1、冶 金 動 力 METALLURGICAL POWER 2005年第 5期 總 第 111期進口變壓吸附制氧裝置生產控制系統 的技術消化與創新樂 園(邯鄲鋼鐵集團公司動力廠 , 河北邯鄲 056015【 摘 要】 闡述了邯鋼動力廠兩套美國 PRAXIAR (普萊克斯 公司生產的 V-120L 型變壓吸附制氧機的 配置使用情況、 故障分析步驟和方法的建立、 控制系統及其他檢測報警系統的創新和優化。【 關鍵詞】 吸附制氧 ; 控制系統優化 ; 故障分析 ; 創新和優化【 中圖分類號】 TB657.7【 文獻標識碼】 B 【 文章編號】 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前言變壓吸附制氧技術是國際先進制氧技術 , 裝置 主要是由風機系統、切換閥系統和分子篩系統三大 部分構成。其整體設備成本及氧電耗較低溫精餾制 氧工藝優越 , 在我國應用較晚。對這類新工藝、 新技 術的進口設備 , 在技術消化吸收、 改造等方面 , 已經 成為眾多專業工程技術人員的技術攻關課題和研究 的對象 , 同時也引起了企業高層管理者的廣泛重視。 在這一領域中 , 它所涉及的自動控制理論、 機械 制造、分子篩吸附和控制調整技術等是一門綜合的 技術科學。因此 , 研究和掌握好

5、這些技術 , 才能根據 生產實踐的需要 , 大膽地進行技術改造和創新。 邯鋼動力廠 2001年首次引進 PRAXIAR (普萊 克斯 公司的兩套 V-120L 型變壓吸附制氧 , 氧產量 4369m 3/h , 純度為 90%O 2, 是當時全國應用的最大 的變壓吸附制氧設備。它是以吸附劑為基礎的新型 氧氣空分系統 , 采用原料風機 (50000m 3/h 吸附和 真空風機 (65500m 3/h 解析的雙床徑向流分子篩流 程。按吸附床周期以分批方式生產低純度氧氣供煉 鐵富氧使用。2設備的運行情況及其常見故障分析 AB SLC-500型 PLC 和 DMACS 操作程序裝備 于 VPSA 系統

6、 , 使得普萊克斯的 VPSA 空分系統是 目前在現場空分系統中最先進的控制系統 , 自動化 程度極高 , 具備完全無人職守自動生產 , 屏幕一觸式 開停機等先進功能。通過 Modem , 這一系統可以在 任何地方被遠程電腦連接并控制操作。作為我廠乃至全國第一套該類制氧機 , 沒有可 供參考的成熟經驗 , 而且正是由于他的新工藝、 新技 術、 高科技含量和高自動化操控 , 自投產以來 , 故障 頻發 , 如 :(1 測溫和測振的一次元件經常脫落或斷裂 ;(2 各切換閥的電磁閥閥芯卡阻而使閥門不動 作或動作不到位、切換閥門開關速度配合不好 , 等 等。由于以上因素的存在 , 使得產量減少 , 純

7、度下22冶 金 動 力METALLURGICAL POWER2005年第 5期 總 第 111期降 , 停機事故頻頻發生。 造成這種情況的原因一方面 是由于現場振動大、 環境空氣污濁、 粉塵含量高、 閥 門切換動作頻繁 (每 22s 對 13臺閥門切換動作一 個循環 、 缺乏檢修維護經驗等客觀因素 , 另一方面 是由于對新工藝吃不透、 對設備不了解、 不能結合工 藝、 機械、 儀電控制分析掌握故障的根本原因等主觀 因素 , 從而使我們在新技術、 新設備的使用和維護方 面存在盲區 , 以致對故障習以為常 , 而束手無策 , 在 很長一段時間該設備的故障率維持在較高水平 , 最 高時達每天 8次停

