进口变压吸附制氧装置生产控制系统的技术消化与创新

1、冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 2005年第 5期 总 第 111期进口变压吸附制氧装置生产控制系统 的技术消化与创新乐 园(邯郸钢铁集团公司动力厂 , 河北邯郸 056015【 摘 要】 阐述了邯钢动力厂两套美国 PRAXIAR (普莱克斯 公司生产的 V-120L 型变压吸附制氧机的 配置使用情况、 故障分析步骤和方法的建立、 控制系统及其他检测报警系统的创新和优化。【 关键词】 吸附制氧 ; 控制系统优化 ; 故障分析 ; 创新和优化【 中图分类号】 TB657.7【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1006-6764(200505-0022-04 Techni

2、cal Grasping and Creation of Production Control System of Transformation Adsorption Air Separator ImportedLE Yuan(Power Plant, Handan Iron &Steel Group Co. Handan, Hebei 056015【 Abstract 】 The configuration and use conditions of two sets of V-120L transformation adsorption air separator imported

3、 from PRAXIAR in US by the Power Plant of Handan Iron &Steel Co. are presented. The fault analysis procedure and method, creation and optimization of the control system and other test and alarm systems of the two air separators are expounded.【 Key words 】 adsorption oxygen making; optimization o

4、f control system; fault analysis; creation and optimization1前言变压吸附制氧技术是国际先进制氧技术 , 装置 主要是由风机系统、切换阀系统和分子筛系统三大 部分构成。其整体设备成本及氧电耗较低温精馏制 氧工艺优越 , 在我国应用较晚。对这类新工艺、 新技 术的进口设备 , 在技术消化吸收、 改造等方面 , 已经 成为众多专业工程技术人员的技术攻关课题和研究 的对象 , 同时也引起了企业高层管理者的广泛重视。 在这一领域中 , 它所涉及的自动控制理论、 机械 制造、分子筛吸附和控制调整技术等是一门综合的 技术科学。因此 , 研究和掌握好

5、这些技术 , 才能根据 生产实践的需要 , 大胆地进行技术改造和创新。 邯钢动力厂 2001年首次引进 PRAXIAR (普莱 克斯 公司的两套 V-120L 型变压吸附制氧 , 氧产量 4369m 3/h , 纯度为 90%O 2, 是当时全国应用的最大 的变压吸附制氧设备。它是以吸附剂为基础的新型 氧气空分系统 , 采用原料风机 (50000m 3/h 吸附和 真空风机 (65500m 3/h 解析的双床径向流分子筛流 程。按吸附床周期以分批方式生产低纯度氧气供炼 铁富氧使用。2设备的运行情况及其常见故障分析 AB SLC-500型 PLC 和 DMACS 操作程序装备 于 VPSA 系统

6、 , 使得普莱克斯的 VPSA 空分系统是 目前在现场空分系统中最先进的控制系统 , 自动化 程度极高 , 具备完全无人职守自动生产 , 屏幕一触式 开停机等先进功能。通过 Modem , 这一系统可以在 任何地方被远程电脑连接并控制操作。作为我厂乃至全国第一套该类制氧机 , 没有可 供参考的成熟经验 , 而且正是由于他的新工艺、 新技 术、 高科技含量和高自动化操控 , 自投产以来 , 故障 频发 , 如 :(1 测温和测振的一次元件经常脱落或断裂 ;(2 各切换阀的电磁阀阀芯卡阻而使阀门不动 作或动作不到位、切换阀门开关速度配合不好 , 等 等。由于以上因素的存在 , 使得产量减少 , 纯

7、度下22冶 金 动 力METALLURGICAL POWER2005年第 5期 总 第 111期降 , 停机事故频频发生。 造成这种情况的原因一方面 是由于现场振动大、 环境空气污浊、 粉尘含量高、 阀 门切换动作频繁 (每 22s 对 13台阀门切换动作一 个循环 、 缺乏检修维护经验等客观因素 , 另一方面 是由于对新工艺吃不透、 对设备不了解、 不能结合工 艺、 机械、 仪电控制分析掌握故障的根本原因等主观 因素 , 从而使我们在新技术、 新设备的使用和维护方 面存在盲区 , 以致对故障习以为常 , 而束手无策 , 在 很长一段时间该设备的故障率维持在较高水平 , 最 高时达每天 8次停

