段四春，房 倩，邱 上，王藝?yán)?，崔永軍（華能北京熱電有限責(zé)任公司，北京 100023）

0 引言

某公司二拖一燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣增壓機(jī)是CAMERON公司的齒輪增速離心式增壓機(jī)，采用6KV電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配備有變頻控制柜，增壓機(jī)額定轉(zhuǎn)速2975r/min，二級(jí)壓縮，原控制系統(tǒng)采用Allen-Bradley（簡(jiǎn)稱(chēng)AB）PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)增壓機(jī)的就地操作、監(jiān)控、聯(lián)鎖保護(hù)功能。因AB PLC控制系統(tǒng)的硬件和聯(lián)鎖保護(hù)用的現(xiàn)場(chǎng)儀表均沒(méi)有按照冗余設(shè)計(jì)，自2011年12月投入運(yùn)行以來(lái)，多次因控制系統(tǒng)的DO輸出繼電器故障、控制主板或聯(lián)鎖儀表故障導(dǎo)致增壓機(jī)跳閘；再因AB PLC系統(tǒng)的開(kāi)放性較差，檢修人員的日常維護(hù)工作（如強(qiáng)制信號(hào)、邏輯檢查、主保護(hù)傳動(dòng)試驗(yàn)、邏輯下裝、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)分析等）較麻煩，運(yùn)行人員無(wú)法通過(guò)操作員站對(duì)增壓機(jī)出口參數(shù)定值進(jìn)行更改，只能通過(guò)就地的操作面板更改，而且操作及其繁瑣，無(wú)法對(duì)PLC內(nèi)部邏輯進(jìn)行查閱和實(shí)時(shí)監(jiān)視；增壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)通過(guò)PLC通訊至主機(jī)DCS系統(tǒng)的控制器，頻繁出現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)丟包，給聯(lián)合循環(huán)機(jī)組長(zhǎng)周期安全運(yùn)行帶來(lái)很大的影響。為降低工作風(fēng)險(xiǎn)，提高增壓機(jī)運(yùn)行的可靠性、安全性，更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和“一體化”控制，避免不同系統(tǒng)間的兼容風(fēng)險(xiǎn)，采用與主機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）一體化進(jìn)行增壓機(jī)控制系統(tǒng)的改造[1]。

1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及控制系統(tǒng)改造

1.1 現(xiàn)場(chǎng)儀表改造

主要是對(duì)保護(hù)聯(lián)鎖用的儀表進(jìn)行冗余化改造，通過(guò)新增測(cè)量點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)了增壓機(jī)出口壓力、出力流量以及潤(rùn)滑油溫的信號(hào)冗余；把增壓機(jī)密封用的制氮機(jī)系統(tǒng)（原為就地PLC控制），改為DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制氮機(jī)的啟動(dòng)、停止和運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控；把天然氣計(jì)量系統(tǒng)原接入SIS系統(tǒng)改為通過(guò)LC卡接入DCS系統(tǒng)。

1.2 控制系統(tǒng)改造

拆除原AB PLC控制系統(tǒng)，采用與主機(jī)控制系統(tǒng)相同的Ovation 系統(tǒng)，對(duì)控制系統(tǒng)的供電電源、控制器以及控制網(wǎng)絡(luò)、操作員站均采用冗余配置。兩臺(tái)增壓機(jī)機(jī)組的實(shí)際I/O點(diǎn)近300點(diǎn)，聯(lián)鎖保護(hù)用的冗余信號(hào)分配在不同分支的不同卡件上。改造后的系統(tǒng)配置有1臺(tái)工程師站、1臺(tái)歷史站和3臺(tái)操作站（就地2臺(tái)，集控室1臺(tái)），這是由于增壓機(jī)組離集控室較遠(yuǎn)，為了防止電纜損壞造成遠(yuǎn)方無(wú)法操作，故在增壓機(jī)組附近就地設(shè)置2臺(tái)操作員站，工程師站和歷史站設(shè)置在集控樓的工程師站房間，1臺(tái)遠(yuǎn)方操作站設(shè)置在集控室供運(yùn)行操作，中間通過(guò)冗余的光纜進(jìn)行連接。

