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除塵降溫特大型空分設備的開發首鋼4＃風機軟起動過程的計算機監
隨著氣體工業的迅速發展及我國加入WTO，各行各業對氧、氮、氬產品的需求量急增，用量越來越大，純度要求越來越高。這些要求促進了空分設備技術的不斷發展，逐步形成了現代空分設備制造技術的特點：巨型化、規整填料塔、全精餾無氫制氬、氧氬產品高提取率、高純度、氣液并產、高自動化、多種工況、可靠性高、低能耗、運行周期長等；對氧氮產品壓力要求特別高的石化行業和液體產品量要求特別多的用戶，還有選擇內壓縮流程空分設備的要求。
自20世紀90年代開始，逐步有上述類型的空分設備被引進到國內。上海寶鋼的60000m3／h(氧)和72000m3／h(氧)空分設備，南京化學工業公司的42500m3／h(氧)空分設備和陜西渭河化肥廠的40000m3／h(氧)空分設備等是這些先進空分設備的代表，而且國內用戶對這些類型空分設備的需求量越來越大。
為了盡快提高我國特大型空分設備的設計制造技術水平，提高市場競爭力， 自20世紀90年代初，杭州制氧機集團有限公司在國務院重大技術裝備領導小組、機械工業重大裝備公司的領導下，進行了“30000m3／h等級空分裝置設備研制”攻關。主攻的技術問題有兩方面：一是設計技術，二是制造技術。通過對設計和制造關鍵技術的課題攻關和大量的試驗研究，解決了一個又一個技術難題，使杭氧較快地掌握了特大型空分設備的核心技術，并逐步推向市場。寶鋼30000m3／h(氧)空分設備的順利投產，標志著我國空分設備的設計制造技術上了一個新的臺階，特別是圓了老一代空分專家的夢，他們多年的夢想終于實現了!
2 特大型空分設備新技術、新產品研制
2．1 特大型空分設備的成套設計與計算技術
杭氧在“八五”與“九五”期間，一直承擔著國家重大技術裝備國產化攻關項目“三萬空分國產化流程設計與計算”子課題的研究與開發工作。主要工作項目有：
(1)應用美國Aspen熱力計算軟件，對空分流程進行集成計算，同時自行開發內壓縮流程熱力計算軟件。
(2)采用林德精餾計算軟件，同時針對目前采用規整填料塔及全精餾制氬流程的特點，自行開發適用于該流程的精餾計算模塊，它可以實現主塔與氬塔的集成計算。同時自行開發精餾塔水力學計算程序。
(3)用美國S—W公司板翅式換熱器性能及結構計算程序，對換熱器進行熱力計算，同時自行開發了多個專用程序。
(4)采用美國NREC軟件，對離心壓縮機、透平膨脹機的葉輪進行設計。該軟件可自動生成加工指令。
(5)采用PDMS三維管道設計軟件對冷箱內低溫管道進行設計。
(6)在強度計算方面，杭氧采用MSC／NASTRAN應力分析、計算軟件進行空分設備強度計算。
杭氧對近幾年從國外引進的大型空分設備進行了詳細的分析和研究，并用上述軟件進行驗證性的分析計算，證明我們的軟件是可靠的。這樣，通過自行開發與引進技術，杭氧已完全掌握了“三萬”到“六萬”等級空分設備的設計計算技術。
2．2 新型空氣預冷工程的開發
通過技術合作的形式引進了國外公司專門用于空冷工程性能計算及散堆填料型空冷塔和水冷塔結構計算的軟件，使新型空冷工程的開發有了先進可靠的設計軟件。同時在空冷塔及水冷塔的結構形式上，杭氧開發了散堆填料塔和大孔徑降液管式篩板塔。采用的散堆填料，具有傳熱效率高、阻力小、操作彈性范圍大等優點。在散堆填料的選擇上，考慮到不同塔段工作狀態的不同，而采用不同結構形式和不同材質的填料，并且對填料表面進行特殊處理，使其表面的濕潤性更好，以增強傳熱效果。
