解决了乙醇厂空压机控制间隙问题
一座新建的乙醇厂在投产后不久就遇到了控制缺口问题。本文讨论了问题的原因以及如何解决问题。
出身背景
该乙醇厂位于加拿大，投入约35万吨粮食，产出1.3亿升乙醇。电厂厂房内有一个压缩空气系统，使用三台风冷润滑螺杆空气压缩机（其中两台由VSD控制）和一台加热鼓风机式干燥剂干燥器。压力/流量控制器用于将设备压力保持在恒定的88 psi。空气压缩机采用先进的中央控制器进行控制，该控制器操作空气压缩机组合以获得最佳效率，并提供数据接口，以便可从电厂SCADA系统集中监控压缩空气设备。
图1：中央控制系统为监控提供最佳控制和数manbetx客户端12-5下载据-点击在这里扩大。
负荷剖面
工厂负荷曲线相当平坦，大多数压缩空气被一般工艺操作消耗，偶尔出现峰值。乙醇是分批生产的。在部分发酵过程中，一股压缩空气流被注入发酵容器的底部(图2)，以使液体更好地混合。这种流动一次持续12到14个小时。在这个流动之上是空气干燥机冷却吹扫的要求。在每一个空气干燥器再生循环后，一流压缩空气被用来冷却加热的干燥剂，以便为下一个干燥循环做好准备。这两种额外的负荷造成或多或少一致的三级流动特性。
设计过程
在设计阶段，工程顾问受聘规划和指定压缩空气系统，依靠压缩空气流量的梯级变化来帮助他们降低原设计的成本。该计划是使用VSD控制，以保持系统的高效率，但还有一个额外的担忧，即单位的额外成本。与固定速度的压缩机相比，变速压缩机的成本更高。为了将成本控制在预算范围内，工程团队根据一个特定的负荷估算模型对空压机进行了选型。在大流量搅拌期间，固定转速的压缩机会运行，在容器搅拌期间，VSD会进行微调。其他时候，在低负载步骤，VSD将单独运行。这允许顾问指定一个更小，更便宜的75马力VSD与100马力固定速度单位工作。
图2：将空气注入发酵过程进行混合。这会导致流量的阶跃变化。
在设计评审阶段，外部评审人员向设计团队指出，使用比基本单元更小的VSD会导致“控制缺口”的情况。当出现控制间隙问题时，在较大的基础压缩机和较小的VSD压缩机的容量之间流动时，两个机组会争夺控制，造成不良和低效的运行。然而，该团队相信，他们的计算是准确的，因为过程流或多或少是恒定的和可重复的，控制间隙内的流永远不会发生。
团队在项目的其他方面做出了一些好的决定:
- 为了更好地控制空压机，设计了中央控制器
- 一个加热鼓风机风格的干燥机(图3)购买了露点控制，以减少再生能源消耗
- 高效过滤，减少压力损失
- 包括无空气排水管，以减少压缩空气的浪费
- 安装了流量压力/流量控制器以降低工厂压力和限制人工需求流量
- 空气压缩机室管道的尺寸应限制压力损失，并考虑到未来的额外负荷
- 为了更好地稳定压力控制和防止大量瞬态空气需求，安装了大容量接收器
图3:由于凉爽的干燥条件和露点控制，吹风机式干燥机节省了71%。
调试后的问题
正如读者可能预测的那样，设计计算略有偏差。墨菲定律出现了。如图4所示，压缩空气系统在运行的第一个月左右充分运行，其中100 hp空气压缩机以满载运行，VSD压缩机以接近最低速度运行。这使基础压缩机保持在其最有效的位置，但也是VSD压缩机长期健康问题的一个原因。以或接近最低速度运行是VSD流量与功率特性（见图6）的最低效点，此外，通常在低流量下，压缩机内产生的热量不足，以排出冷凝到压缩机润滑剂中的水分。这可能导致压缩机内部构件水损坏和轴承故障。因此，制造商建议不要长时间以或低于最低速度运行VSD压缩机。
如图4所示，控制间隙的影响开始变得明显。在图的最后三分之一附近，可以看到一些时间段，空气压缩机正在争夺控制权，VSD加速和减速，但与此同时，固定速度基础压缩机在高频率下无效地加载和卸载。在一些低负荷时期，VSD最终控制压缩机，并且是单独运行的压缩机，这是样品中唯一一个效率良好的时期。
图4：调试期间的压缩空气剖面显示压缩机运行低于最佳状态-点击在这里扩大。
随着调试的进行，生产人员发现生产过程中需要增加额外的未预料到的压缩空气使用。这将负载增加到一个点，在这个点上，流几乎总是在控制间隙内，超过90%的时间，如图5所示。
图5:负载的增加最终将系统推入控制间隙。压缩机在争夺控制权。-点击在这里扩大。
图6：最佳VSD效率为中端。中央控制器将VSD压缩机保持在此范围内。资料来源：凯瑟压缩机。
解决方案
为了解决控制差距的问题，需要增加更多的可变容量，使这个可变容量大于100 hp的基础单位。本可以增加一个较小的固定速度装置，但现场运营商决定安装一个额外的50马力VSD压缩机。这使得总可变容量达到125 hp，这种尺寸可以确保VSD在低于压缩机制造商推荐的最低速度下运行。幸运的是，中央压缩机控制器有一个内置的算法，始终寻求将运行的VSD压缩机的容量保持在30%至80%之间，这是大多数VSD效率曲线的甜点点。
然而，这种变化并非没有问题。有时，当VSD压缩机被放置在中央控制器上，它的压力传感点位于干燥剂干燥器的下游时，控制回路会出现延迟。这可以使VSD PID控制回路不稳定，导致压缩机搜索到最大速度，然后下降到具有正弦波特性的最小速度。这种类型的操作可以在图7的第一部分中看到。咨询了制造商，并给出了如何调整压缩机控制以降低其灵敏度的说明。这解决了问题，两台VSD压缩机开始正常运行。
图7：安装新压缩机时，控制问题需要调整PID控制参数-点击在这里扩大。
结论
在购买新设备时，降低成本的良好意图有时会导致效率问题，如果压缩机选型导致控制差距。为了避免控制间隙，最好的办法是确定VSD容量的大小，使VSD容量的可变部分(最低速度和全速之间的容量)等于或大于最大的基础压缩机。如果是这种情况，就有可能有效地控制系统从零到满负荷运转，而不存在效率低下之间的差距。
选择一个好的控制策略或中央系统对效率和压力稳定性都很重要。一个足够智能的系统可以让安装的压缩机以最佳效率点运行，从而节省能源。其他组件的选择，如高效过滤器，烘干机，管道和排水管使系统更加高效。
该系统的一个重要方面是，在安装后对其进行了测量以进行验证。许多系统操作员认为他们的系统将按照设计和规定高效运行，并且通常不进行系统验证。但是，正如我们所看到的，系统的一些意外变化导致了系统运行不良，如果没有进行测量，很可能不会注意到这一点。
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有关更多信息，请联系马歇尔压缩空气咨询公司Ron Marshall，电话：204-806-2085，电子邮件：ronm@mts.net.
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