制氧机制动机空调系统的可靠性分析

制氧机制动机空调系统的可靠性分析

山东立钢天然气公司2300m3生产空气压缩机采用四个电机平衡箱，4级离心式空气压缩机。空压机作为空分装置中首要的设备,其运行的稳定可靠性直接关系到整个制氧机组的正常运行。空压机控制系统主要包括励磁和压缩机本体两大部分。励磁系统使空压机顺利启动,本体系统是监测空压机运行的关键,尤其是防止发生喘振和保护跳闸方面。因此,该控制系统的设计与实施是极其重要的。本文以ATLAS空压机为例,探讨如何保证该控制系统的可靠性。1电机控制系统的设计空压机的励磁系统采用的是常用的带交流发电机的无电刷系统(结构图如图1)。无电刷励磁系统主要由以下三个部分组成:旋转整流器的三相同步主励磁器;用于电动机起动程序的可控硅和触发器单元的旁通电路;用于励磁器励磁的电动机控制设备。电动机控制单元由交流系统供电,由限流器和保护功能的自动化调节器电路两部分组成。调节器电路包括可控硅换流器和一个具有调节器、限流器、保护功能的PLC。(见原理框图2)1.1同一种或感应的相应系统,利用同步应力发电系统联合相在无电刷励磁系统中,励磁电流是在主励磁机中产生的,该励磁机是一个同步的或感应的三相交流发电机。它在转子上有交流绕组,在定子中有励磁绕组,起到一个来自控制系统的励磁电流放大器的作用。1.2整流器放电保护旋转二极管整流器是安装在励磁机的轴上,由以下组成:一个三相全波六脉冲整流器,每个支路用一个二极管,总共6个二极管;用于整流器高峰电压保护的2个RC电路;两个带触发单元的可控硅,在电机应用中的同步启动期间用作磁场过电压保护和旁路。1.3控制器可控硅控制器可控硅控制器主要用来控制主励磁机磁场的励磁电流,也可控制主电机的电压或无功电流或功率因数。调节器的输出用来控制可控硅控制器。可控硅控制器用风扇强制冷却的,由三相可控硅单元组成。可控硅控制器同时有相位角控制,根据负载大小,可控硅控制器的输出线性地高于或小于调节器的控制电压。1.4去磁干励磁电路在可控硅控制器的输出侧上提供了一个励磁断路器。1.5ac400m控制器调节器是建立在ABBAdvantControllerAC800M的基础上。AC800M是CompactProducts800系列产品中的一个重要组件,它是一款基于导轨安装的模块化的控制器,包含了CPU、通信模块、电源模块及一系列附件。集成了多种通信功能、可以实现全方位冗余,并且支持宽范围的I/O信号,同时也包括在危险区域的本质安全信号。AC800M控制器通过CompactControlBuilder编程软件为其编程组态,使得AC800M控制器可以实现各种控制应用。可重复使用代码和库文件的功能特点也使AC800M的应用程序更加容易组态和建立。控制器包括起动逻辑电路、调节器功能、过励磁和欠励磁的限制、保护和监督功能。调节器功能包含励磁电流调节器、电压调节器、无功功率调节器和功率因数调节器。采用功能块图FBD编制了应用程序,该应用程序包含了有三个单独执行时间的程序,即快速程序、正常程序和慢速程序。对电压调节器、快动作保护功能、欠励磁限制器和控制功能,则使用快速程序。对大部分控制任务,则使用正常程序。对启动阻塞、温度监控,则使用慢速程序。1.5.1确定保护跳闸电机的目标(1)电压调节器是PID(比例积分微分)控制的,并测量电机的电压,且将它与设定值相比较。将从电压调节器的输出连接到模拟输出,并控制可控硅转换器。(2)二极管故障会造成励磁丢失和造成电机不能运行。二极管发生故障时,会使励磁机励磁电流产生电流波动。励磁电流是通过只对交流谐波敏感的传感器进行测量的。引至PLC与设定值比较,一旦超过时,在设定的时间延迟后,二极管监控跳闸电机达到保护目的。(3)不同步保护,保护电机防止在欠励磁下不稳定地运行。(4)差动保护是对电机的短路保护。(5)使用欠励磁限制器,来防止电机运行在太低的欠励磁区域中。(6)用于跳闸线路的逻辑,断开主断路器和励磁断路器。包括的功能例如:长启动、二极管故障、不同步、高或低电压、高或低励磁电流、差动保护、外部的跳闸、紧急停止。1.5.2控制系统的设计对正常程序的执行时间,设定到100-200ms。(1)当从压缩机控制活动了启动信号时,就引发了启动逻辑。在启动顺序期间,由PLC监视着自动变压器断路器。当闭合CB1且电动机已同步时,就闭合励磁断路器。用计时器监控启动时间,当闭合CB2时计时器就启动了。当完成启动时,该计时器就停止了。长启动时间就跳闸主断路器。(2)用于每个调节器的设定值,可以从操作员的控制盘上,使用升高、降低按钮来改变。升高和降低命令,都连接到运行中的调节器。(3)励磁电流调节器是PID特性的,且测量励磁电流,并将它与设定值相比较。从励磁电流调节器的输出,连接到模拟输出,并控制可控硅转换器。(4)用于电压调节器和励磁电流调节器的励磁电流限制器。(5)无功功率调节器。(6)功率因数调节器。(7)可控硅转换器监控。(8)使用高和低励磁保护,来防止电机运行在安全励磁电流极限范围之外。(9)过和欠电压保护。