宣钢氧气厂7号空压机仪控系统节能优化改造

赵东华

（河钢集团宣化钢铁公司，河北宣化 075100）

0 引言

近十年，随着钢铁企业产能提高，企业的生产工艺装备也逐步趋于大型化，与之配套的空分生产工艺设备也同步走向了大型化、智能化。宣钢氧气厂7号空分系统设计氧气产量25000Nm3/h，氮气产量10000Nm3/h，产品氧气的40%供宣钢2号高炉富氧鼓风，60%供150t转炉炼钢吹氧，产品氮气主供150t转炉炉前吹炼保护气[1]。在空分生产流程中，空压机主要为空分系统提供一定压力、温度下的加工空气，是整套空分系统的最前端工艺装备，也是主要耗电设备。宣钢氧气厂7号空分系统配套的7号空压机是由Atlas公司生产制造，设计排气压力0.6MPa，排气量75000m3/h，是两段串联的六级离心式压缩机，两段各级都配有导叶、回流阀、放空阀一台。空压机由电机来驱动，并通过大齿轮轴端的膜片联轴器与电机相连接，电机额定电压5500V，额定电流710A，额定功率850kW，仪控方式为ABB集散控制系统。

宣钢氧气厂7号空压机自投产以来，运行能耗居高不下，致使7号空分系统氧气单耗持续走高，长期在0.75kW.h/Nm3的水平，并多次发生由于放空阀故障和空压机喘振而引发的空分系统计划外连锁停车事故，使得主要用户宣钢2号高炉和150t转炉被迫调整生产计划。针对该机组多年来存在的问题，宣钢公司经多次讨论研究，决定对氧气厂7号空压机仪控系统进行优化改造。

1 空压机仪控优化改造概述

在空压机启、停动作以及连锁逻辑仍由ABB控制器来实现的基础上，再增加一个CCC控制器，CCC控制系统构造如图1所示[2]。CCC控制器的作用是在保证空压机排气压力、排气流量一定，且在不发生喘振的情况下，采取优化喘振控制、性能控制、退守策略和两段压缩系统解耦控制等措施，尽量减少一、二段入口导叶与一、二段回流阀的开度，自动调整压缩机的第一、二段排压操纵点，并将操纵点往喘振控制线右侧移动，以设定一种合理的喘振抑制裕度。同时采用一些特殊的控制响应方式来实现对空压机的防喘振控制、测量以及机组的自动加载、卸载。增加CCC控制器是空压机节电的重要措施，同时也是提高空压机自动化控制水平、提高机组运行可靠性、降低计划外停车率的重要保证。

图1 CCC控制系统构造图

2 仪控优化改造具体实施内容

2.1 在CCC控制界面设定控制器并定义功能

氧气厂7号空压机在启、停车操作仍由ABB控制系统完成基础上，在CCC控制系统的空压机操作界面共建4个关键的控制器，并定义它们的功能。

（1）一段出口压力控制器（PIC-619），相关仪表：PT-619（一段出口压力）、PV-601（一段入口导叶）、FV-612（一段回流阀）。主要功能：一是极限控制，当电机电流高于531A时，PIC-619控制器会自动关小入口导叶PV-601开度，以减小电机电流；二是压力超驰控制，当一段出口压力高于2.46MPa时，控制器会自动打开回流阀FV-612，以减小出口压力。

（2）二段出口压力控制器（PIC-632），相关仪表：PT-632（二段出口压力），PV-627（二段入口导叶）、FV-621（二段回流阀）。主要功能：一是极限控制，当电机电流高于557A时，PIC-632控制器会自动关小入口导叶PV-627开度，以减小电机电流；二是压力超驰控制，当二段出口压力高于6.22MPa时，控制器会自动打开回流阀FV-621，以减小出口压力。

（3）一段喘振控制器（FIC-620），相关仪表：PT-615（一段入口压力）、PT-619（一段出口压力）、TE-607（一段入口温度）、TE-618（一段三级入口温度）、PDT-620（一段三级压差）。主要功能：安全响应，发生安全响应后，喘振控制线会向安全方向平移0.02的相对距离，控制面板上的“安全响应”会变成黄色，波动平稳后点“复位安全响应”按钮使喘振控制线回到原位。

（4）二段喘振控制器（FIC-623），相关仪表：PT-628（二段入口压力）、PT-632（二段出口压力）、TE-620（二段入口温度）、TE-631（二段六级入口温度）、PDT-623（二段六级差压）。主要功能：安全响应，发生安全响应后，喘振控制线会向安全方向平移0.02的相对距离，控制面板上的“安全响应”会变成黄色，波动平稳后点“复位安全响应”按钮使喘振控制线回到原位。

2.2 制定空压机CCC控制器的控制策略

2.2.1 空压机一段控制策略

（1）空压机一段加载控制。电机电流达到10A后，一段排气压力控制器会自动打到预加载状态，延时40s后，一段导叶会自动打开7%开度；一段加载信号从ABB发出后，一段排气压力控制器会自动以每秒0.1%的速度将导叶升至15%开度，然后转变为PID调节；同时一段回流阀自动以每秒1%的速度关下来，关到空压机操作点与喘振控制线之间的偏差（DEV）=0.2时，转为PID调节。

