针对空气增压机与增压透平膨胀机的原理分析

　　KDON30000/24000型空分设备采用液氧内压缩流程，其工艺流程如图1所示。压缩空气经分子筛纯化系统净化后分为两路：一路在低压板翅式换热器中与返流气体换热，接近空气液化温度后进入下塔；另一路进空气增压机增压。空气增压机采用7级压缩3级冷却，其中7级压缩又分为2段：一，二，三级压缩，称为一段压缩；2，3分别为四，五级和六，七级压缩，合称为二段压缩。其中从一段出口抽出约22MPa，相当于膨胀量的中压空气去增压透平膨胀机；二段出口的572MPa高压空气在高压板翅式换热器中被返流低温气体及高压液氧冷却，经高压节流阀降压至055MPa后进入下塔。由膨胀机增压端将空气增压机一段抽出的中压空气压缩至约288MPa，被水冷却后再经高压板翅式换热器冷却，然后进入膨胀机膨胀端，膨胀后降温至约-168，降压至0549MPa后进入下塔。

　　根据实际生产要求，KDON30000/24000型空分设备与原有3套空分设备的产品氧气出口管线合并，因此，KDON30000/24000型空分设备的产品氧气可同时供给现正在运行的造气分厂，作为生产粗煤气的催化剂。

　　2空气增压机防喘振的逻辑设计及操作要点

　　2.1逻辑设计原理

　　为保证设备的安全，根据空气增压机的运行特点，运行原理及防喘振曲线，特意设置了空气增压机一，二段压比联锁，BIC0101和BIC0102.其逻辑设计原理如下：

　　（1）压比实际值PV：出口压力与进口压力的绝压比；

　　（2）压比设定值SP：即时流量下所允许的出口压力与进口压力绝压比的*大值。

　　在正常运行时，压比实际值应远小于压比设定值，这时系统认为设备处于安全运行状态，压缩机的一段回流阀BV0101和二段回流阀BV0201的电磁阀得电，回流阀受控，且压缩机的一，二段压力可以手动调整；如果压缩机出现压比实际值等于或大于压比设定值的异常情况时，系统认为此时设备处于喘振的危险状态，于是，一，二段回流阀的电磁阀便满足了失电的逻辑设计，一，二段回流阀会因电磁阀失电而迅速全开，系统在短时间内降压，使压缩机运行工况离开喘振区域，从而保持安全运行状态。

　　从喘振的角度来讲，压缩机出口压力的高与低是相对于压缩机的流量而言，当流量大时，允许压力值就高；反之，允许压力值就低。所以该压缩机的防喘振逻辑设计主要是为了避免在某一流量下对应的出口压力过高，给机组带来超压的异常情况的发生。

　　以实际运行为例，在正常运行状态中选取一组具有代表性的某一时刻的普通工艺参数值来加以说明。BIC0101中的PV3421为现在运行状态时的压比实际值（即PIC0101#PI0101=（2158+01）#（056+01）=3421），SP 458为该时刻的压比设定值，即表示在流量FI0101为97415m3 /h的状态下，机组允许的*大压比值为458.因为压比实际值3421小于压比设定值458，所以此时BV0101阀的电磁阀S为得电状态，BV0101阀受控，该状态为安全运行状态。这时可以通过DCS控制系统手动调整BV0101阀的开度，以调整一段出口压力PIC0101.假如在进口流量与压力没有较大变化的情况下出口压力升高，那么该时刻出口与进口的绝压比值一定会升高，即PV值会增大，而系统逻辑在这一时刻给出的此流量状态下的压比设定值SP与PV值之差就会随之减小（此差值减小的速度主要与出口压力升高速度有关，出口压力升得越快，PV值就会升得越快，SP值与PV值之差值缩小得就越快），当SP值与PV值相等或PV值大于SP值时，BV0101阀的电磁阀S就会失电，BV0101阀迅速全开，PIC0101降低，以此保证压缩机在危险状态下的运行时间不会过长。当BV0101阀因电磁阀S失电而全开后，便无法通过DCS控制系统手动调整BV0101阀的开度。

