本文刊登于PROCESS《流程工业》2023年第7期
《挤压机运行故障分析及处理方法》
文/ 丁文波
本文作者供职于中天合创能源有限责任公司化工分公司
设计能力 60 t/h 的造粒机组是国内引进大型挤压造粒机组之一,该机组是某大型煤炭深加工项目 35 万 t/a聚丙烯装置的配套设备。在运行过程中,其自动控制系统存在一些需要改进和调整的地方,特别是造粒机组运行过程中经常联锁停车,经过反复分析研究,最终找到问题所在,并制定出相应的解决方案。该机组主要由主电动机、减速箱、筒体、熔融泵、换网器、水下切粒机、干燥器、块料分离器以及颗粒振动筛等主要设备组成。
项目基本情况
工艺流程简介
造粒机组示意如图 1 所示,聚合单元生产的聚丙烯粉料由脱气仓进行脱活、干燥后,经粉料输送鼓风机送至造粒单元进料仓,粉料与助剂经过配置并在规定时间内充分混合,通过助剂计量称进入筒体。聚丙烯粉料和助剂在筒体中充分混炼、熔融和均化,熔融聚丙烯经熔融泵增压,通过换网器过滤,由水下切粒机切粒。切粒前产品的熔融指数用 MFR 在线测定仪测定。熔融聚丙烯经过切粒机模板束状挤压后进入切粒室,旋转的切刀将聚丙烯切成小颗粒。由于与颗粒冷却水接触,颗粒立即固化,同时由颗粒水送出切粒室。颗粒经块料分离器把大的或不均匀的块料分离出来,其余送入颗粒干燥器中离心干燥,将颗粒与水完全分离。另外,颗粒干燥器排风扇将空气吹入,加快带走颗粒表面的水分。干燥的颗粒送到振动筛进行筛分,大颗粒和小颗粒均被筛掉,合格的颗粒送到颗粒料斗中。最后由风送系统输送到料仓进行掺和包装。
机组 PLC 控制系统设计
造粒机组的控制系统采用西门子公司的 PCS7 系统来实现。整个造粒系统的电源模块、中央处理器、通信均采用冗余结构,分布式 IO 模块。32 路数字输入模块12 块,32 路数字输出模块 10 块,8 路模拟输入模块 10 块,8 路模拟输出模块 10 块,24 路 F-DI4 安全模块,6 路 F-AI 安全模块 3 块,10 路 F-DO 安全模块 4 块。共有数字量输入点 372 个,数字量输出点 253 个,模拟量输入点 192 个,模拟量输出点 34 个,同时设计了与 PC 上位机通信的接口。
机组电控系统
造粒机组的自动控制程序采用德国西门子PCS7 CFC、SFC软件编写,整个程序主要实现以下自动控制功能。
主电动机起动功能
为保证造粒机组安全开车,设计了起动控制程序。当以下条件都具备时则允许起动主电动机:轴承润滑油泵运行,驱动侧轴承油流量正常,非驱动侧轴承油流量正常,油箱液位正常,允许起动信号来自 MCC 励磁柜,离合器使能来自离合器 PLC,模板保护罩盖好,切粒机未锁定,开车阀处于排地位,开车阀熔体压力 1 正常,换网器上端压力正常,GKG 熔体压力1 正常,齿轮箱润滑油供油温度正常,供油压力正常,齿轮箱润滑油泵至少 1 台运行,节流阀处于开车位置,轴封氮气阀打开,M300.31加热系统正常,M602.99 热油系统1、M650.99 热油系统 2 运行正常,M528.99 熔体切断设备正常。
切粒机起动功能
当以下条件都具备时,切粒电动机进入自动起动程序:切粒机允许起动来自 MCC 变频器,节流阀筒体、开车阀筒体、熔体切断装置、换网器筒体、上滑柱、下滑柱以及 GKG 段筒体温度,加热系统旁通按钮,主电动机运行,电动机绕组温度 L1 ~ 3 未高报,切粒水压力(安全压力)未高报,小车移动泵关(SFC STEP9),锁紧压力正常,小车移动至模板,切粒机锁紧液压缸 1 ~ 4 打开位置,切粒机锁紧液压缸 1 ~ 4 锁紧位置,切粒机锁紧液压缸 1 ~ 4 过紧位置。
当以上条件都具备时,切粒机自动起动,0.1 s 后,切粒水三通阀切换至大循环,4 s 后,切刀开始前进,4.5 s 后开车阀切换至模板位置,至此机组自动起动过程完成。
机组自动停止功能
为保证机组设备在正常情况下能够根据需要安全、有序地停止运行,以最大限度地减少废料的产生,设计了机组自动停止程序。在机组设备正常运行情况下,手动停止下料时,粉料加料器立即停机,待主电动机扭矩降至28% 后,延时 10 s,停止主电动机。