1.5.3缓慢程序在慢速程序中,将励磁时间设定到500-1000ms,并包含启动计数器、启动阻塞功能的报警。1.6监控与释放信号显示此系统中,使用ABB操作员控制面板用于电动机运行数据、报警、跳闸和状态指示。其主要功能是:显示实际的电机运行数据,有电压、电流、功率因数、有功负载、无功负载和励磁电流,以及设定值;显示启动和断路器位置的状态;显示所有的报警与释放信号;使用此操作面板的唯一不足是没有历史记录,为此利用AC800M提供的以太网接口,采用IFIX4.0通过OPC实现了空压机整个启动过程的历史纪录,方便了空压机的故障迅速解决。2主壳体2.1停机注意事项空压机由操作员直接在画面上发出启动命令,在空压机允许启动条件都满足后,通过PLC输出直接去空压机高压柜和励磁柜,从而使空压机启动。整个启动过程受励磁系统监控。在空压机运行过程中,时刻监测空压机的振动,轴温,电机绕组温度,出口温度,油压等关键数据。若出现如下异常,振动高、轴温高,出口温度高,电机绕组温度高,油压低,喘振将会造成空压机保护跳闸。空压机的电机温度、齿轮箱轴承温度、出口温度都是非常重要的参数,温度高将直接联锁设备停车。温度直接接进西门子S7-400PLC的热电阻模板,测温的一次元件经常会因为机体振动而断线,使得温度显示最大值,导致停车。为了避免这种情况发生,影响生产,在程序中设计了“断阻保护”,如果出现铂电阻断线,程序将不会联锁停车,如果是工艺原因而温度确实高,程序会正常联锁停车。空压机的停机信号采用常闭点,正常时,停止继电器处于得电闭合状态,停止命令发出时失电,防止因为PLC故障,无法停止空压机。所有的现场检测仪表选用了可靠的进口元器件。由于设备安装原因,在空压机运行时,导致管道震动太大,为此,将放空阀由一体式西门子定位器改为分体式定位器,从而避免了放空阀因振动太大而导致关不严的现象。2.2预防哮喘的泵压和控制压缩机的升压操作和防喘保护是由2个入口导叶和放空阀共同作用实现的。2.2.1理论上的运行压缩机的升压操作是工况的需要。压缩机设有1级导叶和2级导叶(图3所示),入口导叶为手动控制,一级导叶将根据升压要求和二级导叶的逻辑关系自动调节。二级入口导叶的开度值是由电流控制器的输出和手操值(手动输入值)两者的最小值决定。正常工况下,操作人员通过二级导叶的手操器控制二级和一级的阀门开度。当负荷超过额定负荷时,电流控制器起作用。当电流大于设定值时,二级入口导叶会从当前开度关小,直到实际值与设定值相等。空压机的启动升压过程:空压机启动5分钟后,一级入口导叶IGV自动从0逐渐开到30%(最小运行位置)。空压机启动10分钟后,允许空压机升压(加载),此时将放空阀手操值由100%改为0%,点“加载”按钮,放空阀跟随加载斜波的输出,由100%逐渐关到0%,空压机出口压力会不断提升,放空阀全关后,如果压力没超过设定值,这时可以逐渐增加二级导叶的开度,而一级入口导叶开度也自动跟着增加,直到压力与设定值一致,满足工况的需要。2.2.2防止2.2气体分离压缩机达到最小流量时,叶轮中的气流将失速。也称为“喘振”。喘振是周期性的、有声音的、对压缩机机械元件造成严重应力的现象。压缩机必须有防止喘振的保护,并且决不可以在喘振条件下运行。为了使压缩机能够在稳定的运行范围内持续地运行,从两方面防止发生喘振:在压缩机达到(最小流量+固定值)之前,放空阀一直处于调节状态,当接近喘振保护线时,放空阀慢慢打开,防止空压机进入喘振区;(见图4)进入喘振保护线内,还没进入喘振区,则放空阀立即打开到100%,空压机卸载;2.2.2.放空阀关闭时输出信号随点流量控制器比较PV和SP。负控制误差(即过程值大于设定点)导致输出信号减小↓,Y→0%(放空阀关闭)。正控制误差(即过程值小于设定点)导致输出信号增大↑,Y→100%(放空阀打开)。流量控制器的输出信号作用于“高选择器”。2.2.2.输出信号消失,放空阀关闭控制器的过程值PV指最后一级的出口压力。限压控制器比较设定点SP和过程值(PV)。负控制误差:(即过程值大于设定点)导致输出信号增大↑,Y→100%(通过工艺的流量减小意味着放空阀打开)。正控制误差:(即过程值小于设定点)导致输出信号减小↓,Y→0%(通过工艺的流量增大意味着放空阀关闭)。限压控制器的输出信号通过“高选择器”和“逆函数”传送给放空阀。出口限压控制器达到最大输出信号(100%输出信号对应100%开度)时,放空阀必须打开。为了保证这与放空阀的运行一致,需要有“逆函数”。只有在极端的工艺条件下限压控制器才工作,所以“高选择器”的输出信号作为反馈信号FB给限压控制器。启动时需要有斜波进行自动启动。利用该斜波,放气阀逐渐关闭并使控制器能够平稳的移交。2.2.2.3手动配置调整释放装置操作人员可以通过画面对放空阀进行遥控,放空阀的最终输出是由手操、加载—卸载斜波输出、流量控制器和限压控制器的输出,四者高选值所决定。2.3机进入感冒区上面说明了如何防止空压机在运行时进入喘振区域,而如果因为某些原因导致空压机直接进入喘振区,则应立即停止空压机。这部分是通过喘振保护器S7-300实现的,通过监