張 龍

(開封空分集團(tuán)有限公司，河南 開封 魏都路189號(hào) 475004)

空分設(shè)備增壓透平膨脹機(jī)的自動(dòng)化控制方案

張 龍

(開封空分集團(tuán)有限公司，河南 開封 魏都路189號(hào) 475004)

增壓透平膨脹機(jī)是重要的空分設(shè)備，為空分生產(chǎn)提供冷量，了解其結(jié)構(gòu)和原理，掌握其自動(dòng)化控制方案，有助于空分生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

增壓透平膨脹機(jī)；結(jié)構(gòu)原理；自動(dòng)化控制方案

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)空分裝置大型化的發(fā)展，對(duì)增壓透平膨脹機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“透平機(jī)”)的安全運(yùn)行也提出了更全面的自動(dòng)化控制要求，因此，合理地設(shè)計(jì)和優(yōu)化其自動(dòng)化控制方案，才能不斷滿足行業(yè)的發(fā)展需求，提高國(guó)內(nèi)自動(dòng)化的發(fā)展水平。本文簡(jiǎn)述了透平機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，以空分為背景，詳細(xì)介紹了其在應(yīng)用中的一種自動(dòng)化控制方案，作為一個(gè)參考。

1 透平機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

透平機(jī)主要由膨脹機(jī)通流部分、增壓機(jī)部分和機(jī)體三部分組成。膨脹機(jī)通流部分是獲得低溫的主要部件，包括蝸殼、噴嘴、膨脹輪和擴(kuò)壓器；增壓部分是透平機(jī)的功率消耗元件；機(jī)體起著傳遞、支撐和隔熱的作用。

透平機(jī)把來自上游的高壓氣體膨脹為低壓氣流，連續(xù)不斷地將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，高速氣流使葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過由軸承支撐的轉(zhuǎn)軸將機(jī)械能傳遞給壓縮機(jī)制動(dòng)消耗。工質(zhì)在透平機(jī)的通流部分中膨脹獲得動(dòng)能，并由工作輪輸出外功，從而降低了膨脹機(jī)出口工質(zhì)的內(nèi)能和溫度，達(dá)到制冷的目的。

2 透平機(jī)的自動(dòng)化控制方案

2.1 控制系統(tǒng)的選擇

單臺(tái)透平機(jī)的運(yùn)行既可以采用獨(dú)立的小型PLC(可編程控制器)控制，也可以選擇DCS(集散控制系統(tǒng))系統(tǒng)來控制?，F(xiàn)在的空分項(xiàng)目中，一般都選擇DCS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)透平機(jī)的自動(dòng)化控制。

2.2 測(cè)控點(diǎn)的需求

透平機(jī)在正常工作狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)速一般在幾萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)下，為了保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)和停機(jī)，控制系統(tǒng)需要的主要測(cè)控點(diǎn)有：

1.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；

2.增壓端和膨脹端軸承的溫度及軸振動(dòng)；

3.進(jìn)透平機(jī)潤(rùn)滑油的油壓；

4.供油系統(tǒng)兩臺(tái)油泵的運(yùn)行狀態(tài)；

5.上游空壓機(jī)的放空或停車信號(hào)；

6.油箱的油溫。

2.3 儀表選型的要求

1.壓力測(cè)量一般選擇帶有表頭數(shù)顯的壓力變送器，有利于現(xiàn)場(chǎng)操作，常選用橫河的EJA系列或羅斯蒙特的3051C系列的壓力變送器，其性能安全可靠，應(yīng)用廣泛；

2.溫度測(cè)量選用的鎧裝鉑熱電阻需要是雙支的，一用一備，加強(qiáng)測(cè)溫的安全性；

3.轉(zhuǎn)速和軸振動(dòng)的測(cè)量尤為重要，最好選用可靠的進(jìn)口產(chǎn)品，美國(guó)本特利或派利斯系列的智能儀表比較可靠，既可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)控制及顯示，又能遠(yuǎn)傳至DCS系統(tǒng)做冗余控制，以防萬(wàn)一。

2.4 控制方案的組成

透平機(jī)的自動(dòng)化控制方案主要由三個(gè)方面組成：透平機(jī)的運(yùn)行控制、供油系統(tǒng)的油壓控制和油箱的油溫控制。下面對(duì)其控制原理做具體的介紹和說明。