同时切刀轴解锁,接着检查齿轮泵吸入口压力降到 0.03 MPa 后则令齿轮泵电动机停机,之后切粒机停机。切粒机停机后顺序令切刀轴后退、冷却水三通球阀切至小循环,最后待切粒机水室液位降至低限时关闭颗粒冷却水蝶阀,自动停机过程结束。
机组互锁保护功能
作为一个大型机组,安全保护很重要,系统为混炼机、齿轮泵、切粒机、换网器、干燥器电动机、颗粒冷却水以及进水三通球阀等设计了互锁保护,一旦机组某一设备出现异常,就能保证机组按停车次序安全有序地停车,避免造成更大的损失。
存在问题及解决方案
垫刀、缠刀
5 套造粒机组开车过程中,经常出现切粒机不能正常起动、“水、刀、料”不能同时到达模板,导致开车失败,熔融树脂缠刀,损坏切刀。同时由于频繁开停车产生了大量的过渡料、废料,造成了很大的经济损失,解决问题迫在眉睫。经过认真细致的检查分析发现,问题出在“刀、水、料”的时间匹配上。按照工艺要求切粒机起动后,切刀轴首先前进让切刀与模板充分贴近到位后,之后在熔融聚丙烯树脂到达模板的同时颗粒冷却水进入切粒室,这是保证切粒机正常切粒的首要条件。如果聚丙烯树脂先到达模板,而颗粒冷却水尚未进入切粒室,这时熔融的聚丙烯树脂从模板孔挤出后不能及时冷却,就会不断地缠结在高速旋转的切刀上,最终导致切粒机电动机电流超高联锁停车。如果颗粒冷却水过早进入切粒室,使模板温度过低,当高温熔融聚丙烯树脂到达模板孔时过早冷却固化而堵塞模板孔,造成切粒大小严重不均,堵塞严重时必须停车处理。
在充分考虑产品牌号( 不同牌号产品熔融指数有很大差异,即树脂流动速率不同 MFR =0.25 ~ 65 g/10min)、树脂的温度压力、颗粒冷却水的温度压力、流速以及设备运行状况等因素对“刀、水、料”的时间匹配产生的影响后,反复研究、计算,确定优化三同时控制方案,推迟三同时时间基准,基准由切粒机起动更改为切粒机转速达到低报警值,开始计时进水、进料、进刀,确保了水刀料能同时到达模板。逻辑变更和优化后的底层组态如图 2、图 3 所示。
振动筛堵料、过载
挤压造粒机在正常生产过程中,当振动筛故障停运或堵料时,流经干燥后的粒料会堵满整个振动筛,乃至干燥器管线,最终会因干燥器堵料过载,联锁整个系统停车,造成非计划停车,清理需要消耗大量时间。
针对以上问题,通过优化振动筛、三通阀控制方案,来消除此瓶颈。增加三通阀自动切换程序,当振动筛过载或故障跳车后,延时 5 s,将顶部三通阀自动切换至 outlet 位,同时底部三通阀自动切换至 basic 位,使粒料绕过振动筛,经旁路进入缓冲料斗,并且发出振动筛跳车报警。
拉料切刀异常动作
在开车时,经常因拉料切刀不动作而导致开车失败。原有的控制方案是:起动切刀后,当切刀检测到处于回位时,延时 0.2 s 后伸出,检测到处于伸出位时,延时 0.2 s 后缩回,如此以固定的频率往复运动。这种控制方案存在的问题是,经常因切刀检测不到回位或出位,而联锁动作。现场切刀实物和优化后的底层组态如图 4、图 5 所示。
针对以上问题,提出一种新的控制方案,采用时钟来控制切刀的动作,并且将时钟频率开放至上位机,操作工可以根据开车负荷,随时调整切刀速度。伸出位和缩回位接近开关作为确保切刀正常动作的依据,30 s 内均收不到伸出、缩回回信,发出报警提示。避免因拉料切刀不动作,导致开车失败。
结语
本文围绕着造粒机组开工过程中暴露出的逻辑设计缺陷,详细分析原因,有针对性地制定切实有效整改措施,并实施,使其电控系统趋于完善,既合理保护机组安全,同时又避免了过保护造成的大机组非计划停工,稳定性与可靠性得到很大提高,大机组运行周期得到有效提升。
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作者:本刊编辑部
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