论文部分内容阅读
【摘要】SO2鼓风机是有色冶炼烟气制酸系统的关键设备，文章简要介绍了SO2鼓风机系统的设备构成，详细描述了鼓风机本体及辅助设备的控制要求，重点阐述了风机控制保护功能的设计，包括控制系统的硬件架构，控制流程，风机联锁保护等。
【关键词】制酸；SO2鼓风机；硬件配置；联锁保护
The Design of SO2 Centrifugal Blower Control System
Liu Lifeng
（China ENFI Engineering Corporation，Beijing 100038，China）
Abstract： SO2 centrifugal blower is a key equipment in sulfuric acid-producing system dealing with metallurgical off-gas.This paper brifely introduces the SO2 blower， as well as its auxiliary facilities，and describes the control requriments of the blower system，emphasises on explaining the design of control&protect function of the control system，including the control system hardware configuration， control process and the requriments of interlock control.
Key words： acid-producing system；SO2 blower；hardware configuration；interlock control
前言
SO2鼓風机是有色冶炼厂烟气制酸系统中最大的电动机和最关键的工艺设备，是烟气制酸流程的动力来源，具有功率大、辅助配套设备多、保护要求高、控制复杂、运行环境差等特点。通常，在烟气制酸工艺流程中，SO2风机能否正常运行，直接影响着整个生产工艺流程，风机控制系统正是风机正常运行的保障。本文以国外某大型铜冶炼厂硫酸SO2风机控制系统为设计研究对象，简单介绍了风机系统的构成，重点阐述了风机控制系统的功能和联锁保护要求。
1、系统概述
SO2风机系统机电设备主要由以下几部分组成：主电机、KK&K风机、入口导叶装置、油箱、水冷装置、齿轮变速箱、连轴器、高压电机液态电阻软启动装置等。SO2风机系统设备构成框图如图1所示：
该冶炼厂SO2风机为德国KK&K风机，电机为国产配套，额定功率3750kW，额定电压10kV，采用液态电阻降压起动方式。
风机本体及辅助配套设备上检测仪表为设备厂家配套，包括主电动机前后轴承温度、电动机定子绕组温度、润滑油压、风机轴承温度、齿轮变速箱高速/低速轴承温度、风机入口温度、风机轴（水平、垂直方向）振动值检测等。
本风机控制系统选用美国AB公司的ControlLogix5000系统。操作员通过人机界面可实现风机、辅助油泵、事故油泵、油站加热器和入口导叶装置的控制，并对轴承温度、电机绕组温度、油温、油压、油位、入口导叶装置以及油过滤器油压等参数进行实时监控。
2、控制系统构成和风机起动方式
2.1系统构成
SO2风机控制系统主控制器选用美国AB公司的1756-61 ControlLogix5561控制器，I/O卡件、触摸屏均为AB产品。PLC控制系统通过CNB通讯卡与硫酸厂DCS系统通讯。风机PLC控制系统硬件配置图如图2所示。
2.2风机起动方式
为降低起动容量，风机主电机采用液态电阻软启动方式。液态软启动装置是在三相异步电动机定子侧串入液态电阻，以降低电动机定子电压，属于串电阻降压起动方式[3][4]。
液态电阻由特制的碱性水溶液配制的电解液构成，因而，液态软启动装置又俗称水电阻启动器。其阻值在电场强度的一定限度内符合欧姆定律，在电解液大于某浓度的一定范围内，值对温度的变化曲线是平坦的，这两点为液阻软启动装置的可行性提供了理论依据[5]。
R=（ρL）/S （1）
式中：R为电解液的电阻值；ρ为电解液的导电率；L为极板间的等效距离；S为极板在电解液中的平均导电面积[3]。
风机起动过程中通过液态电阻柜中电极板移动来改变液阻阻值，逐渐提高电动机端电压，电动机的转速随着电阻值的减少平滑地升高。当电机转速升到一定值后，星点柜自动合闸，切除液态电阻，转入全压运行阶段，起动过程结束。
2.3风机联锁保护
SO2风机配带了相关配套辅助设备和检测仪表，包括辅助油泵、直流事故油泵、油站加热器等设备和主电机轴承温度、定子绕组温度、变速箱高/低速轴承温度、风机轴承温度、风机轴振动、油箱液位及温度、油管道温度和压力检测仪表。
