杜 勇 薛軼明 東立明

(中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部，蘭州 730060)

傳統(tǒng)的裂解氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)采用的是PLC聯(lián)鎖保護(hù)，Woodward 505E機(jī)組調(diào)速控制，本特利機(jī)組狀態(tài)檢測，以及現(xiàn)場智能儀表與智能調(diào)節(jié)器組成的防喘振控制系統(tǒng)。

隨著自控技術(shù)的不斷發(fā)展，控制復(fù)雜、安全程度更高，而且聯(lián)鎖動作更可靠的透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)(Integrated Turbine & Compressor Control System，ITCC)應(yīng)用而生。在壓縮機(jī)防喘振控制方面，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，ITCC具有滿足化工生產(chǎn)需要、確保工藝生產(chǎn)平穩(wěn)、有效避免能源浪費、減少工藝生產(chǎn)波動、降低設(shè)備和維護(hù)成本、減少各種單功能控制器之間通信時間延遲和繁瑣連接的特點，具有較好的技術(shù)優(yōu)勢。

筆者以某裂解氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的改造項目為背景，介紹ITCC系統(tǒng)在防喘振控制中的應(yīng)用實施。

1 ITCC防喘振控制理論①

ITCC將傳統(tǒng)的多個獨立控制單元(如負(fù)荷調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護(hù)、電子調(diào)速、防喘調(diào)節(jié)及超速保護(hù)等系統(tǒng))集成在一套可靠的三重化模件冗余容錯控制系統(tǒng)中，并提供了先進(jìn)的控制方案和方便的操作監(jiān)控畫面。

喘振是離心壓縮機(jī)的固有特性，通常情況下是由系統(tǒng)負(fù)荷減少引起的。為避免壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象，需要控制任何轉(zhuǎn)速下，通過壓縮機(jī)的實際流量Q不小于多變壓頭Hp喘振極限的最小流量如圖1所示。

圖1 典型的壓縮機(jī)曲線

多變壓頭Hp和實際流量Q的計算公式如下：

式中Hp——多變壓頭；

h——孔板壓縮比；

K——絕熱系數(shù)；

Mw——氣體分子量，kg/kmol；

p1——進(jìn)氣絕對壓力，kPa；

p2——出氣絕對壓力，kPa；

Q——流量，t/h；

T1——絕對溫度，℃；

Z——壓縮系數(shù)；

η——效率。

ITCC采用可變極限流量法實現(xiàn)壓縮機(jī)的防喘振控制。可變極限流量法需要控制入口流量并排除壓力(圖2)，也即實際只控制一條喘振線，這樣可以使開始回流的流量為對應(yīng)于每一個工作轉(zhuǎn)速規(guī)定的一個最小流量，只有當(dāng)壓縮機(jī)流量不大于此值時才打開防喘振閥，即通過減少壓縮機(jī)的能耗在壓縮機(jī)負(fù)荷有可能經(jīng)常波動的區(qū)域采用調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的回流量來保證壓縮機(jī)負(fù)荷滿足工藝要求。在不同轉(zhuǎn)速下，其喘振極限流量是一個變數(shù)，它隨轉(zhuǎn)速的下降而減小。

圖2 可變極限流量法控制原理

ITCC的防喘振控制方案是在整個壓縮機(jī)負(fù)荷變化范圍內(nèi)的，使其工作點沿著喘振安全操作線變化，即只要保證安全操作線公式等號右邊大于左邊就可以防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振。通過Ao簡化系數(shù)的引入，將多變壓頭Hp和實際流量Q的曲線(圖1)轉(zhuǎn)化為p2/p1排出吸入壓力比與h/p1的壓縮機(jī)簡化工作曲線。簡化公式如下：

