本文刊登于PROCESS《流程工業》2023年第7期
《擠壓機運行故障分析及處理方法》
(資料圖片僅供參考)
文/ 丁文波
本文作者供職于中天合創能源有限責任公司化工分公司
設計能力 60 t/h 的造粒機組是國內引進大型擠壓造粒機組之一，該機組是某大型煤炭深加工項目 35 萬 t/a聚丙烯裝置的配套設備。在運行過程中，其自動控制系統存在一些需要改進和調整的地方，特別是造粒機組運行過程中經常聯鎖停車，經過反復分析研究，最終找到問題所在，并制定出相應的解決方案。該機組主要由主電動機、減速箱、筒體、熔融泵、換網器、水下切粒機、干燥器、塊料分離器以及顆粒振動篩等主要設備組成。
項目基本情況
工藝流程簡介
造粒機組示意如圖 1 所示，聚合單元生產的聚丙烯粉料由脫氣倉進行脫活、干燥后，經粉料輸送鼓風機送至造粒單元進料倉，粉料與助劑經過配置并在規定時間內充分混合，通過助劑計量稱進入筒體。聚丙烯粉料和助劑在筒體中充分混煉、熔融和均化，熔融聚丙烯經熔融泵增壓，通過換網器過濾，由水下切粒機切粒。切粒前產品的熔融指數用 MFR 在線測定儀測定。熔融聚丙烯經過切粒機模板束狀擠壓后進入切粒室，旋轉的切刀將聚丙烯切成小顆粒。由于與顆粒冷卻水接觸，顆粒立即固化，同時由顆粒水送出切粒室。顆粒經塊料分離器把大的或不均勻的塊料分離出來，其余送入顆粒干燥器中離心干燥，將顆粒與水完全分離。另外，顆粒干燥器排風扇將空氣吹入，加快帶走顆粒表面的水分。干燥的顆粒送到振動篩進行篩分，大顆粒和小顆粒均被篩掉，合格的顆粒送到顆粒料斗中。最后由風送系統輸送到料倉進行摻和包裝。
機組 PLC 控制系統設計
造粒機組的控制系統采用西門子公司的 PCS7 系統來實現。整個造粒系統的電源模塊、中央處理器、通信均采用冗余結構，分布式 IO 模塊。32 路數字輸入模塊12 塊，32 路數字輸出模塊 10 塊，8 路模擬輸入模塊 10 塊，8 路模擬輸出模塊 10 塊，24 路 F-DI4 安全模塊，6 路 F-AI 安全模塊 3 塊，10 路 F-DO 安全模塊 4 塊。共有數字量輸入點 372 個，數字量輸出點 253 個，模擬量輸入點 192 個，模擬量輸出點 34 個，同時設計了與 PC 上位機通信的接口。
機組電控系統
造粒機組的自動控制程序采用德國西門子PCS7 CFC、SFC軟件編寫，整個程序主要實現以下自動控制功能。
主電動機起動功能
為保證造粒機組安全開車，設計了起動控制程序。當以下條件都具備時則允許起動主電動機：軸承潤滑油泵運行，驅動側軸承油流量正常，非驅動側軸承油流量正常，油箱液位正常，允許起動信號來自 MCC 勵磁柜，離合器使能來自離合器 PLC，模板保護罩蓋好，切粒機未鎖定，開車閥處于排地位，開車閥熔體壓力 1 正常，換網器上端壓力正常，GKG 熔體壓力1 正常，齒輪箱潤滑油供油溫度正常，供油壓力正常，齒輪箱潤滑油泵至少 1 臺運行，節流閥處于開車位置，軸封氮氣閥打開，M300.31加熱系統正常，M602.99 熱油系統1、M650.99 熱油系統 2 運行正常，M528.99 熔體切斷設備正常。
切粒機起動功能
當以下條件都具備時，切粒電動機進入自動起動程序：切粒機允許起動來自 MCC 變頻器，節流閥筒體、開車閥筒體、熔體切斷裝置、換網器筒體、上滑柱、下滑柱以及 GKG 段筒體溫度，加熱系統旁通按鈕，主電動機運行，電動機繞組溫度 L1 ～ 3 未高報，切粒水壓力（安全壓力）未高報，小車移動泵關（SFC STEP9），鎖緊壓力正常，小車移動至模板，切粒機鎖緊液壓缸 1 ～ 4 打開位置，切粒機鎖緊液壓缸 1 ～ 4 鎖緊位置，切粒機鎖緊液壓缸 1 ～ 4 過緊位置。
當以上條件都具備時，切粒機自動起動，0.1 s 后，切粒水三通閥切換至大循環，4 s 后，切刀開始前進，4.5 s 后開車閥切換至模板位置，至此機組自動起動過程完成。
機組自動停止功能
為保證機組設備在正常情況下能夠根據需要安全、有序地停止運行，以最大限度地減少廢料的產生，設計了機組自動停止程序。在機組設備正常運行情況下，手動停止下料時，粉料加料器立即停機，待主電動機扭矩降至28% 后，延時 10 s，停止主電動機。
