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》
(资料图片仅供参考)
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。
本文系“流程工业”首发，未经授权不得转载。版权所有，转载请联系小编授权（id：msprocess）。本文作者丁文波，供职于中天合创能源有限责任公司化工分公司，责任编辑胡静，责任校对何发。本文转载请注明来源：流程工业
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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
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