8、機 , 有時多次無法開車 , 并發生了 幾起嚴重的風機設備事故 , 產量和純度也無法達到 設備設計水平 , 嚴重影響了公司煉鐵煉鋼的正常生 產 , 成為制約生產的關鍵環節。 扭轉這一設備的被動 局面 , 成為動力廠整個工作的重中之重。3創新的主要內容和措施3.1操作軟件漢化處理變壓吸附設備連同其控制系統是由美國普萊克斯公司成套開發面向世界銷售的 , 它的操作界面和 數據庫皆為英文版。給我廠工藝人員的現場操作和 維護帶來了極大的不便 , 常常會導致誤操作和對故 障信息判斷不清的情況。 僅 2001年投產半年時間就 因為這種原因造成非故障停機和延誤檢修時間長達 數十小時。針對于此 , 我們對其軟件

9、漢化處理 , 使操 作界面、報警信息和歷史趨勢等日常操作和維護所 能夠接觸到的所有畫面顯示皆呈現中文。AB 公 司 SLC-500系 列 和 Intellution 公 司 FIX DMACS 操作程序裝備于變壓吸附系統 , 此系統的 FIX v6.15運行于 WinNT4.0SP5操作系統平臺上 ,兩者皆為英文版本。我們利用備機裝入 FIX32中文 版與四通利方的 RichWin 多語種系統平臺后 , 成功 搭建中文平臺。 在重讀原監視程序的每個細節 , 深入 掌握其各組件要領和程序結構的基礎上 , 對畫面中 的每一個文本型、圖符型和動態數據英文元素重新 組態。攻克了逐層重新創建多層嵌套動態

10、圖符庫的 技術難關 , 為了使漢化信息表述準確無誤 , 翻譯信息 恰當 , 多次反復對控制程序和工藝設備進行分析 , 找 出正確的漢化表示。 經過 3個月的努力 , 順利調試并 投運 , 這一程序的漢化處理在國內普萊克斯 VPSA 制氧機還是第一次 , 對該類系統在國內的推廣應用 具有積極作用和指導意義。3.2溫度、 軸振、 油位檢測系統改造及控制程序系統的優化VPSA 采 用 美 國 Dressor-Roots 公 司 的 2057-RAS-JV 型原料羅茨鼓風機和 2070VJ-V 型真空風機 , 轉速 985r/min , 現場低頻噪聲和振動很大 , 常常 致使風機進出口溫度和軸振的一次

11、檢測元件脫落或 斷裂 , 引起溫度和軸振顯示值異常變大而停車。 據統 計 , 這種原因造成的停車故障一年多達 30余起 , 停 運時間百余小時 , 經濟損失重大。為了扭轉這種被動局面 , 我們認真分析其斷裂 原因 , 在無法改變檢測環境的情況下 , 對溫度檢測元 件進行改造 , 熱電偶由原來的 WPZ 型換為 WTZ 型 號 , 使其檢測面以上長度縮短近 10cm , 同時由普通 鎧裝變為全銅設計 , 增加了它的硬度和韌性 , 提高抗 振能力 , 經現場應用實踐說明這一改造取得了成功。 測振傳感器是用來測量機殼振動加速度 , 是測量機 組的絕對振動 , 應用于低轉速軸承潤滑的機組 , 由于 他

12、的安裝位置經常引起誤報警 , 是主要故障點之一 , 曾是困擾我們很長時間的問題 , 我們發現只要微小 的松動就能引起很大的示值偏差和誤報警 , 更何況 是脫落斷裂 , 在正確分析故障原因的前提下 , 我們將 原有普通底座更換為高強度磁性軸振探頭底座 , 并 用高強度 LOCTITE680金屬粘接劑將底座固定于機 殼上 , 避免了探頭底座的松動 ; 為了防止接線端頭虛 接 , 又對接線端頭作鍍錫處理以增加接線可靠性 ; 對 后來發生的兩次軸振誤停機 , 經檢查探頭、 前置器、 接線均正常 , 進一步分析發現在探頭底座和探頭之 間存在松動隱患 , 并進一步在底座和探頭之間 ! 6螺栓固定的基礎上再

