張 成，代曉鵬

(新疆中能萬源化工分公司，安徽臨泉 236400)

新疆中能萬源化工有限公司(以下簡稱新疆中能)400 kt/a合成氨、600 kt/a尿素裝置中的合成氣壓縮機(jī)組、氨冰機(jī)組、CO2壓縮機(jī)組等是2013年從九江石化拆遷過來的，3套壓縮機(jī)組均是1993年生產(chǎn)制造的。以合成氣壓縮機(jī)為例概述對舊設(shè)備的改造利用，該壓縮機(jī)拆遷過來后所用控制系統(tǒng)為日本橫河就地控制系統(tǒng)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了自動化生產(chǎn)的需要。為此，新疆中能一方面優(yōu)化現(xiàn)場儀表的測量，另一方面對該壓縮機(jī)的控制進(jìn)行了升級改造，選用了國產(chǎn)的和利時(shí)T880高端透平壓縮機(jī)一體化控制系統(tǒng)。該汽輪機(jī)拖動壓縮機(jī)的主要控制內(nèi)容有聯(lián)鎖停車邏輯、啟動允許邏輯、汽輪機(jī)速度控制、壓縮機(jī)防喘振控制與保護(hù)、多回路協(xié)調(diào)控制與解耦控制等，技術(shù)人員克服了在舊壓縮機(jī)組改造過程中遇到的困難，目前該合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行較果較好。

1 改進(jìn)現(xiàn)場儀表測量，提高儀表的穩(wěn)定性

由于該合成氣機(jī)組是拆遷的舊機(jī)組，在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中很多測溫點(diǎn)存在問題：①部分測溫點(diǎn)內(nèi)部線纜磨損，造成測溫點(diǎn)損壞。測溫點(diǎn)損壞后，一方面該點(diǎn)測量無法顯示，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來很大隱患；另一方面，如果是單點(diǎn)聯(lián)鎖的儀表，易引發(fā)機(jī)組跳車，造成部分裝置的跳車。②測溫點(diǎn)探頭固定不合理，造成了測溫點(diǎn)探頭的損壞，增加了儀表的故障率。針對上述2個(gè)問題，進(jìn)行了相應(yīng)的改造。

(1)對于測溫點(diǎn)內(nèi)部存在線纜磨損的，重新對測溫線路走向進(jìn)行布局，原先熱電阻的引線在推力瓦軸瓦與推力瓦護(hù)罩之間，推力瓦護(hù)罩內(nèi)導(dǎo)線槽窄小，而熱電阻的引線是順著導(dǎo)線槽布局的，使熱電阻的引線無法固定，易造成引線磨損，現(xiàn)改為在推力瓦擋油環(huán)側(cè)面開缺口，并且有一定的坡度，使得熱電阻的引線順著切開的部位，從擋油環(huán)外側(cè)布線；同時(shí)，在擋油環(huán)上開口攻絲，用螺釘和卡箍固定測溫引線，解決了測溫點(diǎn)內(nèi)部線纜磨損的問題。

(2)對于測溫點(diǎn)探頭固定不合理，經(jīng)分析認(rèn)為：①軸瓦測溫點(diǎn)填裝孔較淺且探頭插入無固定，易從填裝孔脫落，造成軸瓦溫度測量不準(zhǔn)，并且探頭脫落極易和瓦塊發(fā)生摩擦，使測量的軸瓦溫度失真，同時(shí)造成探頭和瓦塊的磨損。對瓦塊填裝孔進(jìn)行了改造，填裝孔直徑由原來的2.5 mm 擴(kuò)大至3.2 mm，深度由15 mm加大至18 mm，使探頭插入深度更合理。②推力瓦的瓦塊振動頻率高，造成電阻頭引線與瓦塊之間的摩擦增大，極易造成電阻頭引線磨損，使得阻值變化，引起測量不穩(wěn)甚至損壞，在探頭后部的延長線外裝黃蠟套管,以減少瓦塊邊緣對線體磨損，再用102膠對填裝孔進(jìn)行填充,使探頭固定在瓦塊內(nèi)，這樣溫度探頭不會脫落，降低了故障發(fā)生率。③對于單點(diǎn)聯(lián)鎖的儀表測溫點(diǎn)，在現(xiàn)場進(jìn)行了增加開孔，并在機(jī)組的控制邏輯中進(jìn)行了改進(jìn)。