2 ITCC防喘振控制應(yīng)用

ITCC防喘振控制系統(tǒng)利用各種模塊的計算功能繪制如圖3所示的喘振線(p2/p1與h/p1的壓縮機(jī)簡化工作曲線)，如果壓縮機(jī)發(fā)生喘振，工作點快速移向喘振區(qū)間，喘振設(shè)定值控制打開防喘振控制閥，機(jī)組喘振控制方案有快速打開和慢速關(guān)閉的功能，比例控制作用可直接打開防喘振控制閥。速度控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜控制，必要時進(jìn)行簡單控制功能；通過手動、半自動和自動控制方式，有利于機(jī)組故障處理檢測和控制方案的調(diào)試運行，當(dāng)工作狀態(tài)點靠近喘振區(qū)間時，防喘振控制閥按照預(yù)期算法開啟閥門進(jìn)行回流量自動調(diào)節(jié)；如果出現(xiàn)突然喘振或聯(lián)鎖動作停車，用電磁閥控制防喘振閥氣路，快速打開閥門。ITCC系統(tǒng)自動計算工作點，自動增加安全裕度；利用獨立的比例控制功能，實現(xiàn)回流閥快開-慢關(guān)控制功能，確保壓縮機(jī)穩(wěn)定高效運行。

圖3 壓縮機(jī)工作特性曲線

2.1 裂解氣壓縮機(jī)喘振控制線的生成

裂解氣壓縮機(jī)的通用防喘振線可由排出吸入壓比(p2/p1)和吸入流量計算得出。圖2中的其他相關(guān)參數(shù)由壓縮機(jī)固有特性得出，具體如下：

入口壓力儀表PIA-1100 0～200kPa(正常值45kPa)

入口溫度儀表TIA-1100 0～100℃(正常值42℃)

入口流量儀表FIA-1100 0～60t/h

出口壓力儀表PIA-1101 0.0～3.5MPa

氣體分子量Mw30.4kg/kmol

絕熱系數(shù)K1.166

效率η0.77

壓縮系數(shù)Z1

音速轉(zhuǎn)換系數(shù)c12.644

根據(jù)上述參數(shù)計算所得的壓縮機(jī)性能數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓縮機(jī)性能數(shù)據(jù)

壓縮機(jī)防喘振控制邏輯如圖4所示。ITCC系統(tǒng)依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，利用防喘振擴(kuò)展函數(shù)模塊1(SRG-LINE)將相關(guān)參數(shù)設(shè)定到SRG-LINE模塊相應(yīng)的參數(shù)點，即可通過模塊內(nèi)部計算喘振線。SRG-LINE選定pd/ps～h/ps喘振算法。在喘振線的基礎(chǔ)上利用喘振裕度計算模塊3 (Recalibrate)計算出喘振安全裕度，即喘振控制曲線與喘振曲線之間的間距。喘振控制生成模塊4(Control Line)生成喘振控制曲線，即喘振曲線加喘振安全裕度得到喘振控制曲線，右移10%的控制裕度則生成喘振控制線——圖3所示的壓縮機(jī)工作特性曲線。

圖4 壓縮機(jī)防喘振控制邏輯

2.2 工作狀態(tài)點的測量

ITCC將入口流量FIA-1100所對應(yīng)的差壓與入口壓力PIA-1100之比(pd/ps)引入工作點計算模塊2(Surge-Detect )計算出壓縮機(jī)當(dāng)前的工作點。檢測工作點離喘振控制曲線的距離，也是判斷壓縮機(jī)是否發(fā)生喘振的重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

ITCC上位畫面中包括喘振線、喘振控制線和工作狀態(tài)點，當(dāng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)點不在喘振區(qū)域時，喘振標(biāo)志綠色，壓縮機(jī)工作狀態(tài)點在喘振線右部；當(dāng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)點在喘振區(qū)域時，喘振標(biāo)志為紅色，壓縮機(jī)工作點在喘振線左部。