2 增壓機(jī)控制策略?xún)?yōu)化

對(duì)增壓機(jī)進(jìn)行控制，既要滿(mǎn)足2臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組入口天然氣壓力需求，又要滿(mǎn)足啟動(dòng)控制、防喘振控制、潤(rùn)滑油泵等輔助設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)控制的功能。其中，最重要的控制是增壓機(jī)防喘振控制，因增壓機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速極高（2000r/min以上），防喘邊界線(xiàn)的確定需要設(shè)備出廠(chǎng)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)相結(jié)合，反復(fù)試驗(yàn)才能確定，原控制邏輯采用PLC控制算法塊封裝，可讀性較差，此次改造對(duì)IGV和再循環(huán)閥的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1 增壓機(jī)壓力-流量關(guān)系圖Fig.1 The pressure-flow relational graph of booster

2.1 啟動(dòng)控制

增壓機(jī)必須在滿(mǎn)足以下條件后才能允許啟動(dòng)：

1）潤(rùn)滑油溫、油壓、油位正常。

2）IGV關(guān)閉。

3）再循環(huán)開(kāi)啟。

4）軸向位移、振動(dòng)值正常。

先在DCS操作界面選擇工頻啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)，再點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕并確認(rèn)后，向電氣控制柜發(fā)出合閘命令。

2.2 增壓機(jī)入口閥門(mén)控制

用來(lái)阻止增壓機(jī)停運(yùn)時(shí)氣體流入增壓機(jī)。當(dāng)增壓機(jī)不運(yùn)行時(shí)，它是關(guān)閉的；當(dāng)增壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，它是打開(kāi)的。為防止增壓機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中“憋壓”，啟動(dòng)指令發(fā)出并且出口門(mén)開(kāi)啟后，再開(kāi)啟入口門(mén)。

2.3 增壓機(jī)出口閥門(mén)控制

其作用是將增壓機(jī)與旁路氣源隔離。當(dāng)增壓機(jī)不運(yùn)行時(shí)，它是關(guān)閉的；當(dāng)增壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，它是打開(kāi)的。

2.4 出口排放閥控制

其目的是在超壓情況下，將氣體排放到安全的位置。當(dāng)出現(xiàn)以下4種不同的情況時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開(kāi)。其余時(shí)間，排氣閥關(guān)閉。

1）如果出口壓力超過(guò)給定的設(shè)定點(diǎn)。

2）運(yùn)行時(shí)，如果入口壓力超過(guò)給定的設(shè)定點(diǎn)。

3）在“啟動(dòng)”階段，如果入口壓力超過(guò)給定的設(shè)定點(diǎn)。

4）運(yùn)行中，入口壓力高且增壓機(jī)振動(dòng)超過(guò)報(bào)警值，開(kāi)啟2s，泄放氣體。

2.5 防喘振控制

2.5.1 防喘控制原理

產(chǎn)生增壓機(jī)喘振的原因是由于在一定壓力下，空氣流過(guò)增壓機(jī)的流量太低。在這種情況下，氣流會(huì)在動(dòng)葉片上出現(xiàn)分離，出口壓力下降，氣體在增壓機(jī)內(nèi)反方向流動(dòng)。因增壓機(jī)轉(zhuǎn)速非常高，重復(fù)性的喘振會(huì)造成葉片過(guò)熱并且導(dǎo)致增壓機(jī)本體嚴(yán)重?fù)p壞。

圖1顯示了增壓機(jī)的壓力和流量的關(guān)系。在啟動(dòng)時(shí)，增壓機(jī)開(kāi)始產(chǎn)生流量，運(yùn)行點(diǎn)將跟隨橫軸移動(dòng)，直到過(guò)程開(kāi)始產(chǎn)生背壓。運(yùn)行曲線(xiàn)根據(jù)IGV的設(shè)置和工藝要求變化，而運(yùn)行點(diǎn)跟隨運(yùn)行曲線(xiàn)向上移動(dòng)。這條曲線(xiàn)表明：隨著壓力的增加，流量也會(huì)相應(yīng)減少。如果不加控制，壓力就會(huì)增加，流量就會(huì)減少，直到增壓機(jī)喘振。圖1中的點(diǎn)代表增壓機(jī)容易發(fā)生喘振所在的點(diǎn)，通過(guò)四點(diǎn)來(lái)定位最后的喘振走向圖。通過(guò)圖1可以判斷出，在曲線(xiàn)的左上方區(qū)域?yàn)榇竦陌l(fā)生區(qū)域，在右下方為增壓機(jī)正常的運(yùn)行區(qū)域[2]。

