沈曉磊,曾軍年,沈新群

（新疆烏魯木齊石化分公司 化肥廠儀表車間，烏魯木齊 830019）

0 引言

中國(guó)石油烏石化公司化肥廠一化裝置5大機(jī)組的驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)使用的均是WOODWARD PG-PL系列機(jī)械式調(diào)速器。此機(jī)械式調(diào)速系統(tǒng)使用至今近30年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其設(shè)計(jì)使用年限，已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備故障的高發(fā)期，成為影響化肥廠一化裝置正常運(yùn)行的瓶頸，存在較大安全隱患：

1）機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件磨損銹蝕發(fā)生卡澀，造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速呈階梯狀突變，影響到裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

2）轉(zhuǎn)速控制精度降低，對(duì)壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)影響較大。尤其是在開(kāi)、停車期間對(duì)轉(zhuǎn)速控制要求較高時(shí)難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，在壓縮機(jī)和透平跨越臨界轉(zhuǎn)速時(shí)存在安全隱患。

3）機(jī)械手動(dòng)調(diào)速全為手動(dòng)開(kāi)閥，對(duì)升速曲線控制人員要求較高，且容易造成升速過(guò)快和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使得壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子受力變化幅度過(guò)大，容易造成轉(zhuǎn)子和軸承的損壞。

4）由于調(diào)速器故障，機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)，極易造成高壓蒸汽或者中壓蒸汽管網(wǎng)波動(dòng)，從而對(duì)鍋爐負(fù)荷、工藝蒸汽量產(chǎn)生較大影響，容易發(fā)生大面積的停車事故。

鑒于此，經(jīng)過(guò)充分論證調(diào)研后，決定在機(jī)械式調(diào)速系統(tǒng)改為電子調(diào)速系統(tǒng)后，通過(guò)采用TS3000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的高可靠安全性，簡(jiǎn)化機(jī)組的開(kāi)停車過(guò)程，以及對(duì)大機(jī)組調(diào)速精確控制，同時(shí)便于對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各類問(wèn)題的診斷、分析。

1 TS3000控制器原理

1）CONSEN提供的TS3000硬件基于三重冗余容錯(cuò)（TMR）結(jié)構(gòu)、軟件滿足SIL-3安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求的ITCC（綜合透平壓縮機(jī)組控制）系統(tǒng)。其基于TRICON三冗余硬件平臺(tái)和專業(yè)軟件包技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的防喘振控制、調(diào)速控制、抽汽控制、 性能控制、超速保護(hù)、相關(guān)報(bào)警、聯(lián)鎖控制、操作監(jiān)控等機(jī)組有關(guān)的工藝控制和保護(hù)功能[1]。TS3000系統(tǒng)將傳統(tǒng)上需要多個(gè)分立儀表如防喘調(diào)節(jié)器、聯(lián)鎖自保系統(tǒng)、電子調(diào)速器、負(fù)荷調(diào)節(jié)器等實(shí)現(xiàn)的功能集成在一套可靠性極高的系統(tǒng)中完成，在減少各個(gè)系統(tǒng)間的連接和通信、減少故障發(fā)生幾率的同時(shí)，也大幅降低了企業(yè)長(zhǎng)周期運(yùn)行成本，并為操作人員提供了更加良好的操作監(jiān)控界面（圖1）。

2）TS3000具有獨(dú)特的防喘振控制技術(shù)，并針對(duì)防喘特性開(kāi)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊，這些模塊包括喘振檢測(cè)，喘振控制和防喘振控制輸出。每一個(gè)模塊都定義一種具體的控制功能，各種控制功能相互作用，構(gòu)成一個(gè)完整的防喘振控制系統(tǒng)[1]。詳細(xì)的防喘振控制方塊圖如下：此時(shí)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，然后由另外三只探頭（直接進(jìn)入硬件超速保護(hù)器）一路DO輸出去程序軟聯(lián)鎖，另一路程序控制現(xiàn)場(chǎng)速關(guān)組件閥的電磁閥回路實(shí)現(xiàn)硬接線聯(lián)鎖。如下圖：