13、次粘接。 經過采取各種措施 , 這 一棘手問題得以徹底解決。風機潤滑是采用噴濺無壓潤滑方式 , 因此對油 位是否正常的檢測尤為重要 , 油位檢測是采用連通 器原理 , 由于動作使能信號微弱 , 經常發生誤報警停 車 , 在這種情況下 , 我們經各方同意將程序聯鎖停車 改為外接聲光報警信號 , 從而消除了這一故障點。另外 , 為克服瞬間振動、異常溫升停機的問題 , 又對相應 PLC 程序進行改進 , 將 PLC 的斷線保護由 原跳至最大改為指示為 0, 同時在聯鎖程序中增設 了聯鎖保護延時。 經過采取以上各項措施 , 消除了這 一長時間困擾我們環境振動帶來的影響 , 將原平均 每月 9起故障降低

14、為每月不足 1起 , 取得了良好的 效果。3.3切換系統的優化、 故障分析和閥門調整方法的 建立自投產以來 , 切換系統的故障率居高不下 , 還發生過連續一兩天多次啟動不成功的情況 , 成為影響VPSA 正常運行的關鍵問題之一。吸附制氧工藝簡 圖如圖 1所示。23冶 金 動 力METALLURGICAL POWER2005年第 5期 總 第 111期 圖1變壓吸附流程圖PLC 系統主要停車報警信息為“ PSHH510原料 風 機 出 口 壓 力 高 ” 、 “ PSLL210真 空 風 機 入 口 壓 力 低” 、 “ 產品純度低報警” 、 “ PSL208出口壓力變送器 堵” 、 “ PSH

15、510A 床進氣壓力不足” (即原料風機排 氣壓力偏高 、 “ PSL210卸載真空度高” (即真空風機 進氣壓力偏低 等 , 我們對這類信息進行認真分析 , 深入學習工藝控制原理 , 將自動控制和工藝設備相 結合 , 確定造成這類故障的原因主要是由于切換閥 門動作不協調引起 , 每套 VPSA 共配置 13個美國Neles-Jamesbury 公司自動切換閥 , 每臺閥門由開到關的時間僅為 11s , 其開速度要求 <0.5s , 全部由 PLC 控制程序和電磁閥自動完成 , 且各閥門開關配合要求極為嚴格。這就對各電磁閥、 定位器、 執行機 構提出了更高的要求。主要問題切入點 :(1

16、電磁閥閥芯卡阻閥門不動作。我們分析認為有以下幾種原因 :其一是氣源質量含塵量較大 , 其二 是動作頻率太高沒有及時維護加油清洗 , 其三是現 場電磁閥接線松動 , 其四是氣缸碎屑進入電磁閥內 部。 針對以上幾種情況 , 我們首先對氣源系統進行改 造 , 將二空壓站氣源加裝干燥器、 脫水器、 過濾器 , 解 決了氣源質量問題 ; 其次我們對每個電磁閥定期打 開清洗加潤滑脂 ; 同時對插頭進行粘接 , 對端子進行 定期緊固 ; 另外針對氣缸碎屑問題 , 通過在氣缸壁加 入適量黃油和更換鑄鋼氣缸而得以緩解。(2 氧純度和產量的下降。我們認真分析工藝的 吸附原理和出氧過程 , 結合 A 床、 B 床的

17、 12步床壓變化 , 明確床壓異常是導致氧純度下降的原因之一 , 床壓異常又是通過閥的均衡和加壓的開度來調整的 。解決問題的方法是閥門定位器要能正確快速定位 或通過調整計算機的 “均衡” 、 “ 加壓” 開度值 , 不管如 何實現 , 前提都必須要保證能夠在信號為 0的時候 閥門全關 (對全開無精確要求 , 即在信號為 -5% 100%時閥門可全行程靈活動作 。針對定位器問題 , 我們采取了定期拆下清洗、 在線加油、 安裝后調整、 在 線 調 整 和 一 并 調 整 HV320A/B 的 限 位 螺 栓 等 措 施 , 以保證定位器和閥門可靠動作。(3 切換閥門開關時間的配合。對于發生最為頻繁

18、的 “ PSHH510原料風機出口壓力高” 、 “ PSLL210真空風機入口壓力低” 、 “ PSL208出口壓力變送器堵 塞”等報警停車 , 多次導致 VPSA 設備無法正常開 車。我們檢查排除了計算機程序、 PLC 硬件、 電磁閥 存在問題的可能性 , 結合 PLC 梯形圖程序 , 分析系 統報警信息的起源和發生的具體時間 , 將各壓力趨勢與工藝閥門動作步驟所產生的壓力變化反復對 比 , 并經實踐檢驗 , 得出如下結論 :“ PSL208出口壓力變送器堵塞” , 其信息發生 是 PLC 檢測到 A 床切換的第 2步與第 8步或 B 床 切換的第 5步與第 11步的同一測點的壓力差太小 所