2.4.1 透平機(jī)的運(yùn)行控制

透平機(jī)的運(yùn)行控制，除了操作人員正常的手動(dòng)啟動(dòng)和停機(jī)以外，如果以下的任意一個(gè)不符合工藝參數(shù)的條件(參數(shù)可設(shè)定)觸發(fā)，DCS控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聯(lián)鎖停機(jī)信號(hào)，控制透平機(jī)的進(jìn)口緊急切斷閥在3 s內(nèi)關(guān)閉，回流閥迅速全開，保證設(shè)備的安全。

1.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高≥13000 r/min；

2.增壓端軸承溫度高≥80℃；

3.膨脹端軸承溫度高≥80℃；

4.增壓端振動(dòng)高≥50 μm；

5.膨脹端振動(dòng)高≥50 μm；

6.進(jìn)透平機(jī)的油壓低≤0.14 MPa；

7.兩臺(tái)油泵都處于停止?fàn)顟B(tài)；

8.空壓機(jī)放空或停車。

2.4.2 供油系統(tǒng)的油壓控制

透平機(jī)的轉(zhuǎn)速高，軸承間隙又小，需要有足夠的油量從軸承的摩擦表面帶走多余的摩擦熱，并能形成穩(wěn)定的油膜，所以供油系統(tǒng)的油壓至關(guān)重要，因此供油系統(tǒng)配置了兩臺(tái)油泵，互為備用，保證進(jìn)透平機(jī)的油壓穩(wěn)定?？刂圃硎前严仁謩?dòng)啟動(dòng)的一臺(tái)油泵默認(rèn)為主泵，當(dāng)其單臺(tái)供油油壓低于0.20 MPa時(shí)，聯(lián)鎖啟動(dòng)另一臺(tái)油泵，兩臺(tái)油泵同時(shí)工作，當(dāng)油壓超過0.40 MPa時(shí)，停止先手動(dòng)啟動(dòng)的第一臺(tái)油泵(檢修后作為備用泵投用)，這時(shí)聯(lián)鎖啟動(dòng)的油泵投入單臺(tái)運(yùn)行，切換為主泵，不斷如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)油泵的互備功能。

另外，為了保證在突然停電時(shí)透平機(jī)的軸瓦不被燒壞，供油系統(tǒng)還設(shè)置了緊急供油箱(一般采用壓力油箱)，在兩臺(tái)油泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，仍能靠緊急供油箱保證5 min以上的潤(rùn)滑油量。因此，在壓力油箱內(nèi)必須隨時(shí)貯備足夠量的油量和充有一定壓力的氣體。

2.4.3 油箱的油溫控制

由于透平機(jī)在低溫下工作，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)子直接與低溫氣體接觸，導(dǎo)致膨脹機(jī)側(cè)的軸承溫度較低，所以膨脹機(jī)的供油溫度不宜太低，一般控制在15～30℃。如果油溫過低致使?jié)櫥Ч涣?，?huì)造成軸承研磨或軸承溫度升高，威脅到透平機(jī)的安全運(yùn)行。因此，油箱的油溫也要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，其控制原理相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)DCS控制系統(tǒng)檢測(cè)到油箱油溫低于15℃時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電加熱器；當(dāng)油箱油溫高于30℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電加熱器，當(dāng)然也可以由操作人員手動(dòng)控制電加熱器的啟停來保證油溫。

3 結(jié)語(yǔ)

這套透平機(jī)的自動(dòng)化控制方案已經(jīng)在空分項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用，保障了透平機(jī)運(yùn)行的安全性和連續(xù)性，滿足了用戶的生產(chǎn)需求，是一套十分成熟和可靠的自動(dòng)化控制方案，值得我們學(xué)習(xí)和研究，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，推動(dòng)自動(dòng)化控制水平的不斷提高。

Automatic Control Solutions for the Boosting TurboExpander in Air Separation Plant

ZHANG Long

(Kaifeng Air Separation Group Co.,Ltd.，No.189 Weidu Road, Kaifeng 475004，China)

The boosting turbo expander is very important in the air separation plant (ASP), which provides coldness for the whole ASP; A better understanding of its structure & operation principle and grasping its automatic control solutions can help the safe operation of ASP.

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2017-04-14

TB653

A

1007-7804(2017)03-0020-02

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.006

張 龍(1988)，男，籍貫河南，大學(xué)本科，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)就職于開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事儀表自動(dòng)化工作，助理工程師職稱。