ITCC將壓縮機(jī)工作狀態(tài)點與對應(yīng)喘振點進(jìn)行比較，然后把輸出信號送給喘振標(biāo)志模塊計算，如果工作狀態(tài)點不小于對應(yīng)喘振點，表明機(jī)組未發(fā)生喘振。反之，機(jī)組發(fā)生了喘振。ITCC系統(tǒng)的喘振控制設(shè)定模塊5(Controller Setpoint)計算出喘振控制系統(tǒng)的設(shè)定值。ITCC系統(tǒng)的設(shè)定值根據(jù)工作狀態(tài)點的變化而實時改變，若工作狀態(tài)點位于喘振控制線右部，該工作狀態(tài)點與對應(yīng)設(shè)定值的距離為固定值(一般設(shè)為2%)。如果工作狀態(tài)點位于喘振控制線左部，則與防喘振控制線高選表決，確定輸出至設(shè)定值的參數(shù)。通常情況下，壓縮機(jī)不能在喘振線上長時間運行。當(dāng)工作狀態(tài)點以小幅、快速向喘振線波動時，防喘振控制閥會快速打開一定開度的閥位，促使喘振控制線向右移動，直到防喘振控制閥關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組工況平穩(wěn)地脫離喘振區(qū)域后，可按操作畫面上的復(fù)位按鈕，恢復(fù)原有的防喘振控制線。

2.3 喘振控制

ITCC系統(tǒng)通過啟動模塊8(Startup)，在壓縮機(jī)啟動時控制邏輯保證防喘振控制閥100%開度，保證壓縮機(jī)可以安全穩(wěn)定啟動。壓縮機(jī)正常運行時，通過PID控制模塊6(Controller)實現(xiàn)喘振快速PID控制，依據(jù)當(dāng)前的入口流量和喘振控制器的設(shè)定值來計算喘振器的輸出結(jié)果。

ITCC系統(tǒng)有純比例調(diào)節(jié)模式，該模式獨立于正常的PID控制模式。純比例調(diào)節(jié)模塊7(Proportional Function)判斷當(dāng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)點移動至喘振控制線左部時，通常的PID控制模式已無法滿足機(jī)組的控制要求，此時ITCC系統(tǒng)的模塊7控制工作狀態(tài)點進(jìn)入喘振比例快速控制調(diào)節(jié)模式，在喘振控制線左部生成特定的裕度范圍(系數(shù)為0.7)。當(dāng)喘振線與工作狀態(tài)點相距70%時，系統(tǒng)強(qiáng)制打開防喘振控制閥。當(dāng)喘振線與工作狀態(tài)點重合時，防喘振控制閥全開。即便是喘振控制無效的情況下，喘振比例控制仍可繼續(xù)保護(hù)機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

多種控制方式由防喘振選擇模塊9(Valve Singal Selector)實現(xiàn)防喘振控制程序的選擇輸出，即壓縮機(jī)啟動時邏輯控制器的輸出值、比例項的輸出值和快速PID控制器的輸出值之間進(jìn)行高選表決。

ITCC系統(tǒng)還可以實現(xiàn)速度與喘振的耦合控制，利用速度偏差計算模塊10(Speed Bias)計算速度與喘振耦合控制器的輸出值的偏差。若機(jī)組發(fā)生喘振，控制邏輯自動使速度控制器的設(shè)定值增加，保證機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)而增加入口流量，防止機(jī)組喘振發(fā)生。若機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，壓縮機(jī)的出口壓力提升過高，有可能繼續(xù)引起喘振，這時就應(yīng)該解除耦合，實現(xiàn)解耦控制。

2.4 防喘振閥輸出模塊

防喘振閥輸出模塊接收來自喘振控制的輸出值，通過模式選擇模塊11(Auto/Man)設(shè)定喘振控制邏輯的手動、半自動和自動控制方式。手動模式下，快速PID控制器的輸出值無效；半自動和自動模式下，快速PID控制器的輸出值有效。

防喘振閥輸出通過預(yù)置模塊12(Valve Prepare)，實現(xiàn)防喘振控制閥預(yù)置功能，儀表加快閥門的響應(yīng)速度。利用線性化模塊13(Valve Linearize/Reverse)進(jìn)行防喘振閥線性輸出。

3 結(jié)束語

ITCC在裂解氣壓縮機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用，較好地滿足了壓縮機(jī)控制的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性，確保不會因為控制系統(tǒng)的故障影響機(jī)組的正常運行，同時也提高了故障分析的水平。