離心式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)改造

左國兵

(中國石化股份有限公司巴陵石化分公司 煉油事業(yè)部，湖南 岳陽 414014)

離心式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)改造

左國兵

(中國石化股份有限公司巴陵石化分公司 煉油事業(yè)部，湖南 岳陽 414014)

為解決離心式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)故障頻發(fā)、聯(lián)鎖非冗余設(shè)計、操作不便等問題，采用DCS進(jìn)行壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了電源、控制卡件、通信網(wǎng)絡(luò)以及聯(lián)鎖的冗余配置。對離心式壓縮機(jī)的起動控制、升壓控制、恒壓控制、防喘振控制、卸載控制、聯(lián)鎖控制、手動停機(jī)控制以及輔助油泵的控制等控制原理和實現(xiàn)方法進(jìn)行了說明。改造后大幅減少了因控制系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的機(jī)組跳車機(jī)率，實現(xiàn)了壓縮機(jī)的穩(wěn)定運行，完善了監(jiān)控功能，簡化了機(jī)組操作。

壓縮機(jī) 分散控制系統(tǒng) 防喘振 聯(lián)鎖

某公司0.11 Mt/a環(huán)己酮裝置配套的空壓機(jī)是美國Copper公司的TA11000型離心式壓縮機(jī)，采用10 kV電機(jī)驅(qū)動，最大排氣量為1.8×104m3/h，四級壓縮，最大排氣壓力為1.45 MPa，采用廠家自有的MLM控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)組的本地操作、監(jiān)控和保護(hù)功能。由于控制系統(tǒng)硬件和機(jī)載聯(lián)鎖均為非冗余設(shè)計，自2005年投用以來，多次因主板或聯(lián)鎖儀表故障導(dǎo)致機(jī)組跳車，給長周期安全生產(chǎn)帶來很大的影響下，經(jīng)濟(jì)損失較大。MLM控制系統(tǒng)停產(chǎn)后，Cooper公司推出的MU控制系統(tǒng)也未解決上述問題[1]，而DCS硬件的冗余配置和豐富的軟件編程功能可有效地解決該問題，所以采用DCS來完成該壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的改造。

1 儀表及控制系統(tǒng)改造

1.1 現(xiàn)場儀表改造

現(xiàn)場儀表的改造主要是機(jī)載聯(lián)鎖儀表的冗余改造，通過新增測量點的方式實現(xiàn)了油溫、油壓、電流以及1～4級振動的信號冗余；同時把入口導(dǎo)葉(IGV)的電機(jī)驅(qū)動方式改造為氣動驅(qū)動方式，大幅提高了IGV的控制精度和可靠性。

1.2 控制系統(tǒng)改造

改造后控制系統(tǒng)采用Centum VP 系統(tǒng)，系統(tǒng)的電源、CPU、I/O卡件以及控制網(wǎng)絡(luò)均采用全冗余配置，壓縮機(jī)實際I/O點共46個，冗余的聯(lián)鎖儀表分配在不同的卡件上；系統(tǒng)配置1臺含監(jiān)視功能的工程師站和1臺操作站。由于機(jī)組離中心控制室較遠(yuǎn)，故控制柜和工程師站設(shè)置在機(jī)組附近，操作站設(shè)置在遠(yuǎn)端中心控制室，中間通過冗余的光纜進(jìn)行連接。系統(tǒng)掃描周期為200 ms，實踐證明能滿足機(jī)組控制要求，實際運行時，CPU每分鐘空閑時間為51 s，運行負(fù)荷較小[2]。

2 離心式壓縮機(jī)控制改造

壓縮機(jī)最基本也最重要的功能是恒壓控制，其余的功能如起動控制、防喘振控制、卸載控制、聯(lián)鎖保護(hù)控制等均是為了機(jī)組的運行安全而設(shè)置，其中難度最大的就是防喘振控制的實現(xiàn)[3]。

2.1 起動控制

離心式壓縮機(jī)在起動前有嚴(yán)格的確認(rèn)手續(xù)，冷卻水、儀表風(fēng)、供電等外圍情況由人工確認(rèn)；油溫、油壓、電機(jī)溫度、振動、IGV和離心式壓縮機(jī)排放閥(BOV)開度等由系統(tǒng)自動判斷。以上條件全部滿足，機(jī)組才允許起動。