19、造成的 , 其原因有兩個 , 第一確為變送器損壞或導 壓管堵塞造成 , 可通過真空風機入口壓力歷史趨勢 是否符合工藝變化而判定 ; 第二是由于真空風機入 口閥 KV330A 或 KV330B 不能打開或打開不及時造 成。“ PSLL210真空風機入口壓力低” 這一停車故 障的唯一原因 是 KV330A 的 關 閉 速 度 太 快 而 此 時 KV330B 沒能及時打開或 KV330B 的關閉速度太快 而此時 KV330A 沒能及時打開 , 從而造成真空風機 吸入壓力太低。“ PSHH510原料風機出口壓力高” 這一停車 故障的原因有四個 , 第一是由于 KV310A 的關閉速 度太快而此時 K

20、V520沒能及時打開 , 第二是由于 KV520的關閉速度太快而此時 KV310B 沒能及時打 開 , 第 三 是 由 于 KV310B 的 關 閉 速 度 太 快 而 此 時 KV520沒能及時打開 , 第四是由于 KV520的關閉速 度太快而此時 KV310A 沒能及時打開 , 從而造成原 料風機出口壓力太高停車。 切換閥的調整方法 :對閥門動作匹配問題 , 關鍵 在 于 風 機 的 進 出 口 KV310A/B 、 KV330A/B 、KV230、 KV520閥門 , 我們分析工藝原理認為這些閥門 的 關 速 度 要 明 顯 慢 于 開 速 度 , 匹 配 組 別 為 :KV330A 開

21、速 >KV330B 關速、 KV330B 開速 >KV330關 速 、 KV520開 速 >KV310A/B 關 速 、 KV310A/B 開 速 >KV520關速 , 確定故障原因和措施后 , 對各個閥門的開關速度通過閥門上下氣缸的排氣節流單向閥 進行調整 , 直至匹配。 KV330A/B 閥門速度調整原理 如圖 2所示 , 它是通過調整電磁閥和閥門氣缸之間 的單向節流閥來調整上下氣缸的導氣管的排氣流通24冶 金 動 力METALLURGICAL POWER2005年第 5期 總 第 111期量來調開關速度的。 比如要使閥門關速減慢 , 由于此 閥活塞向上運動時閥關

22、, 只需適當關小上氣缸導氣 管上的節流閥直到符合關速要求時即可。 KV310A/B 等其他閥門速度調整原理如圖 3所示 , 它們的調速 原理是完全一致的 , 都是控制相關氣缸的排氣量 , 只是其節流閥裝配在電磁閥閥座 , 與電磁閥合為一體。 圖 2KV330A/B 閥門速度調整原理圖 圖 3KV310A/B 等其他閥門速度調整原理圖 閥門調速須注意兩個問題 :第一 , 一般情況 下 , 要求這些閥門開速最快 , 但如果動作太快 (如新 定制的川空閥門 , 其直徑 600mm 的翻板的巨大慣 性會對閥門產生機械結構性損傷 , 將大大縮短閥門 的使用壽命 ; 第二 , 要求這些閥門的關速明顯慢于開

23、 速 , 但又不能過慢 , 這樣一來會影響產品氧氣的純度 和產量 , 二來如果氣缸活塞的串氣量大于單向節流 閥為限制其關速度的排氣流通量 , 此時閥門也將無 法動作 , 換句話說如果氣缸輕微串氣而閥門無法動 作 , 可嘗試通過適當開大節流閥使關速適當增加的 方法來解決。隱含故障 :在閥門開關時間調整完成并且在進 行現場切換閥門測試時動作均正常后 , 在運行過程 中還有可能發生上述停機現象 , 而且總是連續重復 發生 , 以致無法開車 , 且各專業檢查均正常 , 為了解 決這一棘手的難題我們經分析閥門內部結構認為存 在另一種較為隱蔽的可能 , 就是閥門翻板關得太死 , 造成在切換時閥門偶爾出現無

