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除尘降温特大型空分设备的开发首钢4＃风机软起动过程的计算机监
随着气体工业的迅速发展及我国加入WTO，各行各业对氧、氮、氩产品的需求量急增，用量越来越大，纯度要求越来越高。这些要求促进了空分设备技术的不断发展，逐步形成了现代空分设备制造技术的特点：巨型化、规整填料塔、全精馏无氢制氩、氧氩产品高提取率、高纯度、气液并产、高自动化、多种工况、可靠性高、低能耗、运行周期长等；对氧氮产品压力要求特别高的石化行业和液体产品量要求特别多的用户，还有选择内压缩流程空分设备的要求。
自20世纪90年代开始，逐步有上述类型的空分设备被引进到国内。上海宝钢的60000m3／h(氧)和72000m3／h(氧)空分设备，南京化学工业公司的42500m3／h(氧)空分设备和陕西渭河化肥厂的40000m3／h(氧)空分设备等是这些先进空分设备的代表，而且国内用户对这些类型空分设备的需求量越来越大。
为了尽快提高我国特大型空分设备的设计制造技术水平，提高市场竞争力， 自20世纪90年代初，杭州制氧机集团有限公司在国务院重大技术装备领导小组、机械工业重大装备公司的领导下，进行了“30000m3／h等级空分装置设备研制”攻关。主攻的技术问题有两方面：一是设计技术，二是制造技术。通过对设计和制造关键技术的课题攻关和大量的试验研究，解决了一个又一个技术难题，使杭氧较快地掌握了特大型空分设备的核心技术，并逐步推向市场。宝钢30000m3／h(氧)空分设备的顺利投产，标志着我国空分设备的设计制造技术上了一个新的台阶，特别是圆了老一代空分专家的梦，他们多年的梦想终于实现了!
2 特大型空分设备新技术、新产品研制
2．1 特大型空分设备的成套设计与计算技术
杭氧在“八五”与“九五”期间，一直承担着国家重大技术装备国产化攻关项目“三万空分国产化流程设计与计算”子课题的研究与开发工作。主要工作项目有：
(1)应用美国Aspen热力计算软件，对空分流程进行集成计算，同时自行开发内压缩流程热力计算软件。
(2)采用林德精馏计算软件，同时针对目前采用规整填料塔及全精馏制氩流程的特点，自行开发适用于该流程的精馏计算模块，它可以实现主塔与氩塔的集成计算。同时自行开发精馏塔水力学计算程序。
(3)用美国S—W公司板翅式换热器性能及结构计算程序，对换热器进行热力计算，同时自行开发了多个专用程序。
(4)采用美国NREC软件，对离心压缩机、透平膨胀机的叶轮进行设计。该软件可自动生成加工指令。
(5)采用PDMS三维管道设计软件对冷箱内低温管道进行设计。
(6)在强度计算方面，杭氧采用MSC／NASTRAN应力分析、计算软件进行空分设备强度计算。
杭氧对近几年从国外引进的大型空分设备进行了详细的分析和研究，并用上述软件进行验证性的分析计算，证明我们的软件是可靠的。这样，通过自行开发与引进技术，杭氧已完全掌握了“三万”到“六万”等级空分设备的设计计算技术。
2．2 新型空气预冷工程的开发
通过技术合作的形式引进了国外公司专门用于空冷工程性能计算及散堆填料型空冷塔和水冷塔结构计算的软件，使新型空冷工程的开发有了先进可靠的设计软件。同时在空冷塔及水冷塔的结构形式上，杭氧开发了散堆填料塔和大孔径降液管式筛板塔。采用的散堆填料，具有传热效率高、阻力小、操作弹性范围大等优点。在散堆填料的选择上，考虑到不同塔段工作状态的不同，而采用不同结构形式和不同材质的填料，并且对填料表面进行特殊处理，使其表面的湿润性更好，以增强传热效果。