圖2 TS3000防喘控制方框圖Fig.2 TS3000 anti-surge control block diagram

圖1 TS3000機(jī)組控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig. 1 TS3000 unit control system diagram

圖3 改造前的轉(zhuǎn)速探頭Fig.3 Before reconstruction speed probes

圖4 改造后轉(zhuǎn)速探頭Fig.4 Modified speed probes

2 具體實(shí)施

1）針對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件磨損銹蝕發(fā)生卡澀，本次改造更換了新油動(dòng)機(jī)，新增速關(guān)組件一套，增加速關(guān)油壓遠(yuǎn)傳顯示及油壓低低“三選二”聯(lián)鎖、二次油壓顯示。

2）現(xiàn)場(chǎng)采用技術(shù)先進(jìn)性能可靠的探頭（AI-TEK RH1512-027 13J ）,每個(gè)機(jī)組共有6支轉(zhuǎn)速探頭，從根本杜絕原來(lái)一支轉(zhuǎn)速造成的誤差。對(duì)轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖采取優(yōu)化處理:采用軟件硬件雙重保護(hù)聯(lián)鎖共同來(lái)保護(hù)機(jī)組的安全運(yùn)行。其中3支探頭直接進(jìn)ITCC顯示轉(zhuǎn)速并參與轉(zhuǎn)速控制；在ITCC中對(duì)3支正常轉(zhuǎn)速采用以3-2-1-0降級(jí)順序工作，3支轉(zhuǎn)速正常時(shí)取中值用于轉(zhuǎn)速控制；當(dāng)3支轉(zhuǎn)速中有一支故障時(shí)，剩下2支轉(zhuǎn)速取高值；當(dāng)余下2支轉(zhuǎn)速中壞1支時(shí)則屬于失速保護(hù)，從而避免因?yàn)閮x表轉(zhuǎn)速回路出現(xiàn)故障誤停車，同時(shí)避免因轉(zhuǎn)速故障時(shí)不能停車的情況，既保證任何情況不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，還能杜絕因轉(zhuǎn)速故障時(shí)聯(lián)鎖拒動(dòng)。當(dāng)ITCC轉(zhuǎn)速達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)輸出動(dòng)作，若ITCC沒(méi)有動(dòng)作，

3） 原機(jī)械手動(dòng)調(diào)速采用手動(dòng)開(kāi)閥，改為電子調(diào)速控制。現(xiàn)具體就改造后的壓縮機(jī)開(kāi)停車及正常操作簡(jiǎn)要介紹如下：

A.啟動(dòng)和停車

有自動(dòng)/手動(dòng)兩種啟動(dòng)和停車模式，在自動(dòng)啟動(dòng)模式下機(jī)組按照給定的暖機(jī)升速曲線啟動(dòng)，在這一過(guò)程中操作員可以中斷自動(dòng)程序進(jìn)入手動(dòng)操作，并可以重新恢復(fù)自動(dòng)升速方式。手/自動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。

B.臨界轉(zhuǎn)速處理

程序可設(shè)置多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，無(wú)論啟停車過(guò)程或正?？刂七^(guò)程中速度控制模塊都可避免機(jī)組工作在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)，在啟動(dòng)過(guò)程中透平將以設(shè)置的較快的速率快速通過(guò)臨界區(qū)，如果由于蒸汽系統(tǒng)的原因調(diào)節(jié)汽閥全開(kāi)后轉(zhuǎn)速仍然停留在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)超過(guò)一定的時(shí)間限制則自動(dòng)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥降低轉(zhuǎn)速。

C.轉(zhuǎn)速跟蹤

手/自動(dòng)方式切換，遙控/就地操作切換時(shí)，所有關(guān)聯(lián)回路都相互跟蹤，以便實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。

