轴流式主风机静叶控制系统改造

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1 原静叶控制系统简介能量回收三机组是中国石化齐鲁分公司胜利炼油厂催化裂化装置的主要设备，其主要作用是回收烟气中的高温热能和提供催化剂烧焦再生所需要的空气，由YLI-8000I型烟气轮机、AV56-l3型轴流式压缩机和 YNH900-4型增安型异步电动机组成。

能量回收三机组 自2002年投用以来 ，轴流式压缩机(也称主风机)静叶控制系统的缺点逐步凸显：①动力油系统体积庞大复杂，维护难度大；②动力油系统压力高达 15 MPa，长期运行高压油系统泄漏风险加大；③动力油泵使用2台15 kW电机，其中-台常年无间断开启 ，能耗偏高；④冬季油缸系统卡涩频率逐年增大，影响机组安全运行。鉴于此，于2011年 l0月对静叶控制系统进行技术改造，通过 1 a多的实际运行情况证明效果良好。

AV56-13轴流式主风机是-种 13级全静叶可调式的轴流压缩机，其流量、压力调节范围宽，原设计为通过动力油系统和伺服控制系统、伺服油缸、传动机构(统称静叶控制系统)调整静叶角度，从而达到调整主风机风量和压力的目的。

静叶控制系统是-个典型的电液伺服控制系统，由计算机发出指令信号，以油液为工作介质实现位置控制的系统。就控制作用来看，分为给定环节、反婪节、比较环节、放大运算环节和执行环节，被控对象是主风机的静叶，闭环控制系统组成如图 1所示。动作过程 ：静叶开度调节系统(在紧急停车系统 ESD中实现)根据工艺对主风机的出口流量要求送出4～20 mA(DC)信号到电液伺服阀进行电液转换，并根据静叶位置变送器反馈信号对机壳两侧的伺服马达进行定位控制，通过液压传动使安装在机壳两侧的调节油缸作轴向往复移动，带动导向环作用滑块也作轴向往复移动；而滑块又通过曲柄与静叶柄相连(第-级静叶)，由于调节油缸的轴向移动，静叶就可以做转动运动，从而达到调节静叶角度控制风机出口流量的目的。

动力油系统 (也称动力油站)包括 1个 0.5131 油箱、2个过滤器、1个冷却器、2台动力油泵和高压油管线系统，多次发生事故，是机组的重大安全隐患之-。

2 改造思路鉴于动力油控制系统使用年限较长和以上所述缺点，必须对动力油控制系统进行改造，以达到节能、安全和环保的新型设备管理 目标。具体要求为：①大大减少高压油静密封点，以提高设备安全可靠性；②减少附属系统数量，以方便巡检和维护；③大幅度降低润滑油用量，达到节能降耗目标；④降低油泵电耗；⑤增加现场调控导叶开度手段，以提高可操作性；⑥尽最大可能利旧原有可用设备，以提高改造工作可行性和节约改造资金；⑦控制精度不得低于原有控制精度。

作者简介：凌冠强(1979-)，男，工程师。2002年四川大学毕业 ，现在中国石化齐鲁分公司胜利炼油厂第二催化车间从事设备管理工作。电话：0533-7574924。

齐 鲁 石 油 化 工QILU PETROCHEMICAL TECHNOLOGY 2013年第41卷其中，控制系统的小型化是改造的关键难点，如果能将伺服油路系统由返动力油箱开路循环改为不返油箱的双油缸间闭路循环则可取消动力油站大部分配套设施。其次，实现液压管线的小型化或集约化是减少静密封点的重要途径。最后，要实现现巢叶控制手段的多样化，可根据液压原理和机械传动原理，通过增设手摇传动装置实现现场手动调节静叶开度的目标。

图 1 静叶控制系统结构示意3 改造过程(1)初步设计核算在初步确立了改造思路以后，首先对原静叶执行机构液压油缸参数进行统计和核算，以方便选定改造设备。

原伺服马达(油缸)2台，活塞杆直径 d70mm，油缸直径 D110 mm，总行程 L65 mm，操作压力 P12 MPa，总输出动力油流量 Q 33L/min，全行程时间大于5 S，实测全行程时间 t10 s。通过计算 可得：关闭静叶侧活塞面积：A 7rD /40.009 499。

开启静叶侧活塞面积：A2盯D /4-叮rd /40.005 652 Irf。

可见实际做功动力油量 Q 7.409 22 L/min与总输出动力油流量 Q总33 L/min相 比较，节能潜力很大。

风机静叶单侧最大出力约需：FP×A，×伺服控制系统动力油系统×卵×10。37 981.44N。

其中液压缸的负载率 0.7，液压缸的总效率取卵0.8。静叶两侧出力合计需75 962.88 N。

(2)设备选型根据上述计算结果，确定改造要点：①为确保较低的改造成本和较高的可靠性，确定连杆和终端机壳利旧原有设备；②对于必须更换的伺服油缸和活塞杆，应在满足新的控制器要求的前提下旧能按原尺寸设计；③闭路循环油泵应选用正、反向旋转的齿轮油泵，油泵出口压力不低于 12MPa，润滑油流量可小于7.409 22 L/rain；④执行器出力不小于 75 962.88N。