SO2风机联锁控制主要是指风机与风机关键部位的油温油压、辅助油泵、直流事故油泵、油站加热器、过滤器油压等的联锁控制，以保护风机轴瓦和主电机。主要情况如下：
当出现下列情况之一时，系统将发出报警：
（1）油冷却器温度大于55℃；（2）油过滤器差压大于1.2bar；（3）油箱油位小于最小设定值；（4）风机轴承温度大于100℃；（5）变速箱高速或低速轴承温度大于100℃；（6）主电机轴承温度大于80℃；（7）主电机绕组温度大于140℃；（8）风机轴振动大于97um；（9）风机入口温度大于65℃；（11）主电机过流保护；（12）油箱油温大于80℃；（13）交流电源断电。 当出现下列情况之一时，控制系统发出报警并将联锁10kV开关柜跳闸：
（1）润滑油压小于0.8bar；（2）风机轴承温度大于110℃；（3）变速箱高速或低速轴承温度大于110℃；（4）主电机轴承温度大于85℃；（5）主电机绕组温度大于145℃；（6）风机轴振动大于142um；（7）风机入口温度大于75℃。
当出现下列情况之一时，主电机将闭锁：
（1）入口导叶控制装置处于开启状态；（2）润滑油压小于1.5bar；（3）油冷却器温度小于10℃；（4）油箱油位小于设定最小值；（5）电机启动次数大于限定次数；（6）油箱温度小于10℃。
当出现下列情况之一时，辅助油泵将联锁启动：
（1）润滑油压小于1.2bar；（2）油冷却器温度小于10℃；（3）油箱油温小于10℃；（4）交流断电。
当出现下列情况，油站加热器联锁启动：
油箱油温小于10℃。
当出现下列情况之一时，油站加热器联锁关闭：
（1）油箱油位小于设定最小值；（2）油箱油温大于20℃；（3）油箱油温大于80℃。
当出现下列情况之一时，直流事故油泵联锁启动：
（1）LCP柜断电；（2）交流电源断电；（3）辅助油泵异常。
风机联锁启动顺序：
风机在预备启动过程中，控制系统自动启动辅助油泵，同时根据需要启动油站加热器，当润滑油压大于1.5bar、油温大于20℃时及其它起动条件均满足后，PLC控制系统向风机10kV启动柜发启动命令启动风机，风机起动后延时停辅助油泵（延时值根据厂家设备资料设定）。具体顺序如下：（1）启动辅助油泵；（2）关闭入口导叶；（3）冷却水系统打开；（4）启动主电机；（5）打开入口导叶；（6）风机正常启动T秒后停止辅助油泵；（7）调节冷却水流量使油冷器出口油温保持在40℃～45℃。
风机联锁停车顺序如下：
当需要停止SO2风机时，操作员手动点击触摸屏SO2风机停车按钮，此时，控制器向SO2风机10kV开关柜跳闸回路发出停车信号，系统自动启动辅助油泵，风机停止后辅助油泵继续运行一段时间后停止。具体停车顺序如下：（1）停主电机；（2）打开辅助油泵；（3）关闭入口导叶；（4）主電机停车后辅助油泵继续运行20min后停止；（5）关停冷却水。
2.4控制及显示功能
操作员通过HMI实现对风机、辅助油泵、直流事故油泵、油站加热器的控制、入口导叶开度调节；并能实时显示风机的运行画面、温度、压力趋势曲线；当风机发生故障时，自动弹出故障报警界面，以声光和文字报警方式，帮助操作人员及时发现故障和处理问题。同时系统还提供各监测量的历史趋势曲线的查询和报表打印。
3、结束语
本控制系统的设计旨在提高风机运行的整体安全性，实时监测SO2风机的运行状况，确保SO2风机平稳可靠运行。通过该系统与硫酸DCS主控系统实现无缝连接，有利于操作员全面掌握整个硫酸系统的运行状况，提高制酸系统生产的稳定性。本系统自2009年2月份投产以来，运行稳定可靠，为该冶炼厂投产当年就达产达标提供了保障。
【关键词】制酸；SO2鼓风机；硬件配置；联锁保护
The Design of SO2 Centrifugal Blower Control System
Liu Lifeng
（China ENFI Engineering Corporation，Beijing 100038，China）
Abstract： SO2 centrifugal blower is a key equipment in sulfuric acid-producing system dealing with metallurgical off-gas.This paper brifely introduces the SO2 blower， as well as its auxiliary facilities，and describes the control requriments of the blower system，emphasises on explaining the design of control&protect function of the control system，including the control system hardware configuration， control process and the requriments of interlock control.