D.順序控制模塊

改造后，壓縮機(jī)的啟動(dòng)通過(guò)主控室HMI進(jìn)行，采用順序模塊的方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)車，使得操作直觀簡(jiǎn)練，每一步嚴(yán)格按照設(shè)定程序自動(dòng)執(zhí)行，最大限度減少了操作人員誤操作。TRICONEX將根據(jù)汽輪機(jī)主機(jī)廠的起機(jī)曲線編制自動(dòng)或半自動(dòng)起機(jī)程序。在通常應(yīng)用中，機(jī)組的速度控制可以有多種運(yùn)行方式，包括停機(jī)、啟動(dòng)、暖機(jī)、加速、運(yùn)行等。在自動(dòng)起機(jī)模式下，根據(jù)起機(jī)曲線的升速率，蒸汽透平將自動(dòng)從零轉(zhuǎn)速升到最小轉(zhuǎn)速或額定轉(zhuǎn)速。另外，還將組態(tài)迅速越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的控制。在半自動(dòng)起機(jī)模式下，操作工可在從零轉(zhuǎn)速到最小轉(zhuǎn)速之間的任何轉(zhuǎn)速下停留。一旦達(dá)到最小轉(zhuǎn)速，操作人員可將轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高到工作轉(zhuǎn)速。

4）防喘振控制。Tricon防喘控制器工作時(shí)，根據(jù)壓縮機(jī)入口流量、入口壓力、出口壓力及入口和出口溫度，利用Triconex獨(dú)特的防喘振技術(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前工作點(diǎn)，判斷是否發(fā)生喘振。因?yàn)榇癜l(fā)生得很快，必須使用特殊的控制技術(shù)來(lái)保證防喘閥及時(shí)打開(kāi)。TRICON控制器的運(yùn)算速度很快，而且能夠高效處理復(fù)雜的算法，所以TRICON控制器可以理想地實(shí)現(xiàn)防喘控制。 如發(fā)生喘振，則由防喘振控制器的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)防喘振控制閥。使用這種技術(shù)，氣體分子量變化將不會(huì)影響喘振檢測(cè)[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，喘振線和工作點(diǎn)可以根據(jù)壓縮機(jī)不同情況，選擇壓比（出口壓力/入口壓力，Pd/Ps）或壓升（出口壓力-出口壓力，Pd-Ps）的計(jì)算方法。在本次改造中，喘振線的計(jì)算選擇選擇壓比（出口壓力/入口壓力，Pd/Ps）的計(jì)算法。

一般情況下，壓縮機(jī)不會(huì)在喘振線上持續(xù)運(yùn)行或過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。當(dāng)工作點(diǎn)在控制線右方（安全區(qū)域），喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)（線）須在當(dāng)前h值的某一可設(shè)百分比范圍內(nèi)以可設(shè)值移動(dòng)。當(dāng)工作點(diǎn)越過(guò)設(shè)置點(diǎn)（浮動(dòng)線），以小幅快速向喘振線竄動(dòng)時(shí)，將發(fā)生如下情形：① 防喘閥迅速打開(kāi)；② 設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線將以可設(shè)值移動(dòng)直至防喘閥全關(guān)；③ 新工作點(diǎn)建立。如果設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線與喘振控制線重合，系統(tǒng)將保持回流以保證在喘振控制線上運(yùn)行，此特性并非在所有條件下應(yīng)用，在應(yīng)用前亦需作充分評(píng)估。

喘振控制器提供了一種適應(yīng)性增益特性，當(dāng)工作點(diǎn)在喘振控制線右方時(shí)，該特性減少了比例動(dòng)作。當(dāng)工作點(diǎn)在喘振控制線右方的操作裕度超過(guò)設(shè)定距離，則調(diào)用適應(yīng)性增益特性。根據(jù)比例或積分響應(yīng)，防喘閥可打開(kāi)，但STRAIGHT RAMP功能限制了防喘閥的關(guān)閉，該特性使得防喘閥響應(yīng)快。當(dāng)工作點(diǎn)安全地移到喘振控制線的右方，防喘閥以設(shè)定速率慢關(guān)，保證將透平驅(qū)動(dòng)機(jī)及工況控制器調(diào)整到新的工作條件下。