24、法瞬間順暢打開 , 而 是跳躍性開啟 , 以致在風機瞬間壓力異常而時有停 機甚至無法開車 , 而這是無法通過肉眼觀察來發現 ,只能進行自控、 工藝、 機械的多專業綜合分析 , 從這 一疑點出發 , 我們提出適當向下調整閥門執行機構 的關限位螺釘的建議 , 使其在閥門關閉時不致于太 緊以保證能夠快速打開的解決方案 , 這一措施經實 施后 , 多次解決這種隱含故障 , 每次都能保證一次開 車成功。3.4控制系統網絡結構的優化變壓吸附原網絡結構如圖 4所示 , 由 2#操作站擔負 2#VPSA 和 3臺氧壓機的全部負荷 , 負荷較大 , 更重要的是一旦 2#操作站損壞 , 不但 2#VPSA 無法

25、監控 , 3臺氧壓機也將無法運行 , 由于無法壓送氧 氣 , 1#VPSA 也將被迫停機 , 即意味著整個變壓吸附 制氧的癱瘓。 2001年和 2002年分別發生了兩起這 類事故。對此我們對原 DH+網絡結構進行改進 , 如圖 5所示 , 我們重新組建網絡架構并對 PLC 和 DH+網絡進行設置 , 經反復嘗試 , 實現了氧壓機 PLC 由 單獨操作站監控 , 并在 1#操作站預留了氧壓機監視 程序 , 以便在氧壓機操作站故障時隨時接入 1#操作 站 , 從而避免了事故擴大。在此基礎上 , 還建立了系 統恢復方法。 另外為防噪音干擾 , 利用 8h 順利進行 了中控室的搬遷。圖 4改進前原網絡

26、結構圖 5改進后網絡結構3.5軸溫測量系統的加裝原真空風機和原料風機是采用滾動軸承的非強制潤滑方式 , 轉速較低 , 加之振動極大 , 因此并沒有 設計相應的軸溫檢測系統 , 曾于 2004年 4月造成軸 承缺油抱死燒毀的重大事故 , 單是更換軸承的費用 就是 20萬元。為避免此類事故的再次發生 , 廠部決 定加裝軸承測溫系統 , 由于這種大振動低轉速的風 機并未設計檢測點 , 我們結合現場實際并對機組機 械圖紙進行剖析 ,(下轉第 28頁 25冶 金 動 力 METALLURGICAL POWER 2005年第 5期 總 第 111期(上接第 25頁 確定了 16個軸承測溫熱電偶的安裝位置

27、, 考慮到機 組的振動太大 , 我們量身定制合適尺寸并選擇了抗 震性能好的熱電偶 , 在完成了熱電偶的安裝測試和 性能試驗后 , 已接入 PLC 進行監測、 報警和聯鎖停 機。這一技改措施的實施填補了這類大振動低轉速 風機軸溫檢測的空白 , 必將有利于機組的長周期運 行。3.6系統化標準檢修項目和標準維護方法的建立 根據檢修時間安排 , 分別制定了 2h 、 8h 、 20h 的標準檢修項目 , 并根據應用的具體情況 , 制定了可 在線檢查維護的標準維護項目 , 從設備的各個細節 方面進行規范和要求 , 形成了特有的操作性極強的 檢修和維護程序。4創新點和應用推廣情況(1 程序漢化 軟件漢化成功 , 優化了操作界 面 , 方便了監控和操作 , 同時這一程序的漢化處理在 國內普萊克斯 VPSA 制氧機還是第一次 , 對該類系 統在國內的推廣應用具有積極作用和指導意義。 (2 風機軸溫測量系統的加裝 這一技改措施 的實施填補了對高振動場合風機軸溫檢測的空白 , 必將有利于機組的長周期運行。(3PLC 斷偶保護的改進 通過對更改模塊組 態字將原設計熱電偶斷線保護指示最大改為斷線后 指示 0, 通過這一程序改進消除了因熱電偶斷線所 引起的誤停機現象。(4 將工藝、 電氣、 機械、 儀表和計算機控制的