在流程組織上，對氮氣產量要求較少的空分設備，其空冷工程的外界循環水先經水冷塔冷卻再經冷凍機冷卻后進人空冷塔上段，充分利用了污氮氣的吸濕性，使冷凍機制冷量大大下降。當氮氣產量小于、等于氧氣產量時，可以取消冷水機組，使整個工程運行更可靠、能耗更低。我們為濟鋼20000m3／h、寶鋼30000m3／h、烏石化28000m3／h等空分項目設計了十幾套大型空冷工程，都采用了大型散堆填料塔，取消了冷水機組。經實際運行測試，完全達到了設計指標。杭氧與林德公司合作生產的為寶鋼60000m3／h空分配套的空冷塔和水冷塔塔徑達到φ4500mm和φ4200mm，是目前國產最大的空冷塔，運行情況良好。
2．3 特大型分子篩吸附器的研制
分子篩吸附器是空分設備的重要配套設備之一，普遍采用的有臥式和立式徑向流兩種結構形式。
杭氧先后與林德公司聯合設計和制造了“三萬”等級空分設備分子篩吸附器八套，杭氧又自行設計制造了鎮海煉化“二萬八”、寶鋼“三萬”、烏石化“二萬八”等空分設備的分子篩凈化工程和吸附器，都取得了良好的效果。
大型臥式吸附器由于受運輸的限制，一般外徑φ4200mm，主要需解決吸附層截面的氣流分布均勻度。通過現場測試和調整吸附層截面的氣流分布均勻度情況，我們掌握了具有指導設計價值的第一手資料，且已將此成果應用于設計中，使設計制造的吸附器在現場不再測試，安裝完畢就可直接投入使用。杭氧與林德公司合作生產的寶鋼60000m3／h空分設備配套的分子篩吸附器，外形尺寸：直徑似200mm，長25000mm，已穩定運行五年以上。
2．4 高效精餾塔的研制
近幾年我們已成功地將規整填料應用于1500~21000m3／h(氧)空分設備的精餾塔，這次又在寶鋼“三萬”空分設備的上塔、粗氬塔成功地使用了規整填料，這充分說明規整填料塔的設計制造技術在杭氧已完全成熟。
在寶鋼“三萬”空分設備的下塔，我們成功地采用了四溢流篩板。常規使用的單溢流和雙溢流篩板塔板由于弓形區是液體的滯流區，存在液體返混現象；塔板上存在液面落差。這些問題隨著精餾塔直徑的加大而變得更加嚴重。而四溢流塔板可有效地減少液體流程、液面落差和溢流強度，因此改善了氣液接觸，提高了塔板效率和液體處理能力，減小了壓力降。這種結構形式完全可以用于“五萬”和“六萬”等級的空分設備中。這種形式的塔板具有投資成本較低的優點。目前，我們也正在設計采用規整填料的下塔，以進一步減小塔徑和下塔阻力，使空分設備操作負荷在50％~105％可變，同時也可使空壓機背壓進一步降低10～15kPa。
2．5 新型主冷凝蒸發器的研制
主冷凝蒸發器是空分設備分餾塔中的關鍵部機，它的傳熱性能好壞將直接影響到空分設備的總體性能與能耗，因而我們一直很重視對新型主冷的研制開發。從1986年開始即與西安交通大學合作開發新型主冷，其中“大型制氧裝置冷凝蒸發器”課題中包含的兩項新技術申請了兩項專利，名稱分別為“類環狀流雙相變換熱器”及“雙沸騰型冷凝蒸發器”，這兩項技術獲得了2001年度國家科技發明二等獎。2003年2月26日通過浙江省科技廳組織的鑒定，一致認為該項目首創特殊通道比例作為基本換熱單元，首創冷凝通道的結構方案，使傳熱溫差顯著減小，產品與技術處于當前國際領先水平。
寶鋼“三萬”空分設備配套的主冷凝蒸發器就應用了此項“雙沸騰”新技術。該技術的應用，使得特大型空分主冷安裝在上下塔之間成為現實，大大簡化了管路工程，節省了冷箱占地面積，也降低了運輸成本。按常規， “三萬”以上的特大型空分主冷因考慮運輸問題，直徑不能太大而往往需單獨布置，上下塔之間用管路連接。不僅管路配置復雜，且冷箱占地面積較大。
2．6 冷箱總體的設計研究
空分設備采用規整填料上塔及無氫制氬工藝后，塔的高度顯著增加，尤其是粗氬塔，其總高度達到55~65m。為保證氬餾分能順利回流到上塔，通常將粗氬塔分成兩段，即使這樣整個冷箱的高度根據提取率的不同一般也在55~65m之間，比原來采用篩板塔的冷箱足足要高15~20m，這對冷箱總體設計提出了更高的要求。