2.5.2 增壓機(jī)入口導(dǎo)葉（IGV）控制策略

IGV控制分為防電機(jī)過(guò)載控制回路和出口壓力控制回路。防電機(jī)過(guò)載控制主要的目的是為了保護(hù)電機(jī)，防止電機(jī)電流過(guò)載。當(dāng)電機(jī)電流大于過(guò)載電流時(shí)，關(guān)小IGV，降低增壓機(jī)出力，減少電動(dòng)機(jī)電流。增壓機(jī)出口壓力控制是通過(guò)調(diào)節(jié)IGV開(kāi)度，保證增壓機(jī)出口壓力設(shè)定。即：當(dāng)增壓機(jī)出口壓力小于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)IGV；當(dāng)增壓機(jī)出口壓力大于設(shè)定值時(shí)，關(guān)小IGV。IGV的開(kāi)度指令應(yīng)為上述兩種控制方式的最小值。

2.5.3 增壓機(jī)再循環(huán)閥控制策略

再循環(huán)閥的作用是為了建立和釋放增壓機(jī)出口壓力。在增壓機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，有兩個(gè)控制回路，分別是增壓機(jī)出口壓力釋放回路和防喘控制回路。增壓機(jī)出口壓力釋放回路是為了保證增壓機(jī)工作安全性，設(shè)定值是建立在增壓機(jī)安全運(yùn)行前提下而定的，其出口設(shè)定值要高于IGV對(duì)應(yīng)的出口壓力設(shè)定值。在增壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，為保證增壓機(jī)出口建立壓力，允許再循環(huán)閥關(guān)閉。如果增壓機(jī)出口壓力超過(guò)設(shè)定值，再循環(huán)閥將開(kāi)啟釋放增壓機(jī)出口壓力。防喘控制回路是為了保證增壓機(jī)運(yùn)行工況在安全運(yùn)行區(qū)間，主要是實(shí)時(shí)計(jì)算增壓機(jī)所需要體積流量Q/轉(zhuǎn)速N的喘振點(diǎn)值（Q/N）。為了增加安全裕度，增加防喘偏置，即：Q/N+偏置，作為設(shè)定值。在增壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際的Q/N值。如果Q/N值低于設(shè)定值，開(kāi)啟再循環(huán)閥，增加增壓機(jī)流量，使其遠(yuǎn)離防喘邊界；增壓機(jī)運(yùn)行時(shí)再循環(huán)閥控制邏輯的兩個(gè)PID回路（出口壓力控制和Q/N防喘控制）實(shí)時(shí)計(jì)算后取大值，既防喘控制優(yōu)先。

2.6 聯(lián)鎖停機(jī)控制

由于增壓機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，增壓機(jī)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)較高如軸向位移等，無(wú)法滿(mǎn)足啟動(dòng)要求，因而增壓機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)定值采用分段式設(shè)計(jì)。根據(jù)增壓機(jī)所處的不同階段，分為啟動(dòng)過(guò)程保護(hù)聯(lián)鎖定值和運(yùn)行過(guò)程中的保護(hù)聯(lián)鎖定值，并進(jìn)行自動(dòng)切換。

2.7 手動(dòng)停增壓機(jī)控制

本次改造后，有以下3種方式進(jìn)行手動(dòng)停增壓機(jī)。

1）正常停增壓機(jī)：在操作界面上逐步關(guān)小IGV，再循環(huán)自動(dòng)開(kāi)啟，達(dá)到預(yù)定位置后，按下增壓機(jī)停止按鈕并確認(rèn)后執(zhí)行增壓機(jī)停止程序。

2）DCS緊急停機(jī)：在操作界面上按下DCS緊急停增壓機(jī)按鈕并確認(rèn)后，立即執(zhí)行停止增壓機(jī)指令。

3）現(xiàn)場(chǎng)緊急停增壓機(jī)：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)緊急情況或DCS停增壓機(jī)功能失效時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)控制柜按下“緊急停止”按鈕，直接動(dòng)作去停止增壓機(jī)的電機(jī)。