在流程组织上，对氮气产量要求较少的空分设备，其空冷工程的外界循环水先经水冷塔冷却再经冷冻机冷却后进人空冷塔上段，充分利用了污氮气的吸湿性，使冷冻机制冷量大大下降。当氮气产量小于、等于氧气产量时，可以取消冷水机组，使整个工程运行更可靠、能耗更低。我们为济钢20000m3／h、宝钢30000m3／h、乌石化28000m3／h等空分项目设计了十几套大型空冷工程，都采用了大型散堆填料塔，取消了冷水机组。经实际运行测试，完全达到了设计指标。杭氧与林德公司合作生产的为宝钢60000m3／h空分配套的空冷塔和水冷塔塔径达到φ4500mm和φ4200mm，是目前国产最大的空冷塔，运行情况良好。
2．3 特大型分子筛吸附器的研制
分子筛吸附器是空分设备的重要配套设备之一，普遍采用的有卧式和立式径向流两种结构形式。
杭氧先后与林德公司联合设计和制造了“三万”等级空分设备分子筛吸附器八套，杭氧又自行设计制造了镇海炼化“二万八”、宝钢“三万”、乌石化“二万八”等空分设备的分子筛净化工程和吸附器，都取得了良好的效果。
大型卧式吸附器由于受运输的限制，一般外径φ4200mm，主要需解决吸附层截面的气流分布均匀度。通过现场测试和调整吸附层截面的气流分布均匀度情况，我们掌握了具有指导设计价值的第一手资料，且已将此成果应用于设计中，使设计制造的吸附器在现场不再测试，安装完毕就可直接投入使用。杭氧与林德公司合作生产的宝钢60000m3／h空分设备配套的分子筛吸附器，外形尺寸：直径似200mm，长25000mm，已稳定运行五年以上。
2．4 高效精馏塔的研制
近几年我们已成功地将规整填料应用于1500~21000m3／h(氧)空分设备的精馏塔，这次又在宝钢“三万”空分设备的上塔、粗氩塔成功地使用了规整填料，这充分说明规整填料塔的设计制造技术在杭氧已完全成熟。
在宝钢“三万”空分设备的下塔，我们成功地采用了四溢流筛板。常规使用的单溢流和双溢流筛板塔板由于弓形区是液体的滞流区，存在液体返混现象；塔板上存在液面落差。这些问题随着精馏塔直径的加大而变得更加严重。而四溢流塔板可有效地减少液体流程、液面落差和溢流强度，因此改善了气液接触，提高了塔板效率和液体处理能力，减小了压力降。这种结构形式完全可以用于“五万”和“六万”等级的空分设备中。这种形式的塔板具有投资成本较低的优点。目前，我们也正在设计采用规整填料的下塔，以进一步减小塔径和下塔阻力，使空分设备操作负荷在50％~105％可变，同时也可使空压机背压进一步降低10～15kPa。
2．5 新型主冷凝蒸发器的研制
主冷凝蒸发器是空分设备分馏塔中的关键部机，它的传热性能好坏将直接影响到空分设备的总体性能与能耗，因而我们一直很重视对新型主冷的研制开发。从1986年开始即与西安交通大学合作开发新型主冷，其中“大型制氧装置冷凝蒸发器”课题中包含的两项新技术申请了两项专利，名称分别为“类环状流双相变换热器”及“双沸腾型冷凝蒸发器”，这两项技术获得了2001年度国家科技发明二等奖。2003年2月26日通过浙江省科技厅组织的鉴定，一致认为该项目首创特殊通道比例作为基本换热单元，首创冷凝通道的结构方案，使传热温差显著减小，产品与技术处于当前国际领先水平。
宝钢“三万”空分设备配套的主冷凝蒸发器就应用了此项“双沸腾”新技术。该技术的应用，使得特大型空分主冷安装在上下塔之间成为现实，大大简化了管路工程，节省了冷箱占地面积，也降低了运输成本。按常规， “三万”以上的特大型空分主冷因考虑运输问题，直径不能太大而往往需单独布置，上下塔之间用管路连接。不仅管路配置复杂，且冷箱占地面积较大。
2．6 冷箱总体的设计研究
空分设备采用规整填料上塔及无氢制氩工艺后，塔的高度显著增加，尤其是粗氩塔，其总高度达到55~65m。为保证氩馏分能顺利回流到上塔，通常将粗氩塔分成两段，即使这样整个冷箱的高度根据提取率的不同一般也在55~65m之间，比原来采用筛板塔的冷箱足足要高15~20m，这对冷箱总体设计提出了更高的要求。