冷箱作為殼體，要承受風載、內壓、珠光砂等載荷，同時作為工業建筑，也需要考慮地震載荷。隨著全精餾制氬流程的采用，冷箱的高度已達60m以上，因此非常有必要對冷箱進行應力分析，選擇合理的型鋼規格，為冷箱設計及改進提供可靠的依據�，F在，我公司采用鋼結構分析軟件STAAD／PRO做應力分析。
冷箱內配管設計我們應用PDMS軟件。該軟件是一個三維實體模型工廠設計工程，具有交互式、全彩色實體設計環境，具有碰撞干擾檢查、自動統計材料及報告生成功能，還可以全自動出管線圖，為用戶現場安裝提供了很大的方便。應用CAESAR軟件，可以對冷箱內管道作靜態、動態應力分析。
2．7 大型低溫設備加工工藝的技術攻關
要實現特大型空分設備的國產化，僅掌握先進的流程和結構設計是不夠的，加工工藝能否滿足先進的設計是至關重要的。杭氧早在十幾年前已清楚地認識到了這一點，針對“八五”國家重大技術裝備科技攻關項目“大型低溫設備加工工藝技術攻關”，杭氧主要進行了以下幾方面的技術攻關：
(1)對大型、厚壁、扳邊錐體的下料、卷制及扳邊，進行了工藝研究，設計制造了相應的扳邊裝置，解決了主冷所用的Φ內4250Φ內3980×hll8×δ18、Φ內
>1 問題的提出
首鋼4＃風機選用大功率同步電動機拖動(36.14MW)，起動方式是變頻起動。大型同步電動機的軟起動，工程復雜，條件多，起動步驟的要求也比較嚴格。從幾年來的實踐看，常常在起動時出現故障，因分析較困難，故而拖延起機時間。由于起動設備的配置很復雜，為方便電路走線，它們分別安裝在上、中、下幾層房間中，信號及故障顯示分散，不宜集中觀察。為集中觀察和監測風機工程的軟起動過程，我們在主控室加裝計算機監控工程，將起動的充要條件及起動過程各步的關鍵點采集出來，經PLC的邏輯判斷、組合送至上位機，在上位機畫面上監視起動過程和并網情況。首先監視的是起動初始條件，它包括風機條件：①靜葉位置9 5 MPa9.5MPa，④潤滑油壓>0.06MPa，⑤潤滑油溫>25℃；電機條件：①各主電路開關要到位(小車開關)，均處于斷開狀態，需貯能的開關要貯能完畢，②電機、變頻器、變送器等均處于正常狀態，③保護工程無故障，④勵磁及風冷卻工程工作正常。這些條件全部滿足后，起動程序方能生效。因此，起動前捕捉起動條件滿足的信息是重要的。軟起動的過程是自動順序控制，它采用自控變頻同步電動機(無換向器電機)調速[1～2>。根據其特征性動作，本工程起動過程設定為14步，稱邏輯走步，每一步都與多個因素和環節相關聯，并為下一步的必要條件。本工程設計原則是：如起動過程中出現故障，無論走到哪一步，均退回初始狀態，待故障處理完后，再重新起動。這樣，另一個重要問題就是要監視整個軟起動過程，如有故障要記下發生在哪一步，并通過幫助鍵追尋到故障原因和元件，這可以及時迅速地處理故障，確保起動的成功。
2 工程構成
控制工程構成框圖見圖1。
圖1 風機控制工程構成框圖
要采集必要的開關量，必須在現場取開關點。為了不影響原起動工程，我們的原則是：不取原工程運行中的點，而取執行元件上的多余點，如沒有多余點的則引出信號，附加小型繼電器，在其輸出點上取開關量。
2.1 開關量的選取
在操作控制臺、儀表盤上取11個點，在起動邏輯控制柜上取23個點，在繼電器邏輯控制柜上取17個點，引至本工程的監視工程柜。監視控制柜設置電源，加裝40個小型繼電器(115系列)，線圈電壓分別為24VDC、110VDC和220VAC，這些開關量的輸出送至PLC。本工程在軟起動過程中，除邏輯走步外，有兩個變頻調速過程：(1)在第8步由0～5Hz，大約3～5s；(2)在第12步由5～50Hz，大約3min。為了觀察這一調節過程的主要參量變化情況(也可記錄其變化曲線)，我們在現場還取了3個模擬量信號——主電機電流、電壓(轉速)和勵磁電流，一同送入PLC。
2.2 PLC
選用SIEMENS公司產品S5-115U(也可選用日本OMRON及其它產品，因我公司S5-115U用的較多，為習慣性選擇)，主要用來完成現場開關量、模擬量信號的采集、轉換處理、邏輯判斷及與上位機的通信聯系。