　　值得注意的是，压比设定值并不是固定不变的。在异常情况下，当PV值因出口压力升高而数值增加较快时，SP值也会有所增加，但增速很慢。因为压比设定值是即时流量下所允许的出口压力与进口压力绝压比的*大值，除了出口压力外，进口流量和进口压力的变化同样会影响压比设定值，在出口压力大幅波动的时候，进口压力及流量也一定会有所变化，除进口压力与流量的仪控故障外，影响压比值大小的主要因素是出口压力的变化。所以，在PV值变化的同时，SP值的大小也会随进口压力和流量的变化而相应地变化。在正常运行状态下，PV值与SP值处于动态平衡状态。

　　该压缩机的二段防喘振的逻辑设计原理同一段完全一样，只是在实际运行中的数值有所不同，这里不再详述。

　　2.2空气增压机出口压力升高的主要原因

　　（1）膨胀机突然跳车，紧急切断阀关闭，膨胀机不再进气，造成空气增压机的PIC0101迅速升高。

　　（2）在调压操作时，为提高PIC0101而将BV0101阀关得过小；为降低二段出口压力PIC0201而将BV0201阀开得过大，使高压气体过多地回流到一段出口，造成PIC0101升高。

　　（3）在调整膨胀机转速时，关小高压节流阀HC0501后，使空气增压机系统压力升高，导致空气增压机一，二段出口压力同时升高。

　　2.3空气增压机的操作要点

　　根据对以上逻辑设计原理的综合分析，在平时操作或需要调整压力时，主要的操作要点之一就是关注并监控好BIC0101和BIC0102中的SP值与PV值，协调好二段出口压力与二段回流阀的开度，以便控制好一，二段出口压力，使PV值小于SP值，且差值应尽量大些，这样才能留有更大的操作空间。由压缩机出口压力升高的主要原因（2）和（3）可知，在正常运行时，空气增压机一段的出口压力还受BV0201阀的开度及PIC0201的影响，但在膨胀机的开车操作中，主要是通过调节空气增压机一段来控制工艺参数，受二段的影响并不大。

　　该空气增压机防喘振逻辑设计的优点是：能够很好地防止空气增压机发生喘振，而且能够避免因人为误操作而损害设备，从本质安全的角度对设备起到保护作用；另一方面，如果防喘振的主要逻辑值（PIC0101，PI0101及FI0101）出现测量方面的错误，同样会导致机组在没有发生喘振的情况下实现该逻辑功能。因此，加强仪控方面的日常检查及维护，使测量数据精确，有效，显得尤为重要。

　　3增压透平膨胀机的逻辑设计和启动要点

　　3.1主要逻辑设计

　　（1）膨胀机喷嘴的启动开度为3%（*大行程为100%），如果大于3%，则膨胀机会因不具备启动条件而无法启动。

　　（2）启动时，从DCS控制系统中点击启动膨胀机按钮开始的15秒内，膨胀机的转速必须超过5000r/min，否则膨胀机的紧急切断阀会因缺失速度信号而关闭。此逻辑的设计目的是为了保证膨胀机不在低转速状态下长时间运转。

　　（3）临界转速联锁。即在任何时候膨胀机的转速都不能在18350~22500r/min的区域内停留超过120秒，否则膨胀机也会因此而联锁停车。此逻辑的设计目的是为了保证设备不在该临界转速区域内停留过长时间，这就要求不但在启动膨胀机的操作过程中不能使膨胀机在18350~22500r/min的区域内运行超过120秒，而且在平时的运行中也不应使转速进入到该区域内。