冷箱作为壳体，要承受风载、内压、珠光砂等载荷，同时作为工业建筑，也需要考虑地震载荷。随着全精馏制氩流程的采用，冷箱的高度已达60m以上，因此非常有必要对冷箱进行应力分析，选择合理的型钢规格，为冷箱设计及改进提供可靠的依据。现在，我公司采用钢结构分析软件STAAD／PRO做应力分析。
冷箱内配管设计我们应用PDMS软件。该软件是一个三维实体模型工厂设计工程，具有交互式、全彩色实体设计环境，具有碰撞干扰检查、自动统计材料及报告生成功能，还可以全自动出管线图，为用户现场安装提供了很大的方便。应用CAESAR软件，可以对冷箱内管道作静态、动态应力分析。
2．7 大型低温设备加工工艺的技术攻关
要实现特大型空分设备的国产化，仅掌握先进的流程和结构设计是不够的，加工工艺能否满足先进的设计是至关重要的。杭氧早在十几年前已清楚地认识到了这一点，针对“八五”国家重大技术装备科技攻关项目“大型低温设备加工工艺技术攻关”，杭氧主要进行了以下几方面的技术攻关：
(1)对大型、厚壁、扳边锥体的下料、卷制及扳边，进行了工艺研究，设计制造了相应的扳边装置，解决了主冷所用的Φ内4250Φ内3980×hll8×δ18、Φ内
>1 问题的提出
首钢4＃风机选用大功率同步电动机拖动(36.14MW)，起动方式是变频起动。大型同步电动机的软起动，工程复杂，条件多，起动步骤的要求也比较严格。从几年来的实践看，常常在起动时出现故障，因分析较困难，故而拖延起机时间。由于起动设备的配置很复杂，为方便电路走线，它们分别安装在上、中、下几层房间中，信号及故障显示分散，不宜集中观察。为集中观察和监测风机工程的软起动过程，我们在主控室加装计算机监控工程，将起动的充要条件及起动过程各步的关键点采集出来，经PLC的逻辑判断、组合送至上位机，在上位机画面上监视起动过程和并网情况。首先监视的是起动初始条件，它包括风机条件：①静叶位置9 5 MPa9.5MPa，④润滑油压>0.06MPa，⑤润滑油温>25℃；电机条件：①各主电路开关要到位(小车开关)，均处于断开状态，需贮能的开关要贮能完毕，②电机、变频器、变送器等均处于正常状态，③保护工程无故障，④励磁及风冷却工程工作正常。这些条件全部满足后，起动程序方能生效。因此，起动前捕捉起动条件满足的信息是重要的。软起动的过程是自动顺序控制，它采用自控变频同步电动机(无换向器电机)调速[1～2>。根据其特征性动作，本工程起动过程设定为14步，称逻辑走步，每一步都与多个因素和环节相关联，并为下一步的必要条件。本工程设计原则是：如起动过程中出现故障，无论走到哪一步，均退回初始状态，待故障处理完后，再重新起动。这样，另一个重要问题就是要监视整个软起动过程，如有故障要记下发生在哪一步，并通过帮助键追寻到故障原因和元件，这可以及时迅速地处理故障，确保起动的成功。
2 工程构成
控制工程构成框图见图1。
图1 风机控制工程构成框图
要采集必要的开关量，必须在现场取开关点。为了不影响原起动工程，我们的原则是：不取原工程运行中的点，而取执行元件上的多余点，如没有多余点的则引出信号，附加小型继电器，在其输出点上取开关量。
2.1 开关量的选取
在操作控制台、仪表盘上取11个点，在起动逻辑控制柜上取23个点，在继电器逻辑控制柜上取17个点，引至本工程的监视工程柜。监视控制柜设置电源，加装40个小型继电器(115系列)，线圈电压分别为24VDC、110VDC和220VAC，这些开关量的输出送至PLC。本工程在软起动过程中，除逻辑走步外，有两个变频调速过程：(1)在第8步由0～5Hz，大约3～5s；(2)在第12步由5～50Hz，大约3min。为了观察这一调节过程的主要参量变化情况(也可记录其变化曲线)，我们在现场还取了3个模拟量信号——主电机电流、电压(转速)和励磁电流，一同送入PLC。
2.2 PLC
选用SIEMENS公司产品S5-115U(也可选用日本OMRON及其它产品，因我公司S5-115U用的较多，为习惯性选择)，主要用来完成现场开关量、模拟量信号的采集、转换处理、逻辑判断及与上位机的通信联系。