通過繼電器隔離，變換成標準信號的現場信號，由開關量輸入模塊或模擬量輸入模塊進行采集變換成二進制數碼，通過主機架底板總線傳送給CPU模塊，按程序進行運算處理，擴展機架通過接口模塊用電纜連接器與主機架底板總線連接，CPU模塊將收集處理的信息存儲到相應的數據塊中，依據程序周期動態修改。通信處理器模塊將上位機與PLC的CPU模塊聯系起來，完成數據接收、處理、轉發等工作，使上位機能自如地獲取需要的現場信息，并將上位機指令傳給PLC，控制現場變量。
PLC軟件支持：1)使用編程器PG730上安裝的STEP5軟件，可圓滿地完成S5-115U的編程和動態監控。STEP5提供梯形圖、控制功能圖和語句表3種編程語言。2)STEP5中的COM525軟件塊可用來完成對通信處理模塊CP524的編程，主要用于定義通信速率、幀格式等。
2.3 上位機
(1)硬件配置
486以上主機，16MB以上內存，1GB硬盤，3.5in(8.89cm)軟驅，彩色監視器，LQ-1600K打印機，2個RS232串口，標準鍵盤，鼠標。
(2)軟件支持
在Windows平臺下FIXDMACS工業監控軟件用來完成動態畫面的制作、監視、控制等功能。
在上位機上用FIXDMACS將需要監控的相關量以標簽的形式鏈接在制作成的形象生動、色彩豐富的畫面子圖中，通過數值、顏色、形狀、位置等的變化來反映被監控量的改變，能使現場操作人員直觀地監視整個變頻起動過程，發生故障后能及時報警，提示診斷處理方法，快捷方便地查找和排除故障，為整個起動工藝流程提供了一個良好的人與設備接口環境。
(3)監控畫面構成
監控畫面構成見圖2。
圖2 監控畫面構成
電氣總圖為本工程的電氣原理圖，其中有各大開關設備狀態的動態顯示，標明工程各部分的通、斷電情況及起動過程中的動態變化。起動條件圖中有電機、風機、外圍設備起動條件，條件如果滿足，標志為白色，不滿足則為紅色，全部條件滿足后，延時在右上角出現“條件滿足，可以起動”提示，為工程的順利起動提供可靠信息。起動步進圖顯示起動過程中的步進情況，提示起動進程和并網成敗信息，在步進過程中走到哪步，哪步框便改變顏色，并網成功后，給出令人欣喜的畫面，提示“并網成功”，失敗則給出“并網未成功”的提示。如在哪一步出現故障，畫面便停止在哪一步，通過幫助鍵，給出幫助菜單，在此菜單上，可找到故障的原因、元件及所處的部位，并提示處理方法。故障查詢圖中有工程各類故障的綜合信息，提供各種故障的分析、判斷、處理方法。元件功能表中列出工程中重要元器件的性能指標、安裝情況、備件情況等重要信息。
3 安裝、調試及應用
此監控裝置的電源、附加繼電器、PLC設計安裝在一雙面開的柜中，我們先把這部分做好，按開關量輸入的順序在接線端子上做開合試驗，先把邏輯關系固定下來，然后把這些點送入PLC，在PLC上輸入起動條件的邏輯量關系，最后“與”為起動條件滿足，可以起動。起動步驟則根據它們的邏輯關系一步一步地設定進去，最后完成并網。如起動過程中任意一步出現故障或并網失敗，都可通過幫助鍵找出原因及處理方法提示，把這些提示菜單用文字形式輸入計算機，再把PLC與上位機通過通信聯系起來，在上位機上做出相應畫面并輸入文字材料(菜單、幫助條件、信號燈亮的解釋、工程設備及元件表等)。最后，在停機時把現場點與監視工程柜連接。因取的是開關量(模擬量取的是主工程的儀表顯示部分)，因此本工程只要開通，不需要調試。
本工程研制成功后，已于1998年5月用于4＃風機的生產線，成功地實現了在線監控，目前運行良好，收到了良好的效果。本監控工程在經過一段時間運行，取得經驗，加以改進后，我們還準備在5＃、6＃風機上增設監控工程以達到計算機畫面監控的目的。
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