Key words： acid-producing system；SO2 blower；hardware configuration；interlock control
前言
SO2鼓風机是有色冶炼厂烟气制酸系统中最大的电动机和最关键的工艺设备，是烟气制酸流程的动力来源，具有功率大、辅助配套设备多、保护要求高、控制复杂、运行环境差等特点。通常，在烟气制酸工艺流程中，SO2风机能否正常运行，直接影响着整个生产工艺流程，风机控制系统正是风机正常运行的保障。本文以国外某大型铜冶炼厂硫酸SO2风机控制系统为设计研究对象，简单介绍了风机系统的构成，重点阐述了风机控制系统的功能和联锁保护要求。
1、系统概述
SO2风机系统机电设备主要由以下几部分组成：主电机、KK&K风机、入口导叶装置、油箱、水冷装置、齿轮变速箱、连轴器、高压电机液态电阻软启动装置等。SO2风机系统设备构成框图如图1所示：
该冶炼厂SO2风机为德国KK&K风机，电机为国产配套，额定功率3750kW，额定电压10kV，采用液态电阻降压起动方式。
风机本体及辅助配套设备上检测仪表为设备厂家配套，包括主电动机前后轴承温度、电动机定子绕组温度、润滑油压、风机轴承温度、齿轮变速箱高速/低速轴承温度、风机入口温度、风机轴（水平、垂直方向）振动值检测等。
本风机控制系统选用美国AB公司的ControlLogix5000系统。操作员通过人机界面可实现风机、辅助油泵、事故油泵、油站加热器和入口导叶装置的控制，并对轴承温度、电机绕组温度、油温、油压、油位、入口导叶装置以及油过滤器油压等参数进行实时监控。
2、控制系统构成和风机起动方式
2.1系统构成
SO2风机控制系统主控制器选用美国AB公司的1756-61 ControlLogix5561控制器，I/O卡件、触摸屏均为AB产品。PLC控制系统通过CNB通讯卡与硫酸厂DCS系统通讯。风机PLC控制系统硬件配置图如图2所示。
2.2风机起动方式
为降低起动容量，风机主电机采用液态电阻软启动方式。液态软启动装置是在三相异步电动机定子侧串入液态电阻，以降低电动机定子电压，属于串电阻降压起动方式[3][4]。
液态电阻由特制的碱性水溶液配制的电解液构成，因而，液态软启动装置又俗称水电阻启动器。其阻值在电场强度的一定限度内符合欧姆定律，在电解液大于某浓度的一定范围内，值对温度的变化曲线是平坦的，这两点为液阻软启动装置的可行性提供了理论依据[5]。
R=（ρL）/S （1）
式中：R为电解液的电阻值；ρ为电解液的导电率；L为极板间的等效距离；S为极板在电解液中的平均导电面积[3]。
风机起动过程中通过液态电阻柜中电极板移动来改变液阻阻值，逐渐提高电动机端电压，电动机的转速随着电阻值的减少平滑地升高。当电机转速升到一定值后，星点柜自动合闸，切除液态电阻，转入全压运行阶段，起动过程结束。
2.3风机联锁保护
SO2风机配带了相关配套辅助设备和检测仪表，包括辅助油泵、直流事故油泵、油站加热器等设备和主电机轴承温度、定子绕组温度、变速箱高/低速轴承温度、风机轴承温度、风机轴振动、油箱液位及温度、油管道温度和压力检测仪表。
SO2风机联锁控制主要是指风机与风机关键部位的油温油压、辅助油泵、直流事故油泵、油站加热器、过滤器油压等的联锁控制，以保护风机轴瓦和主电机。主要情况如下：
当出现下列情况之一时，系统将发出报警：