通過上述改進(jìn)，現(xiàn)場儀表測溫點(diǎn)故障率大大降低，為裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

2 改進(jìn)邏輯控制方案，保障設(shè)備的長周期穩(wěn)定運(yùn)行

該合成氣機(jī)組從九江石化拆遷過來后，儀表原始資料缺失較多，未有邏輯組態(tài)資料和各種接線說明，給機(jī)組的改造帶來了很大難度。為解決此問題，新疆中能項(xiàng)目組技術(shù)人員根據(jù)檢修時(shí)掌握的該合成氣壓縮機(jī)組的測點(diǎn)配置和控制情況，初步定下了機(jī)組的邏輯控制。

裝置開車運(yùn)行后，為提高機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間、減少跳車次數(shù)，在現(xiàn)場對單點(diǎn)聯(lián)鎖的儀表點(diǎn)進(jìn)行了測點(diǎn)增加，同時(shí)在跳車聯(lián)鎖邏輯中將部分單點(diǎn)聯(lián)鎖跳車改為了二選二聯(lián)鎖跳車。改進(jìn)后，有效減少了因儀表測點(diǎn)造成的損失，杜絕了因儀表出現(xiàn)假數(shù)據(jù)而造成的機(jī)組跳車。

3 優(yōu)化控制方案，提高資源的利用率

3.1 優(yōu)化機(jī)組調(diào)速控制，并投入抽汽控制

由于蒸汽管網(wǎng)內(nèi)所需要的0.6 MPa蒸汽較多，而傳統(tǒng)的0.6 MPa蒸汽是將鍋爐10 MPa的蒸汽經(jīng)減溫減壓得到，這樣就造成了資源的極大浪費(fèi)。從九江石化拆遷的合成氣壓縮機(jī)組帶有抽汽控制，而該機(jī)組按性能設(shè)計(jì)計(jì)算，抽出的蒸汽壓力約0.7 MPa，可以并入蒸汽網(wǎng)管內(nèi)。因此，提升自動化控制能力，可提高資源的轉(zhuǎn)換利用。機(jī)組的速度控制器面板、抽汽控制器面板示意見圖1和圖2。

圖1 速度控制器面板示意

圖2 抽汽控制器面板示意

在優(yōu)化控制的過程中，對該機(jī)組的抽汽壓力、抽汽溫度、抽汽流量等三大重要測量參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證測量的準(zhǔn)確性，為低調(diào)門抽汽控制提供可靠的測量參數(shù)，然后對低調(diào)門進(jìn)行了校準(zhǔn)，確保低調(diào)門動作及時(shí)、控制精細(xì)。對該機(jī)組的調(diào)速控制進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)工藝操作、顯示面板簡單明了。顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、設(shè)定轉(zhuǎn)速、閥門開度輸出、實(shí)際控制模式的工作狀態(tài)等，控制按鍵包括ESD、復(fù)位、暖機(jī)1、暖機(jī)2、啟動、停透平、超速實(shí)驗(yàn)等(見圖1)。

(2)具有開環(huán)啟動與沖高回落功能，且設(shè)置方便。速度控制器啟動后，處于自動開環(huán)啟動狀態(tài)，實(shí)際控制模式顯示為自動開環(huán)啟動(見圖2)。速度控制器輸出OUT值將以每秒鐘1%的開環(huán)升速率開調(diào)速閥，當(dāng)輸出OUT值到達(dá)14%(約20 s)時(shí)，輸出保持在14%。在開環(huán)啟動過程中，轉(zhuǎn)速PV值達(dá)到300，調(diào)速PID立即自動接管(無論輸出OUT值是否達(dá)到20，都將執(zhí)行PID接管)，輸出OUT值立即變?yōu)镻ID初始接管輸出7%，調(diào)速PID根據(jù)轉(zhuǎn)速SP值與PV值之差，自動調(diào)整調(diào)速汽門開度。如果在延時(shí)時(shí)間60 s內(nèi)，轉(zhuǎn)速PV仍未達(dá)到最小控制轉(zhuǎn)速，則調(diào)速器關(guān)閉，實(shí)際控制模式顯示變?yōu)镋SD/啟動不具備狀態(tài)，保障了機(jī)組安全啟動。