根据以上要求，设计选用了 L20000型电液执行器作为该风机静叶改造执行器，其技术参数为：齿轮泵润滑油最大流量 7.5 L/rain，最大油压 14MPa，最大出力90 000 N，4～20 mA模拟量信号进行位置控制，实际行程可达75 mm，并可根据实际情况调整为65 mm，可满足原设计参数要求。伺服油缸除与执行器连接油路重新设计外，其余尺寸与原伺服油缸相同，并在活塞杆悬空侧设置了具有高灵敏度的精密反馈导杆元件，使定位精度第 2期 凌冠强 ，等 .轴流式主风机静叶控制系统改造达到全行程的0.15%，设计使用伺服电机功率为1.2 kW 。

新型静叶控制系统接收室内或现池制指令，将当前位置(或反馈)信号与控制指令进行比较，若偏差大于设定控制精度(全行程 0.05%)，则输出指令 ，使电机旋转 ，通过液压油泵和动力模块控制液压油流动，实现油缸的线性位移大力矩输出，驱动风机静叶。当偏差小于设定控制精度时，电机停转，动力油缸 自动保持位置，完成调节(a) 齿轮泵顺时针旋转过程。该执行器可通过电机正向旋转和反向旋转实现油缸活塞的推拉作业，并通过设置液压锁FMV1和 FMW2成功实现了电机停运时油缸活塞保位的目标，为静叶控制系统节约了大量的能耗。

新型静叶控制系统液压油路工作原理如图 2所示，齿轮泵顺时针旋转时液压锁 FMV1锁定，油路从油缸左侧向油缸右侧流动；当齿轮泵逆时针旋转时液压锁 FMV2锁定，油路从油缸右侧向油缸左侧流动。

(b) 齿轮泵逆时针旋转图2 新型静叶控制系统液压油路工作原理示意(3)设备组装调试在完成了理论设计工作后，对新设计控制系统进行了组装调试，确认了控制系统的活塞杆尺寸、油缸行程、油缸出力、油泵压力测试和油缸安装尺寸符合原设备要求，并进行了手尧电动控制和远程计算机控制 3种静态测试 ，结果符合设计要求。

(4)现场改造为确保 2011年 10月检修期间改造工作能顺利按时完成，提前进行了现场配置安装的准备工作。首先确定了控制箱安装位置，并安装好支架；其次提前铺设好相关电缆，其中控制室与控制箱之间3条，控制箱与执行器本体之间3条。

2011年 10月 25日停工后，对原静叶控制系统进行全行程推拉试验，并记录好输入信号和静叶位置的对应关系，之后即开始进行保护性拆除风机两侧的伺服油缸、动力油管路和位置传感器，保留风机静叶连杆、保护套筒部分。随即安装新的活塞杆、伺服油缸和位置传感器，确认尺寸正常后再将提前预组装完毕的执行器系统安装就位，并根据油缸就位位置配置两组油缸连通液压油管线。

最后安装完毕后分别做静叶控制系统自控和手动控制静态试验，试验全行程时间约为 8 s，定位精度可达0.O1%，结果完全符合设计要求。

(5)运行情况2011年 11月 16日，装置开工正常，正式投用主风机和新型静叶控制系统，12月份，两次出现反馈传感器松动失效导致 自动控制系统失控的现象，主风流量由 1 900 m /min迅速下降至 1 600rn。/min，及时在线更换了进口传感器。此后该执行控制系统-直运行良好。

4 改造效果主风机静叶控制系统改造后经过-年多的运行观察 ，新设备运行工况良好，基本达到了改造目标。

(1)新型电液执行机构采用机电液-体化设计 ，无需外部提供马达、油泵及液压管路，取消了庞大的液压站系统，消除了高压动力油系统安全· 150·齐 鲁 石 油 化 工QILU PETROCHEMICAL TECHNOLOGY 2013年第41卷隐患。

(2)系统结构简单、改造工作量小，安装、维护、调试方便；系统无需任何外供控制油源或气源，简化了系统结构，减少了现场设备，既降低了电能损耗，又降低了液压油损耗；原静叶控制系统采用2台15 kW油泵，年耗电量为59 400 kW ·h，现采用 1台 1.2 kW 间歇运行的伺服电机，按每天调整 l0次操作、每次电机满负荷运转5 S计算 ，年最大耗电量约为 16.5 kW ·h，年可节约的电能为59 383.5 kW ·h，约合人民币3万多元。

(3)实现了静叶控制方式的多样化，由原来单-的远程室内调控方式发展成为远程、就地和手寅械控制3种控制方式，使静叶控制系统抗电仪风险能力大大增强。

(4)采用4～20 mA标准控制信号，无需功率放大环节，易于接受任何控制系统的控制信号。

(5)当控制器故障或控制系统失电时，具有自动保位功能。因而在控制系统故障工况下，运行人员可通过后备操作远程控制或就地手控电液执行器，对静叶位置实施开环控制〉低了静叶控制系统故障引发的机组停机风险。