（1）油冷却器温度大于55℃；（2）油过滤器差压大于1.2bar；（3）油箱油位小于最小设定值；（4）风机轴承温度大于100℃；（5）变速箱高速或低速轴承温度大于100℃；（6）主电机轴承温度大于80℃；（7）主电机绕组温度大于140℃；（8）风机轴振动大于97um；（9）风机入口温度大于65℃；（11）主电机过流保护；（12）油箱油温大于80℃；（13）交流电源断电。 当出现下列情况之一时，控制系统发出报警并将联锁10kV开关柜跳闸：
（1）润滑油压小于0.8bar；（2）风机轴承温度大于110℃；（3）变速箱高速或低速轴承温度大于110℃；（4）主电机轴承温度大于85℃；（5）主电机绕组温度大于145℃；（6）风机轴振动大于142um；（7）风机入口温度大于75℃。
当出现下列情况之一时，主电机将闭锁：
（1）入口导叶控制装置处于开启状态；（2）润滑油压小于1.5bar；（3）油冷却器温度小于10℃；（4）油箱油位小于设定最小值；（5）电机启动次数大于限定次数；（6）油箱温度小于10℃。
当出现下列情况之一时，辅助油泵将联锁启动：
（1）润滑油压小于1.2bar；（2）油冷却器温度小于10℃；（3）油箱油温小于10℃；（4）交流断电。
当出现下列情况，油站加热器联锁启动：
油箱油温小于10℃。
当出现下列情况之一时，油站加热器联锁关闭：
（1）油箱油位小于设定最小值；（2）油箱油温大于20℃；（3）油箱油温大于80℃。
当出现下列情况之一时，直流事故油泵联锁启动：
（1）LCP柜断电；（2）交流电源断电；（3）辅助油泵异常。
风机联锁启动顺序：
风机在预备启动过程中，控制系统自动启动辅助油泵，同时根据需要启动油站加热器，当润滑油压大于1.5bar、油温大于20℃时及其它起动条件均满足后，PLC控制系统向风机10kV启动柜发启动命令启动风机，风机起动后延时停辅助油泵（延时值根据厂家设备资料设定）。具体顺序如下：（1）启动辅助油泵；（2）关闭入口导叶；（3）冷却水系统打开；（4）启动主电机；（5）打开入口导叶；（6）风机正常启动T秒后停止辅助油泵；（7）调节冷却水流量使油冷器出口油温保持在40℃～45℃。
风机联锁停车顺序如下：
当需要停止SO2风机时，操作员手动点击触摸屏SO2风机停车按钮，此时，控制器向SO2风机10kV开关柜跳闸回路发出停车信号，系统自动启动辅助油泵，风机停止后辅助油泵继续运行一段时间后停止。具体停车顺序如下：（1）停主电机；（2）打开辅助油泵；（3）关闭入口导叶；（4）主電机停车后辅助油泵继续运行20min后停止；（5）关停冷却水。
2.4控制及显示功能
操作员通过HMI实现对风机、辅助油泵、直流事故油泵、油站加热器的控制、入口导叶开度调节；并能实时显示风机的运行画面、温度、压力趋势曲线；当风机发生故障时，自动弹出故障报警界面，以声光和文字报警方式，帮助操作人员及时发现故障和处理问题。同时系统还提供各监测量的历史趋势曲线的查询和报表打印。
3、结束语
本控制系统的设计旨在提高风机运行的整体安全性，实时监测SO2风机的运行状况，确保SO2风机平稳可靠运行。通过该系统与硫酸DCS主控系统实现无缝连接，有利于操作员全面掌握整个硫酸系统的运行状况，提高制酸系统生产的稳定性。本系统自2009年2月份投产以来，运行稳定可靠，为该冶炼厂投产当年就达产达标提供了保障。