同時切刀軸解鎖，接著檢查齒輪泵吸入口壓力降到 0.03 MPa 后則令齒輪泵電動機停機，之后切粒機停機。切粒機停機后順序令切刀軸后退、冷卻水三通球閥切至小循環，最后待切粒機水室液位降至低限時關閉顆粒冷卻水蝶閥，自動停機過程結束。
機組互鎖保護功能
作為一個大型機組，安全保護很重要，系統為混煉機、齒輪泵、切粒機、換網器、干燥器電動機、顆粒冷卻水以及進水三通球閥等設計了互鎖保護，一旦機組某一設備出現異常，就能保證機組按停車次序安全有序地停車，避免造成更大的損失。
存在問題及解決方案
墊刀、纏刀
5 套造粒機組開車過程中，經常出現切粒機不能正常起動、“水、刀、料”不能同時到達模板，導致開車失敗，熔融樹脂纏刀，損壞切刀。同時由于頻繁開停車產生了大量的過渡料、廢料，造成了很大的經濟損失，解決問題迫在眉睫。經過認真細致的檢查分析發現，問題出在“刀、水、料”的時間匹配上。按照工藝要求切粒機起動后，切刀軸首先前進讓切刀與模板充分貼近到位后，之后在熔融聚丙烯樹脂到達模板的同時顆粒冷卻水進入切粒室，這是保證切粒機正常切粒的首要條件。如果聚丙烯樹脂先到達模板，而顆粒冷卻水尚未進入切粒室，這時熔融的聚丙烯樹脂從模板孔擠出后不能及時冷卻，就會不斷地纏結在高速旋轉的切刀上，最終導致切粒機電動機電流超高聯鎖停車。如果顆粒冷卻水過早進入切粒室，使模板溫度過低，當高溫熔融聚丙烯樹脂到達模板孔時過早冷卻固化而堵塞模板孔，造成切粒大小嚴重不均，堵塞嚴重時必須停車處理。
在充分考慮產品牌號（ 不同牌號產品熔融指數有很大差異，即樹脂流動速率不同 MFR ＝0.25 ～ 65 g/10min）、樹脂的溫度壓力、顆粒冷卻水的溫度壓力、流速以及設備運行狀況等因素對“刀、水、料”的時間匹配產生的影響后，反復研究、計算，確定優化三同時控制方案，推遲三同時時間基準，基準由切粒機起動更改為切粒機轉速達到低報警值，開始計時進水、進料、進刀，確保了水刀料能同時到達模板。邏輯變更和優化后的底層組態如圖 2、圖 3 所示。
振動篩堵料、過載
擠壓造粒機在正常生產過程中，當振動篩故障停運或堵料時，流經干燥后的粒料會堵滿整個振動篩，乃至干燥器管線，最終會因干燥器堵料過載，聯鎖整個系統停車，造成非計劃停車，清理需要消耗大量時間。
針對以上問題，通過優化振動篩、三通閥控制方案，來消除此瓶頸。增加三通閥自動切換程序，當振動篩過載或故障跳車后，延時 5 s，將頂部三通閥自動切換至 outlet 位，同時底部三通閥自動切換至 basic 位，使粒料繞過振動篩，經旁路進入緩沖料斗，并且發出振動篩跳車報警。
拉料切刀異常動作
在開車時，經常因拉料切刀不動作而導致開車失敗。原有的控制方案是：起動切刀后，當切刀檢測到處于回位時，延時 0.2 s 后伸出，檢測到處于伸出位時，延時 0.2 s 后縮回，如此以固定的頻率往復運動。這種控制方案存在的問題是，經常因切刀檢測不到回位或出位，而聯鎖動作。現場切刀實物和優化后的底層組態如圖 4、圖 5 所示。
針對以上問題，提出一種新的控制方案，采用時鐘來控制切刀的動作，并且將時鐘頻率開放至上位機，操作工可以根據開車負荷，隨時調整切刀速度。伸出位和縮回位接近開關作為確保切刀正常動作的依據，30 s 內均收不到伸出、縮回回信，發出報警提示。避免因拉料切刀不動作，導致開車失敗。
結語
本文圍繞著造粒機組開工過程中暴露出的邏輯設計缺陷，詳細分析原因，有針對性地制定切實有效整改措施，并實施，使其電控系統趨于完善，既合理保護機組安全，同時又避免了過保護造成的大機組非計劃停工，穩定性與可靠性得到很大提高，大機組運行周期得到有效提升。
本文系“流程工業”首發，未經授權不得轉載。版權所有，轉載請聯系小編授權（id：msprocess）。本文作者丁文波，供職于中天合創能源有限責任公司化工分公司，責任編輯胡靜，責任校對何發。本文轉載請注明來源：流程工業
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