此外，系統(tǒng)有一純比例調(diào)節(jié)階段，該階段可獨(dú)立于正常PI控制器打開(kāi)防喘閥。當(dāng)工作點(diǎn)移到喘振控制線左方，而正常PI控制器無(wú)法提供足夠響應(yīng)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的過(guò)程失序時(shí)，則進(jìn)入該階段。亦即在控制線左方到達(dá)某一特定裕度，則打開(kāi)防喘閥，進(jìn)入該階段。當(dāng)工作點(diǎn)與喘振線重合時(shí)，防喘閥全開(kāi)。換言之，工作點(diǎn)進(jìn)入喘振控制線及喘振線之間時(shí)，防喘閥按比例打開(kāi)。該比例階段是由信號(hào)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂破鞯姆答亜?dòng)作迫使控制器輸出跟蹤該階段，可以使防喘閥獨(dú)立于控制過(guò)程而打開(kāi)，即使在喘振控制器失調(diào)情況下，此特性仍可保護(hù)機(jī)組。

5）手/自動(dòng)控制。有兩種手操控制可選：第一種為全權(quán)手操控制功能。它允許防喘閥不顧喘振控制器的作用而關(guān)閉。這種選擇在測(cè)試和設(shè)定的時(shí)候有用，但不可組態(tài)為正常操作。因?yàn)槿绻到y(tǒng)被置于手操狀態(tài)，喘振控制器將無(wú)法開(kāi)閥防喘。第二種為限權(quán)手操控制功能。這種選擇設(shè)定了一個(gè)防喘閥的最小開(kāi)度，如果控制器需要開(kāi)閥避免喘振的話，它只允許操作人員開(kāi)閥，而不允許關(guān)閥。

TRICON提供了可與調(diào)節(jié)閥同比例的線性度，因而可產(chǎn)生更為線性化的增益。當(dāng)系統(tǒng)在不同點(diǎn)而非耦合點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，則避免了任何可能的不穩(wěn)定性。

6）增加實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面和歷史趨勢(shì)畫面 。增加實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面和歷史趨勢(shì)畫面，操作員可選時(shí)間段及儀表位號(hào)。按參數(shù)的類型分成若干畫面，每畫面都有各類趨勢(shì)畫面的菜單及功能鍵，趨勢(shì)時(shí)間間隔設(shè)定，起始時(shí)間，并顯示系統(tǒng)中發(fā)生報(bào)警或聯(lián)鎖儀表的位號(hào)、名稱及發(fā)生的時(shí)間、報(bào)警或聯(lián)鎖點(diǎn)的值。

7） SOE事件順序的記錄功能，便于停車時(shí)分析事故發(fā)生的先后順序，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的記錄。

3 結(jié)束語(yǔ)

本次改造成功解決了化肥廠一化裝置五大機(jī)組汽輪機(jī)的速度控制由以前的機(jī)械調(diào)速器實(shí)現(xiàn)電子超速保護(hù)功能，壓縮機(jī)防喘振控制，由原來(lái)的DCS實(shí)現(xiàn)防喘振控制功能，改為ITCC實(shí)現(xiàn)防喘振自動(dòng)控制；所有機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)與裝置聯(lián)鎖保護(hù)共用一套ESD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；除參與防喘振控制的儀表以外，一些機(jī)組的其它過(guò)程控制參數(shù)監(jiān)控在DCS中也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視；專用機(jī)組控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控，精度及可靠性大大提高；壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)改造后采用自動(dòng)、手動(dòng)分別調(diào)節(jié)、調(diào)速功能，可以人工介入，DCS與ITCC控制的相互跟蹤，達(dá)到無(wú)擾動(dòng)切換。從工藝操作及聯(lián)鎖方面的優(yōu)化，更加能夠保護(hù)機(jī)組的安全運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)大家的共同努力，化肥廠一化五大機(jī)組調(diào)速器改造、試車一次成功，解決了長(zhǎng)期困擾工藝機(jī)組操作的難題，改造后控制系統(tǒng)操作方便、升/降速可靠，防喘振控制也有科學(xué)的依據(jù)，避免了壓縮機(jī)在工況異常變化時(shí)因喘振現(xiàn)象造成轉(zhuǎn)子的損壞，更好的保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行，為化肥廠的長(zhǎng)周期運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]CONSEN.簡(jiǎn)化Tricon設(shè)計(jì)安裝手冊(cè) [Z].北京：康吉森，2004:13-14.

[2]張克舫.汽輪機(jī)技術(shù)問(wèn)答:第三版 [M].北京：中國(guó)石化出版社，2011:135-136.