8、机 , 有时多次无法开车 , 并发生了 几起严重的风机设备事故 , 产量和纯度也无法达到 设备设计水平 , 严重影响了公司炼铁炼钢的正常生 产 , 成为制约生产的关键环节。 扭转这一设备的被动 局面 , 成为动力厂整个工作的重中之重。3创新的主要内容和措施3.1操作软件汉化处理变压吸附设备连同其控制系统是由美国普莱克斯公司成套开发面向世界销售的 , 它的操作界面和 数据库皆为英文版。给我厂工艺人员的现场操作和 维护带来了极大的不便 , 常常会导致误操作和对故 障信息判断不清的情况。 仅 2001年投产半年时间就 因为这种原因造成非故障停机和延误检修时间长达 数十小时。针对于此 , 我们对其软件

9、汉化处理 , 使操 作界面、报警信息和历史趋势等日常操作和维护所 能够接触到的所有画面显示皆呈现中文。AB 公 司 SLC-500系 列 和 Intellution 公 司 FIX DMACS 操作程序装备于变压吸附系统 , 此系统的 FIX v6.15运行于 WinNT4.0SP5操作系统平台上 ,两者皆为英文版本。我们利用备机装入 FIX32中文 版与四通利方的 RichWin 多语种系统平台后 , 成功 搭建中文平台。 在重读原监视程序的每个细节 , 深入 掌握其各组件要领和程序结构的基础上 , 对画面中 的每一个文本型、图符型和动态数据英文元素重新 组态。攻克了逐层重新创建多层嵌套动态

10、图符库的 技术难关 , 为了使汉化信息表述准确无误 , 翻译信息 恰当 , 多次反复对控制程序和工艺设备进行分析 , 找 出正确的汉化表示。 经过 3个月的努力 , 顺利调试并 投运 , 这一程序的汉化处理在国内普莱克斯 VPSA 制氧机还是第一次 , 对该类系统在国内的推广应用 具有积极作用和指导意义。3.2温度、 轴振、 油位检测系统改造及控制程序系统的优化VPSA 采 用 美 国 Dressor-Roots 公 司 的 2057-RAS-JV 型原料罗茨鼓风机和 2070VJ-V 型真空风机 , 转速 985r/min , 现场低频噪声和振动很大 , 常常 致使风机进出口温度和轴振的一次

11、检测元件脱落或 断裂 , 引起温度和轴振显示值异常变大而停车。 据统 计 , 这种原因造成的停车故障一年多达 30余起 , 停 运时间百余小时 , 经济损失重大。为了扭转这种被动局面 , 我们认真分析其断裂 原因 , 在无法改变检测环境的情况下 , 对温度检测元 件进行改造 , 热电偶由原来的 WPZ 型换为 WTZ 型 号 , 使其检测面以上长度缩短近 10cm , 同时由普通 铠装变为全铜设计 , 增加了它的硬度和韧性 , 提高抗 振能力 , 经现场应用实践说明这一改造取得了成功。 测振传感器是用来测量机壳振动加速度 , 是测量机 组的绝对振动 , 应用于低转速轴承润滑的机组 , 由于 他

12、的安装位置经常引起误报警 , 是主要故障点之一 , 曾是困扰我们很长时间的问题 , 我们发现只要微小 的松动就能引起很大的示值偏差和误报警 , 更何况 是脱落断裂 , 在正确分析故障原因的前提下 , 我们将 原有普通底座更换为高强度磁性轴振探头底座 , 并 用高强度 LOCTITE680金属粘接剂将底座固定于机 壳上 , 避免了探头底座的松动 ; 为了防止接线端头虚 接 , 又对接线端头作镀锡处理以增加接线可靠性 ; 对 后来发生的两次轴振误停机 , 经检查探头、 前置器、 接线均正常 , 进一步分析发现在探头底座和探头之 间存在松动隐患 , 并进一步在底座和探头之间 ! 6螺栓固定的基础上再