(3)自動暖機(jī)和半自動暖機(jī)切換靈活，操作人員可以在暖機(jī)狀態(tài)下，根據(jù)工藝狀況靈活地進(jìn)行操作。

(4)為節(jié)約能源，進(jìn)行了抽汽控制方面的優(yōu)化。改進(jìn)后，操作人員在合成氣壓縮機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速、運(yùn)行平穩(wěn)后，逐漸關(guān)閉低調(diào)門，將抽汽壓力控制在0.7 MPa左右，然后將抽汽控制投入自動，進(jìn)行自調(diào)，這樣既得到了0.7 MPa蒸汽，節(jié)省了消耗，又能使速度控制器和抽汽控制有效進(jìn)行自動控制，最大限度地減輕人員的勞動強(qiáng)度。

3.2 防喘振采用快速階梯響應(yīng)、變送器故障與退守策略等先進(jìn)算法

機(jī)組防喘振的良好運(yùn)行是保障壓縮機(jī)安全、工藝平穩(wěn)與優(yōu)化運(yùn)行的核心。傳統(tǒng)的防喘振控制采用簡單的PID和簡單的補(bǔ)償算法，一是不能有效補(bǔ)償入口壓力Ps、入口溫度Ts、相對分子質(zhì)量Mv變化等對喘振極限線SLL、喘振控制線SCL和運(yùn)行點(diǎn)造成的影響；二是一旦發(fā)生喘振，需要將自動改為手動，否則在自動模式中將會發(fā)生發(fā)散振蕩；三是很多現(xiàn)場閥門長期回流/放空，會造成巨大的能源浪費(fèi)。合成氣機(jī)組經(jīng)改造后，徹底解決了上述問題和不足。

(1)自動啟動與加載

防喘振控制器具有自動啟動與加載功能，當(dāng)機(jī)組控制系統(tǒng)檢測到自動啟動與加載條件成立，則防喘振控制器輸出根據(jù)組態(tài)的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行斜坡慢關(guān)，防喘振閥門逐漸關(guān)閉，使壓縮機(jī)逐漸進(jìn)入加載狀態(tài)[1-2]。在加載過程中，防喘振控制器持續(xù)檢測運(yùn)行點(diǎn)與喘振控制線之間的距離，并進(jìn)行必要的控制與保護(hù)，保證加載過程平穩(wěn)進(jìn)行，最大限度地提高壓縮機(jī)組的開車工藝操作水平。防喘振控制器面板示意見圖3。

圖3 防喘振控制器面板示意

(2)防喘振控制與保護(hù)

防喘振控制與保護(hù)功能的主要目的是避免壓縮機(jī)因發(fā)生喘振對設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞和對工藝操作造成巨大的擾動。防喘振控制采用先進(jìn)的基于無關(guān)坐標(biāo)算法，即用于壓縮機(jī)控制的喘振極限線SLL的計(jì)算與氣體相對分子質(zhì)量Mw、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口氣體比熱比Ks和入口氣體壓縮因子Zs等無關(guān)，只與壓縮機(jī)本身的內(nèi)部機(jī)械構(gòu)造有關(guān)。使用無關(guān)坐標(biāo)系算法得到歸一化的壓縮機(jī)喘振極限線，防喘振控制算法采用基于無關(guān)坐標(biāo)系的5條計(jì)算控制曲線(見圖4)，結(jié)合了閉環(huán)主PI控制響應(yīng)和開環(huán)階梯保護(hù)響應(yīng)，使得壓縮機(jī)在運(yùn)行中無論是遇到一次緩慢的降負(fù)荷過程擾動，還是遇到由于工藝設(shè)備異常工況造成的劇烈擾動，都能夠迅速、準(zhǔn)確地增加壓縮機(jī)的流量、保護(hù)壓縮機(jī)始終工作在安全區(qū)域[3-4]。同時(shí)，由于采用先進(jìn)準(zhǔn)確的基于無關(guān)坐標(biāo)系的防喘振控制算法，使得壓縮機(jī)的回流流量或放空流量保持在最低水平，從而降低了能量消耗。