通过继电器隔离，变换成标准信号的现场信号，由开关量输入模块或模拟量输入模块进行采集变换成二进制数码，通过主机架底板总线传送给CPU模块，按程序进行运算处理，扩展机架通过接口模块用电缆连接器与主机架底板总线连接，CPU模块将收集处理的信息存储到相应的数据块中，依据程序周期动态修改。通信处理器模块将上位机与PLC的CPU模块联系起来，完成数据接收、处理、转发等工作，使上位机能自如地获取需要的现场信息，并将上位机指令传给PLC，控制现场变量。
PLC软件支持：1)使用编程器PG730上安装的STEP5软件，可圆满地完成S5-115U的编程和动态监控。STEP5提供梯形图、控制功能图和语句表3种编程语言。2)STEP5中的COM525软件块可用来完成对通信处理模块CP524的编程，主要用于定义通信速率、帧格式等。
2.3 上位机
(1)硬件配置
486以上主机，16MB以上内存，1GB硬盘，3.5in(8.89cm)软驱，彩色监视器，LQ-1600K打印机，2个RS232串口，标准键盘，鼠标。
(2)软件支持
在Windows平台下FIXDMACS工业监控软件用来完成动态画面的制作、监视、控制等功能。
在上位机上用FIXDMACS将需要监控的相关量以标签的形式链接在制作成的形象生动、色彩丰富的画面子图中，通过数值、颜色、形状、位置等的变化来反映被监控量的改变，能使现场操作人员直观地监视整个变频起动过程，发生故障后能及时报警，提示诊断处理方法，快捷方便地查找和排除故障，为整个起动工艺流程提供了一个良好的人与设备接口环境。
(3)监控画面构成
监控画面构成见图2。
图2 监控画面构成
电气总图为本工程的电气原理图，其中有各大开关设备状态的动态显示，标明工程各部分的通、断电情况及起动过程中的动态变化。起动条件图中有电机、风机、外围设备起动条件，条件如果满足，标志为白色，不满足则为红色，全部条件满足后，延时在右上角出现“条件满足，可以起动”提示，为工程的顺利起动提供可靠信息。起动步进图显示起动过程中的步进情况，提示起动进程和并网成败信息，在步进过程中走到哪步，哪步框便改变颜色，并网成功后，给出令人欣喜的画面，提示“并网成功”，失败则给出“并网未成功”的提示。如在哪一步出现故障，画面便停止在哪一步，通过帮助键，给出帮助菜单，在此菜单上，可找到故障的原因、元件及所处的部位，并提示处理方法。故障查询图中有工程各类故障的综合信息，提供各种故障的分析、判断、处理方法。元件功能表中列出工程中重要元器件的性能指标、安装情况、备件情况等重要信息。
3 安装、调试及应用
此监控装置的电源、附加继电器、PLC设计安装在一双面开的柜中，我们先把这部分做好，按开关量输入的顺序在接线端子上做开合试验，先把逻辑关系固定下来，然后把这些点送入PLC，在PLC上输入起动条件的逻辑量关系，最后“与”为起动条件满足，可以起动。起动步骤则根据它们的逻辑关系一步一步地设定进去，最后完成并网。如起动过程中任意一步出现故障或并网失败，都可通过帮助键找出原因及处理方法提示，把这些提示菜单用文字形式输入计算机，再把PLC与上位机通过通信联系起来，在上位机上做出相应画面并输入文字材料(菜单、帮助条件、信号灯亮的解释、工程设备及元件表等)。最后，在停机时把现场点与监视工程柜连接。因取的是开关量(模拟量取的是主工程的仪表显示部分)，因此本工程只要开通，不需要调试。
本工程研制成功后，已于1998年5月用于4＃风机的生产线，成功地实现了在线监控，目前运行良好，收到了良好的效果。本监控工程在经过一段时间运行，取得经验，加以改进后，我们还准备在5＃、6＃风机上增设监控工程以达到计算机画面监控的目的。
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