13、次粘接。 经过采取各种措施 , 这 一棘手问题得以彻底解决。风机润滑是采用喷溅无压润滑方式 , 因此对油 位是否正常的检测尤为重要 , 油位检测是采用连通 器原理 , 由于动作使能信号微弱 , 经常发生误报警停 车 , 在这种情况下 , 我们经各方同意将程序联锁停车 改为外接声光报警信号 , 从而消除了这一故障点。另外 , 为克服瞬间振动、异常温升停机的问题 , 又对相应 PLC 程序进行改进 , 将 PLC 的断线保护由 原跳至最大改为指示为 0, 同时在联锁程序中增设 了联锁保护延时。 经过采取以上各项措施 , 消除了这 一长时间困扰我们环境振动带来的影响 , 将原平均 每月 9起故障降低

14、为每月不足 1起 , 取得了良好的 效果。3.3切换系统的优化、 故障分析和阀门调整方法的 建立自投产以来 , 切换系统的故障率居高不下 , 还发生过连续一两天多次启动不成功的情况 , 成为影响VPSA 正常运行的关键问题之一。吸附制氧工艺简 图如图 1所示。23冶 金 动 力METALLURGICAL POWER2005年第 5期 总 第 111期 图1变压吸附流程图PLC 系统主要停车报警信息为“ PSHH510原料 风 机 出 口 压 力 高 ” 、 “ PSLL210真 空 风 机 入 口 压 力 低” 、 “ 产品纯度低报警” 、 “ PSL208出口压力变送器 堵” 、 “ PSH

15、510A 床进气压力不足” (即原料风机排 气压力偏高 、 “ PSL210卸载真空度高” (即真空风机 进气压力偏低 等 , 我们对这类信息进行认真分析 , 深入学习工艺控制原理 , 将自动控制和工艺设备相 结合 , 确定造成这类故障的原因主要是由于切换阀 门动作不协调引起 , 每套 VPSA 共配置 13个美国Neles-Jamesbury 公司自动切换阀 , 每台阀门由开到关的时间仅为 11s , 其开速度要求 <0.5s , 全部由 PLC 控制程序和电磁阀自动完成 , 且各阀门开关配合要求极为严格。这就对各电磁阀、 定位器、 执行机 构提出了更高的要求。主要问题切入点 :(1

16、电磁阀阀芯卡阻阀门不动作。我们分析认为有以下几种原因 :其一是气源质量含尘量较大 , 其二 是动作频率太高没有及时维护加油清洗 , 其三是现 场电磁阀接线松动 , 其四是气缸碎屑进入电磁阀内 部。 针对以上几种情况 , 我们首先对气源系统进行改 造 , 将二空压站气源加装干燥器、 脱水器、 过滤器 , 解 决了气源质量问题 ; 其次我们对每个电磁阀定期打 开清洗加润滑脂 ; 同时对插头进行粘接 , 对端子进行 定期紧固 ; 另外针对气缸碎屑问题 , 通过在气缸壁加 入适量黄油和更换铸钢气缸而得以缓解。(2 氧纯度和产量的下降。我们认真分析工艺的 吸附原理和出氧过程 , 结合 A 床、 B 床的

17、 12步床压变化 , 明确床压异常是导致氧纯度下降的原因之一 , 床压异常又是通过阀的均衡和加压的开度来调整的 。解决问题的方法是阀门定位器要能正确快速定位 或通过调整计算机的 “均衡” 、 “ 加压” 开度值 , 不管如 何实现 , 前提都必须要保证能够在信号为 0的时候 阀门全关 (对全开无精确要求 , 即在信号为 -5% 100%时阀门可全行程灵活动作 。针对定位器问题 , 我们采取了定期拆下清洗、 在线加油、 安装后调整、 在 线 调 整 和 一 并 调 整 HV320A/B 的 限 位 螺 栓 等 措 施 , 以保证定位器和阀门可靠动作。(3 切换阀门开关时间的配合。对于发生最为频繁