圖4 防喘振控制算法得到的控制曲線

(3)操作模式的切換與退守策略

防喘振控制器有自動、軟手動和硬手動等3種操作模式，能滿足不同運(yùn)行工況下的控制需求，3種控制方式可無擾動進(jìn)行切換。在自動運(yùn)行模式下，防喘振控制器自動檢測運(yùn)行點(diǎn)與各條控制線之間的距離和位置關(guān)系，從而自動進(jìn)行必要的防喘振控制與保護(hù)動作；在軟手動操作模式下，操作員可手動控制防喘振閥門的開度，可人工調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，在軟手動模式下，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)碰觸快開線FOL時(shí)，防喘振控制器由手動運(yùn)行模式自動切換到自動運(yùn)行模式，保證了壓縮機(jī)的安全運(yùn)行；在硬手動操作模式下，不論運(yùn)行點(diǎn)在什么位置，硬手動操作相當(dāng)于完全解除了防喘振控制與保護(hù)功能，硬手動的操作是當(dāng)防喘振控制器檢測到變送器故障并執(zhí)行輸出凍結(jié)而自動觸發(fā)的。變送器故障的退守策略，最大限度地保障了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免因防喘振測點(diǎn)儀表故障而造成不必要的停車。

以基于無關(guān)坐標(biāo)系的變工況算法和防喘振控制技術(shù)，突破了多年來傳統(tǒng)使用的固定工況壓縮機(jī)的防喘振算法，將壓縮機(jī)的控制提到了全新的高度，為壓縮機(jī)優(yōu)化運(yùn)行帶來了切實(shí)的好處，機(jī)組自動投入運(yùn)行以來，運(yùn)行狀況良好，既降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，又提高了資源的利用率。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)因?yàn)楹铣蓺鈮嚎s機(jī)儀表點(diǎn)誤跳車，1次開、停車需要費(fèi)用14萬元，按1年減少2次聯(lián)鎖點(diǎn)誤跳車計(jì)算，則每年可節(jié)約費(fèi)用28萬元。

(2)合成氣壓縮機(jī)投抽汽后，可節(jié)約低壓蒸汽13 t/h，按低壓蒸汽40元/t、高壓蒸汽80元/t、有效生產(chǎn)時(shí)間340 d計(jì)，則每年可節(jié)約成本424.32萬元。

(3)現(xiàn)場儀表測溫點(diǎn)改進(jìn)后，減少了測溫點(diǎn)的損壞，按每個(gè)測溫點(diǎn)2 000元計(jì)算，每年少損壞10個(gè)點(diǎn)，則每年可以節(jié)約費(fèi)用2萬元。

(4)每年節(jié)約成本合計(jì)454.32萬元。

5 結(jié)語

目前，已將該改進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到新疆中能氨壓縮機(jī)組、二氧化碳壓縮機(jī)組中。該技術(shù)應(yīng)用后，一方面減少了因機(jī)組儀表點(diǎn)本體故障造成的機(jī)組誤停車，延長了現(xiàn)場儀表的使用壽命；另一方面，優(yōu)化機(jī)組邏輯控制系統(tǒng)后，減少了裝置的聯(lián)鎖誤跳車次數(shù)，提高了自動化控制能力，方便操作。同時(shí)，機(jī)組投抽汽后，提高了蒸汽利用率，節(jié)約了能源，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。