空分设备增压透平膨胀机的自动化控制方案

张 龙

(开封空分集团有限公司，河南 开封 魏都路189号 475004)

空分设备增压透平膨胀机的自动化控制方案

张 龙

(开封空分集团有限公司，河南 开封 魏都路189号 475004)

增压透平膨胀机是重要的空分设备，为空分生产提供冷量，了解其结构和原理，掌握其自动化控制方案，有助于空分生产的安全运行。

增压透平膨胀机；结构原理；自动化控制方案

0 引言

随着国内空分装置大型化的发展，对增压透平膨胀机(以下简称“透平机”)的安全运行也提出了更全面的自动化控制要求，因此，合理地设计和优化其自动化控制方案，才能不断满足行业的发展需求，提高国内自动化的发展水平。本文简述了透平机的结构和原理，以空分为背景，详细介绍了其在应用中的一种自动化控制方案，作为一个参考。

1 透平机的结构和原理

透平机主要由膨胀机通流部分、增压机部分和机体三部分组成。膨胀机通流部分是获得低温的主要部件，包括蜗壳、喷嘴、膨胀轮和扩压器；增压部分是透平机的功率消耗元件；机体起着传递、支撑和隔热的作用。

透平机把来自上游的高压气体膨胀为低压气流，连续不断地将动能转化为机械能，高速气流使叶轮旋转，再通过由轴承支撑的转轴将机械能传递给压缩机制动消耗。工质在透平机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮输出外功，从而降低了膨胀机出口工质的内能和温度，达到制冷的目的。

2 透平机的自动化控制方案

2.1 控制系统的选择

单台透平机的运行既可以采用独立的小型PLC(可编程控制器)控制，也可以选择DCS(集散控制系统)系统来控制。现在的空分项目中，一般都选择DCS系统来实现对透平机的自动化控制。

2.2 测控点的需求

透平机在正常工作状态下，其转速一般在几万转以上，在高速旋转运行状态下，为了保证其运行的稳定性和连续性，实现安全启动和停机，控制系统需要的主要测控点有：

1.转子的转速；

2.增压端和膨胀端轴承的温度及轴振动；

3.进透平机润滑油的油压；

4.供油系统两台油泵的运行状态；

5.上游空压机的放空或停车信号；

6.油箱的油温。

2.3 仪表选型的要求

1.压力测量一般选择带有表头数显的压力变送器，有利于现场操作，常选用横河的EJA系列或罗斯蒙特的3051C系列的压力变送器，其性能安全可靠，应用广泛；

2.温度测量选用的铠装铂热电阻需要是双支的，一用一备，加强测温的安全性；

3.转速和轴振动的测量尤为重要，最好选用可靠的进口产品，美国本特利或派利斯系列的智能仪表比较可靠，既可以实现转速和振动的现场控制及显示，又能远传至DCS系统做冗余控制，以防万一。

2.4 控制方案的组成

透平机的自动化控制方案主要由三个方面组成：透平机的运行控制、供油系统的油压控制和油箱的油温控制。下面对其控制原理做具体的介绍和说明。

2.4.1 透平机的运行控制

透平机的运行控制，除了操作人员正常的手动启动和停机以外，如果以下的任意一个不符合工艺参数的条件(参数可设定)触发，DCS控制系统会发出联锁停机信号，控制透平机的进口紧急切断阀在3 s内关闭，回流阀迅速全开，保证设备的安全。

1.转子的转速高≥13000 r/min；

2.增压端轴承温度高≥80℃；

3.膨胀端轴承温度高≥80℃；

4.增压端振动高≥50 μm；

5.膨胀端振动高≥50 μm；

6.进透平机的油压低≤0.14 MPa；

7.两台油泵都处于停止状态；

8.空压机放空或停车。

2.4.2 供油系统的油压控制

透平机的转速高，轴承间隙又小，需要有足够的油量从轴承的摩擦表面带走多余的摩擦热，并能形成稳定的油膜，所以供油系统的油压至关重要，因此供油系统配置了两台油泵，互为备用，保证进透平机的油压稳定。控制原理是把先手动启动的一台油泵默认为主泵，当其单台供油油压低于0.20 MPa时，联锁启动另一台油泵，两台油泵同时工作，当油压超过0.40 MPa时，停止先手动启动的第一台油泵(检修后作为备用泵投用)，这时联锁启动的油泵投入单台运行，切换为主泵，不断如此循环，实现了两台油泵的互备功能。

另外，为了保证在突然停电时透平机的轴瓦不被烧坏，供油系统还设置了紧急供油箱(一般采用压力油箱)，在两台油泵突然停止运转的情况下，仍能靠紧急供油箱保证5 min以上的润滑油量。因此，在压力油箱内必须随时贮备足够量的油量和充有一定压力的气体。

2.4.3 油箱的油温控制

由于透平机在低温下工作，膨胀机的转子直接与低温气体接触，导致膨胀机侧的轴承温度较低，所以膨胀机的供油温度不宜太低，一般控制在15～30℃。如果油温过低致使润滑效果不良，会造成轴承研磨或轴承温度升高，威胁到透平机的安全运行。因此，油箱的油温也要实现自动化控制，其控制原理相对简单，当DCS控制系统检测到油箱油温低于15℃时，自动启动电加热器；当油箱油温高于30℃时，自动关闭电加热器，当然也可以由操作人员手动控制电加热器的启停来保证油温。

3 结语

这套透平机的自动化控制方案已经在空分项目中得到了广泛的应用，保障了透平机运行的安全性和连续性，满足了用户的生产需求，是一套十分成熟和可靠的自动化控制方案，值得我们学习和研究，进一步对其进行改进和优化，推动自动化控制水平的不断提高。

Automatic Control Solutions for the Boosting TurboExpander in Air Separation Plant

ZHANG Long

(Kaifeng Air Separation Group Co.,Ltd.，No.189 Weidu Road, Kaifeng 475004，China)

The boosting turbo expander is very important in the air separation plant (ASP), which provides coldness for the whole ASP; A better understanding of its structure & operation principle and grasping its automatic control solutions can help the safe operation of ASP.

boosting turbo expander；structure & operation principle；automatic control solutions

2017-04-14

TB653

A

1007-7804(2017)03-0020-02

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.006

张 龙(1988)，男，籍贯河南，大学本科，测控技术与仪器专业，现就职于开封空分集团设计研究院有限公司从事仪表自动化工作，助理工程师职称。