18、的 “ PSHH510原料风机出口压力高” 、 “ PSLL210真空风机入口压力低” 、 “ PSL208出口压力变送器堵 塞”等报警停车 , 多次导致 VPSA 设备无法正常开 车。我们检查排除了计算机程序、 PLC 硬件、 电磁阀 存在问题的可能性 , 结合 PLC 梯形图程序 , 分析系 统报警信息的起源和发生的具体时间 , 将各压力趋势与工艺阀门动作步骤所产生的压力变化反复对 比 , 并经实践检验 , 得出如下结论 :“ PSL208出口压力变送器堵塞” , 其信息发生 是 PLC 检测到 A 床切换的第 2步与第 8步或 B 床 切换的第 5步与第 11步的同一测点的压力差太小 所

19、造成的 , 其原因有两个 , 第一确为变送器损坏或导 压管堵塞造成 , 可通过真空风机入口压力历史趋势 是否符合工艺变化而判定 ; 第二是由于真空风机入 口阀 KV330A 或 KV330B 不能打开或打开不及时造 成。“ PSLL210真空风机入口压力低” 这一停车故 障的唯一原因 是 KV330A 的 关 闭 速 度 太 快 而 此 时 KV330B 没能及时打开或 KV330B 的关闭速度太快 而此时 KV330A 没能及时打开 , 从而造成真空风机 吸入压力太低。“ PSHH510原料风机出口压力高” 这一停车 故障的原因有四个 , 第一是由于 KV310A 的关闭速 度太快而此时 K

20、V520没能及时打开 , 第二是由于 KV520的关闭速度太快而此时 KV310B 没能及时打 开 , 第 三 是 由 于 KV310B 的 关 闭 速 度 太 快 而 此 时 KV520没能及时打开 , 第四是由于 KV520的关闭速 度太快而此时 KV310A 没能及时打开 , 从而造成原 料风机出口压力太高停车。 切换阀的调整方法 :对阀门动作匹配问题 , 关键 在 于 风 机 的 进 出 口 KV310A/B 、 KV330A/B 、KV230、 KV520阀门 , 我们分析工艺原理认为这些阀门 的 关 速 度 要 明 显 慢 于 开 速 度 , 匹 配 组 别 为 :KV330A 开

21、速 >KV330B 关速、 KV330B 开速 >KV330关 速 、 KV520开 速 >KV310A/B 关 速 、 KV310A/B 开 速 >KV520关速 , 确定故障原因和措施后 , 对各个阀门的开关速度通过阀门上下气缸的排气节流单向阀 进行调整 , 直至匹配。 KV330A/B 阀门速度调整原理 如图 2所示 , 它是通过调整电磁阀和阀门气缸之间 的单向节流阀来调整上下气缸的导气管的排气流通24冶 金 动 力METALLURGICAL POWER2005年第 5期 总 第 111期量来调开关速度的。 比如要使阀门关速减慢 , 由于此 阀活塞向上运动时阀关

22、, 只需适当关小上气缸导气 管上的节流阀直到符合关速要求时即可。 KV310A/B 等其他阀门速度调整原理如图 3所示 , 它们的调速 原理是完全一致的 , 都是控制相关气缸的排气量 , 只是其节流阀装配在电磁阀阀座 , 与电磁阀合为一体。 图 2KV330A/B 阀门速度调整原理图 图 3KV310A/B 等其他阀门速度调整原理图 阀门调速须注意两个问题 :第一 , 一般情况 下 , 要求这些阀门开速最快 , 但如果动作太快 (如新 定制的川空阀门 , 其直径 600mm 的翻板的巨大惯 性会对阀门产生机械结构性损伤 , 将大大缩短阀门 的使用寿命 ; 第二 , 要求这些阀门的关速明显慢于开

23、 速 , 但又不能过慢 , 这样一来会影响产品氧气的纯度 和产量 , 二来如果气缸活塞的串气量大于单向节流 阀为限制其关速度的排气流通量 , 此时阀门也将无 法动作 , 换句话说如果气缸轻微串气而阀门无法动 作 , 可尝试通过适当开大节流阀使关速适当增加的 方法来解决。隐含故障 :在阀门开关时间调整完成并且在进 行现场切换阀门测试时动作均正常后 , 在运行过程 中还有可能发生上述停机现象 , 而且总是连续重复 发生 , 以致无法开车 , 且各专业检查均正常 , 为了解 决这一棘手的难题我们经分析阀门内部结构认为存 在另一种较为隐蔽的可能 , 就是阀门翻板关得太死 , 造成在切换时阀门偶尔出现无

