%负荷范围内任意工况点的工艺参数数学计算模型,可以实现在不同工况下系统的安全稳定运行。
自动变负荷控制通常有两种方式:一种是根据某一目标被控量来实现产品负荷变化的自动控制即目标控制方式;另一种是人为的去改变某一被控量的设定值即指令控制方式。两者之间的区别在于目标控制方式是一种随机的、连续的控制,实现起来较为复杂;指令控制方式是一种预知的、阶跃的控制方式,实现起来有一定的预见性。基于两种方式的优点,我们通常在系统设计中同时运用,使效率安全性上都得到很大的提高。
自动变负荷系统运行之前,空分设备是稳定的,并且提前给定负荷调整速率。流程控制系统内的工艺数学模型对80%～110%负荷范围内的每一工况点都进行了精确计算。自动变负荷系统在运行时, 最初输入的是目标负荷下的氧气产品流量, 控制系统先判断输入的数据是否在80%～110%负荷范围内, 如果在,系统就会自动根据读取的当前负荷下各工艺参数实时值, 计算出达到目标负荷下的过程耗时; 与此同时系统也会计算出目标负荷工况下的关键参数的目标值,并显示在关键参数控制表中的输入值栏内,为系统时刻变负荷而做好准备。自动变负荷系统在运行中, 关键参数在集散控制系统上处于屏蔽状态时, 操作人员就会失去操作权限, 当所有关键参数的目标值、模型值及实时值都达到一致后, 即可认为变负荷控制系统的完成。
4.负荷调节限制
喘振是压缩机固有的特性,所以在空压机变负荷调节过程中也要考虑到喘振曲线的限制。由于空分设备管网特性曲线和空压机特性曲线的双重作用,会对空压机的变负荷范围受到限制,因此在实际生产运行中,整个装置的调节范围要比预期的小。从喘振机理分析来看,只要使压缩机的实际流量不小于喘振极限流量QP,系统就不会发生喘振。也就是说当负荷减小时,采用部分回流的方法,保证Q>QP。在压缩机运行过程中工况会经常变化从而导致原来的性能曲线以及喘振界限线也随之发生变化。所以此处采用的是通用性能曲线控制法预防喘振的发生。
通用性能曲线如下图所示:
通用性能曲线不会因为相对分子质量、进气温度、进气压力等工艺参数变化而使喘振线发生偏移。其中容易测量,横坐标可转化为,此时检测以下三个参数即、、就能够得到不受工况影响的通用性能曲线及喘振界限线,之后以此为基准再加上安全裕度可以得到防喘振控制线。
压缩机的防喘振可以通过PLC实现。正常工况下,根据压缩机此时的压力比,通过防喘振控制线,计算出此时流量设定点与入口流量进行比较,通过比较结果确定阀的开度,从而使压缩机入口流量大于喘振极限流量。
5 结语
空分设备流程复杂,生产过程连续性强。其中的变负荷过程是一个多参数变化的复杂过程,同时空分设备变更空气量变负荷调解时,其调节范围还要受喘振曲线、空分设备管网特性及空压机特性曲线的限制。在生产实践中将通用特性曲线应用于防喘振控制,对工艺参数经常变化的场合,具有很好的适用性。该厂采用先进的自动变负荷技术大大提高了空分设备调节的稳定性,使能耗最大限度的降低,保证了经济性。
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