　　3.2启动要点

　　由膨胀机的主要逻辑设计可知，膨胀机的启动主要分3个步骤：

　　（1）启动时，必须在15秒内把转速提升至大于5000r/min，并在11000r/min左右转速下运行约2分钟；

　　（2）确认膨胀机运行正常后，用小于120秒的时间渡过临界转速区域，在渡过临界转速区域前，应将膨胀机转速提升至17000r/min；

　　（3）将膨胀机调至正常运行工况。

　　4启动膨胀机时，空气增压机的操作注意事项

　　膨胀机入口空气来自空气增压机的一段出口，需要注意的是：为减小膨胀机的轴向力和启动时的振动值，膨胀机的启动压力要求在15~17MPa之间，即比正常运行时的设计压力（2.18MPa）低06MPa左右，所以在启动膨胀机前，适当调整空气增压机一段出口压力，使其满足膨胀机的启动要求。在膨胀机启动的15秒内（即在启动至转速大于5000r/min的短暂时间里），应稍稍提高空气增压机一段的出口压力，防止膨胀机启动时因其入口压力低而无法达到启动转速的要求。

　　在膨胀机的启动过程中，空气增压机*大的操作难度是在膨胀机渡过临界转速区以及刚渡过临界转速区之后那段时间里的调压操作。

　　当把膨胀机的转速提升到17000r/min后，为了能够尽快地渡过膨胀机的临界转速区域，必须迅速开大喷嘴，同时关小膨胀增压回流阀，尽量提高膨胀机增压端的出口压力，以提高增压端的转速，从而满足膨胀机渡过临界转速区的时间要求。但同时开大喷嘴和关小膨胀增压回流阀的操作又会导致膨胀机入口压力降低。此时，如果空气增压机一段压力不能及时升高，那么会因膨胀机增压端出口压力升得过慢而延长膨胀机渡过临界转速区域的时间，如果超过120秒，则膨胀机的紧急切断阀将会关闭，致使膨胀机开车失败。所以，在此过程中空气增压机必须通过关小BV0101阀来保压，以满足膨胀机渡过临界转速区的压力要求。

　　而在膨胀机已经顺利地渡过临界转速区域后，对空气增压机的相关操作还没有完成。当膨胀机渡过临界转速区域后，膨胀机的进口压力及膨胀量已经相对稳定，膨胀量不再增加，并应根据实际情况适当开大回流阀，以确保膨胀机的转速和膨胀机增压端出口压力的相对稳定。但空气增压机一段出口压力会因刚才的保压操作和膨胀机适当开大膨胀增压回流阀的操作而迅速升高，BIC0101的PV值迅速升高，如果当PV值升至等于或大于SP值时，便满足了空气增压机防喘振的逻辑条件，即一段回流阀会因为电磁阀失电而迅速全开，使空气增压机一段出口压力又快速降低，甚至会导致膨胀机的转速因膨胀机增压端的入口压力过低而又重新回到临界转速区域内。所以，在膨胀机已经顺利渡过临界转速区域的同时，应保持空气增压机一段出口压力平稳，尤其不能再继续升高。

　　主要的操作方法是：适当手动开大BV0101阀，紧急情况下可以适当打开一段放空阀BV0102（在DCS控制系统中，用鼠标右键点击PIC0101选项，在弹出的操作窗口中，可手动输入BV0102阀开度。无论PIC0102是自动调节还是手动调节，一段出口压力值都不会影响空气增压机的防喘振逻辑关系）。但用开大BV0102阀的方法来降压的操作需要一定的经验，如果开度不适中，可能会造成一段出口压力降得过低，过快。在整个操作过程中的**原则就是保证空气增压机一段出口压力不再升高且不能降得过低，越平稳越好，以保证BIC0101的PV值没有较大波动。

　　5结束语

　　增压透平膨胀机与空气增压机的运行有着密切联系，必须将两者作为整体来考虑，这样才更有利于对逻辑设计原理的理解和指导实际操作。在实际操作中还应不断摸索和总结，把握阀门开度在微小变化时其所对应的各工艺参数的变化规律和关联情况，这样，在空分设备开车，正常运转和紧急事故停车的情况下才能够更精确，迅速地操作，以确保设备的正常运行。