24、法瞬间顺畅打开 , 而 是跳跃性开启 , 以致在风机瞬间压力异常而时有停 机甚至无法开车 , 而这是无法通过肉眼观察来发现 ,只能进行自控、 工艺、 机械的多专业综合分析 , 从这 一疑点出发 , 我们提出适当向下调整阀门执行机构 的关限位螺钉的建议 , 使其在阀门关闭时不致于太 紧以保证能够快速打开的解决方案 , 这一措施经实 施后 , 多次解决这种隐含故障 , 每次都能保证一次开 车成功。3.4控制系统网络结构的优化变压吸附原网络结构如图 4所示 , 由 2#操作站担负 2#VPSA 和 3台氧压机的全部负荷 , 负荷较大 , 更重要的是一旦 2#操作站损坏 , 不但 2#VPSA 无法

25、监控 , 3台氧压机也将无法运行 , 由于无法压送氧 气 , 1#VPSA 也将被迫停机 , 即意味着整个变压吸附 制氧的瘫痪。 2001年和 2002年分别发生了两起这 类事故。对此我们对原 DH+网络结构进行改进 , 如图 5所示 , 我们重新组建网络架构并对 PLC 和 DH+网络进行设置 , 经反复尝试 , 实现了氧压机 PLC 由 单独操作站监控 , 并在 1#操作站预留了氧压机监视 程序 , 以便在氧压机操作站故障时随时接入 1#操作 站 , 从而避免了事故扩大。在此基础上 , 还建立了系 统恢复方法。 另外为防噪音干扰 , 利用 8h 顺利进行 了中控室的搬迁。图 4改进前原网络

26、结构图 5改进后网络结构3.5轴温测量系统的加装原真空风机和原料风机是采用滚动轴承的非强制润滑方式 , 转速较低 , 加之振动极大 , 因此并没有 设计相应的轴温检测系统 , 曾于 2004年 4月造成轴 承缺油抱死烧毁的重大事故 , 单是更换轴承的费用 就是 20万元。为避免此类事故的再次发生 , 厂部决 定加装轴承测温系统 , 由于这种大振动低转速的风 机并未设计检测点 , 我们结合现场实际并对机组机 械图纸进行剖析 ,(下转第 28页 25冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 2005年第 5期 总 第 111期(上接第 25页 确定了 16个轴承测温热电偶的安装位置

27、, 考虑到机 组的振动太大 , 我们量身定制合适尺寸并选择了抗 震性能好的热电偶 , 在完成了热电偶的安装测试和 性能试验后 , 已接入 PLC 进行监测、 报警和联锁停 机。这一技改措施的实施填补了这类大振动低转速 风机轴温检测的空白 , 必将有利于机组的长周期运 行。3.6系统化标准检修项目和标准维护方法的建立 根据检修时间安排 , 分别制定了 2h 、 8h 、 20h 的标准检修项目 , 并根据应用的具体情况 , 制定了可 在线检查维护的标准维护项目 , 从设备的各个细节 方面进行规范和要求 , 形成了特有的操作性极强的 检修和维护程序。4创新点和应用推广情况(1 程序汉化 软件汉化成功 , 优化了操作界 面 , 方便了监控和操作 , 同时这一程序的汉化处理在 国内普莱克斯 VPSA 制氧机还是第一次 , 对该类系 统在国内的推广应用具有积极作用和指导意义。 (2 风机轴温测量系统的加装 这一技改措施 的实施填补了对高振动场合风机轴温检测的空白 , 必将有利于机组的长周期运行。(3PLC 断偶保护的改进 通过对更改模块组 态字将原设计热电偶断线保护指示最大改为断线后 指示 0, 通过这一程序改进消除了因热电偶断线所 引起的误停机现象。(4 将工艺、 电气、 机械、 仪表和计算机控制的