2.8 甩負(fù)荷控制

當(dāng)控制系統(tǒng)接收到由于燃?xì)廨啓C(jī)跳閘或過(guò)程中的其他流量減少而沒(méi)有使用壓縮氣體的信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生甩負(fù)荷現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，增壓機(jī)速度將降至最低運(yùn)行值。IGV和循環(huán)閥將被調(diào)整到預(yù)設(shè)位置以快速減少流量。一旦IGV和再循環(huán)閥到達(dá)這些預(yù)設(shè)位置，它們將繼續(xù)自動(dòng)進(jìn)行正常PID控制，可在不引起增壓機(jī)喘振或跳閘的情況下自動(dòng)調(diào)整IGV及再循環(huán)閥以滿(mǎn)足用戶(hù)側(cè)需求。

2.9 電動(dòng)輔助潤(rùn)滑油泵控制

增壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)電動(dòng)輔助潤(rùn)滑油泵有兩種用途：一是軸驅(qū)動(dòng)主油泵在運(yùn)行過(guò)程中的安全后備，二是在軸驅(qū)動(dòng)油泵不能提供適當(dāng)潤(rùn)滑的情況下，在啟動(dòng)過(guò)程中為齒輪箱供油。

在增壓機(jī)“運(yùn)行”狀態(tài)期間，正常情況下，軸驅(qū)動(dòng)的主油泵為齒輪箱提供足夠的潤(rùn)滑。但是，如果主油壓力下降到報(bào)警設(shè)定值【＜1.2bar】以下，電動(dòng)輔助潤(rùn)滑油泵將自動(dòng)啟動(dòng)，以提供額外的油壓。直到收到復(fù)位信號(hào)【油壓＞1.6bar】，電動(dòng)輔助潤(rùn)滑油泵將自動(dòng)停止。如果低油壓報(bào)警器返回，電動(dòng)輔助潤(rùn)滑泵將重新自動(dòng)啟動(dòng)。

當(dāng)電動(dòng)輔助潤(rùn)滑油泵處于自動(dòng)且油位處于適當(dāng)?shù)乃健居臀唬?50mm】時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)輔助油泵和排煙風(fēng)機(jī)。

2.10 油加熱器控制

油加熱器的設(shè)計(jì)目的是在任何時(shí)候都保持最低的油溫。油加熱器是一個(gè)整體安裝的加熱器，它包含自己的集成恒溫器，該溫控器設(shè)置為26.6℃。內(nèi)部恒溫器測(cè)量溫度，并在油溫低于設(shè)定值【油溫＜26.6℃】時(shí)啟動(dòng)，油溫高于設(shè)定值【油溫＞31℃】時(shí)停止。

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)確保油加熱器在低油位（或系統(tǒng)中無(wú)油）時(shí)不會(huì)啟動(dòng)。因此，控制系統(tǒng)邏輯將設(shè)計(jì)閉鎖條件，只有當(dāng)油位處于適當(dāng)?shù)乃健居臀唬?50mm】時(shí)，才能為油加熱器提供動(dòng)力，可防止油加熱器在系統(tǒng)中無(wú)油時(shí)加熱。

3 監(jiān)視和控制

控制系統(tǒng)改造后的人-機(jī)界面非常符合運(yùn)行操作習(xí)慣，操作簡(jiǎn)單，大幅減少了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和誤操作的可能。運(yùn)行人員根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)組負(fù)荷變化可隨時(shí)修改增壓機(jī)出口壓力設(shè)定值，如燃?xì)鈾C(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)所配備的燃?xì)鈮毫刂崎y會(huì)關(guān)小以控制燃燒器入口壓力，此時(shí)可降低增壓機(jī)出口壓力設(shè)定值，使增壓機(jī)IGV關(guān)小以達(dá)到減少增壓機(jī)電能消耗目的，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)壓力控制閥會(huì)適當(dāng)開(kāi)大，減少壓力控制閥的節(jié)流損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)外方技術(shù)員支持下，自主研究原AB PLC相關(guān)控制算法（為了保密，外方采用功能塊封裝技術(shù)），并利用DCS系統(tǒng)仿真技術(shù)，多次模擬，采用新型增壓機(jī)喘振控制偏置PID回路控制技術(shù)來(lái)防止增壓機(jī)喘振，改造后增壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了全程一鍵啟停和自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了與主機(jī)一體化控制，便于監(jiān)控，是進(jìn)口成套設(shè)備控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中的一次有效探索。本次改造達(dá)到了預(yù)期目的，具有很好的示范效應(yīng)和推廣價(jià)值。