（2）空压机一段卸载控制。收到ABB发出的卸载信号，一段回流阀会自动全开；PIC-619控制器会打到IDLE状态并保持一段导叶有7%的开度。

2.2.2 空压机二段控制策略

（1）空压机二段加载控制。二段加载信号从ABB发出后，二段排气压力控制器会自动以每秒0.025%的速度将二段导叶升至2%的开度，然后转变为PID调节；同时二段回流阀自动以每秒1%的速度关下来，关到DEV（偏差）=0.2时，转为PID调节。

（2）空压机二段卸载控制：收到ABB发出的卸载信号，二段回流阀会自动全开；二段导叶会自动打到全关；当空压机末级排气压力连锁跳车后，CCC控制系统向ABB控制系统发出过度喘振信号，连锁空压机放空阀的电磁阀自动失电卸载。

3 CCC控制系统的主要优化功能

3.1 CCC控制器的防喘振优化控制功能

（1）要防止空压机喘振发生，CCC防喘振控制器必须在操作点到达喘振线之前开始动作，增加压缩机的流量。如果操作点越过防喘振极限，则表明空压机已经正在发生喘振，控制器安全保险响应将增加喘振控制安全裕度，迅速制止喘振；同时控制器阶梯响应将快速地打开一、二段回流阀；当工作点与喘振线相重时，CCC阶梯响应在PID的输出数值上加25°开度输出。

（2）当操作工对三级排压的设定值（PIAS1044E.SV）误操作时，防喘振阀将大幅波动，导致空分系统工况紊乱，甚至空压机喘振。为提高防喘振阀的稳定性，用CCC控制器CALCU模块对防喘振控制器中的压力与流量调节器输出低限进行限定。

3.2 CCC控制器的导叶稳定优化控制功能

3.2.1 CCC控制器的导叶控制程序

空压机经过电容降压起动后,电控制柜自动输出信息至DCS，此时空压机起动执行信息为真。SH1031、SL1031A、SL1031B开机三十几秒后，电动机转数超过投励磁转数后，自动进行投励磁，此时允许负载信息为真。RAMP1031A模块为手动模型，CCC控制系统发出指令使空压机进口一、二段导叶缓慢开至最小开度8°，空压机运转平稳后，CCC控制器根据运行工况采用智能扫描的三种排气压力，来调节导叶和防喘振阀门的开度，从而提高空压机排压。CCC空压机导叶控制逻辑图如图2所示。

图2 CCC空压机导叶控制逻辑图

3.2.2 CCC控制器导叶控制程序的优化

空压机导叶的自动控制是由排气压力和电机电流共同作用实现的。CCC控制器对导叶与回流阀的精密控制可稳定空压机运行工况，进而使空压机运行功率大大降低。

（1）为降低空压机电流控制器输出值的波动性，增强导叶稳定性，使用CCC控制器CALCU模块对电流控制器输出功率严格限定。

（2）如需提高空压机的排压，应在防喘振阀全关的前提条件下，才能开大导叶；当ZI1046＜2°时，PID调节器（PICAS1044E）为自动模式，导叶被自动控制在最优化的状态下。为实现此控制，用LC64、CALCU模块对压力控制器的手/自动模式与设定值进行定义。

4 CCC控制系统投运后效果对比

4.1 空压机防喘振效果显著

CCC控制器的防喘振优化控制功能实施后。由7号空压机的喘振试验数据可以看出，目前7号空压机的实际运行工况点距喘振控制线较远，此时空压机可以安全稳定运行，有效解决了因放空阀故障及空压机喘振而引发的空分系统连锁停车的事故问题。

4.2 空压机节电效果显著

CCC控制器的导叶稳定优化控制功能实施后。一段导叶开度在34%，回流阀开度为0%；二段导叶开度在4%，回流阀开度为14%。空压机电流从420.56A降低到362.23A，空压机小时耗电量减少了523.43kW.h，整个系统日均耗电由12×104kW.h左右降至8.7×104kW.h左右，制氧单耗由0.75kW.h/Nm3左右降至0.64kW.h/Nm3左右。在保证7号空压机运行稳定的前提下，实现了对空压机导叶和回流阀的精密控制，各项指标较仪控系统优化改造项目投运前有了大幅的提升。

5 结语

宣钢氧气厂7号空压机仪控优化改造项目，优化了空压机的启、停车操作及连锁控制逻辑程序,稳定了空压机的运行工况，消除了因放空阀故障及空压机喘振而引发的空分系统连锁停车事故的发生。同时降低了空压机的电耗，使得7号空分系统制氧成本大为降低。

另外7号空压机的稳定运转，提高了7号空分系统氧气的产出量，2号高炉鼓风富氧压力波动幅度明显减小，富氧率由2.6%提升至3.4%，喷煤比增加了24kg/t，煤气发热值提升了2.8%，炉缸温度提高了15.5℃，铁水增产4.46%。实践证明，此次7号空压机仪控系统的CCC控制改造，为宣钢2号高炉的高产、稳产奠定了基础，也为大型空压设备采用CCC先进防喘震控制树立了成功典范。