在DCS操作界面點擊起動按鈕并確認(rèn)后，向電氣發(fā)出合閘命令。機(jī)組起動完畢后將自動進(jìn)入卸載運行模式，等待加載命令。

2.2 升壓控制

在壓縮機(jī)向裝置送氣之前，需要將機(jī)組排氣壓力提升，比系統(tǒng)背壓略高后才能送氣。為實現(xiàn)機(jī)組升壓過程的平穩(wěn)，并在升壓過程中遠(yuǎn)離喘振區(qū)運行，需確保IGV有足夠的開度，系統(tǒng)采用了分區(qū)階梯式升壓方式，控制區(qū)間數(shù)據(jù)見表1所列。升壓過程按照最高目標(biāo)壓力分為N個區(qū)間，每個區(qū)間均有1個對應(yīng)的IGV開度值，當(dāng)目標(biāo)壓力設(shè)定值在同一區(qū)間內(nèi)變化時，IGV保持不動，僅由BOV自控調(diào)壓；當(dāng)目標(biāo)壓力改變到下一梯度區(qū)間時，先將BOV壓控切手動，再置IGV對應(yīng)開度，最后再將BOV壓控切自動穩(wěn)壓，以此類推直到升至目標(biāo)壓力，升壓過程中閥門的所有動作均由程序控制，不需要人為操作。當(dāng)目標(biāo)壓力跨區(qū)設(shè)定時，系統(tǒng)會自動識別并逐區(qū)動作，因此在實際操作時可直接設(shè)定最終目標(biāo)壓力來實現(xiàn)一鍵加載升壓。

表1 階梯升壓控制區(qū)間數(shù)據(jù)

不同目標(biāo)壓力下，IGV開度大小需要在實踐中獲得，IGV開度過小時電流偏小，可能離喘振區(qū)太近，易導(dǎo)致機(jī)組運行不安全；IGV開度過大時BOV放空也會過大，導(dǎo)致機(jī)組運行不節(jié)能。綜合安全運行與節(jié)能的考慮，建議壓縮機(jī)在升壓過程中，各壓力點的運行電流與防喘電流偏差控制在額定電流的5%左右。

2.3 恒壓控制

在正常生產(chǎn)中，需要壓縮機(jī)提供壓力恒定的空氣，但在實際運行中因氣溫、氣壓、空氣濕度、生產(chǎn)負(fù)荷等因素的變化，會導(dǎo)致壓力的小幅波動，因此需設(shè)置恒壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)手段是采用控制IGV和BOV的開度來實現(xiàn)。具體過程如下:

1) 實際壓力小于目標(biāo)壓力。BOV未全關(guān)時，先由控制系統(tǒng)關(guān)閉BOV，若BOV全關(guān)后系統(tǒng)壓力仍小于目標(biāo)壓力，則開始打開IGV升壓直至穩(wěn)定。一旦BOV完全關(guān)閉后，為實現(xiàn)機(jī)組的節(jié)能和穩(wěn)定運行，系統(tǒng)壓力小幅波動時，盡量由IGV進(jìn)行調(diào)節(jié)，不要輕易打開BOV泄壓，所以當(dāng)BOV在關(guān)閉時應(yīng)將目標(biāo)壓力值在當(dāng)前設(shè)定值的基礎(chǔ)上上浮15 kPa，目的是避免系統(tǒng)壓力小幅升高時輕易打開BOV，會導(dǎo)致系統(tǒng)擾動。

2) 實際壓力大于目標(biāo)壓力。BOV全關(guān)時，當(dāng)實際壓力大于目標(biāo)壓力且差值小于15 kPa時，則關(guān)閉IGV降壓，當(dāng)實際壓力大于目標(biāo)壓力且差值大于15 kPa時，IGV壓控切手控保持當(dāng)前開度，同時取消BOV的目標(biāo)壓力上浮的15 kPa，使BOV壓控的測量值和目標(biāo)壓力值偏差大于15 kPa，將立即開閥降壓直至穩(wěn)定。

2.4 防喘振控制

喘振是離心式壓縮機(jī)特有的不正常運行工況，壓縮機(jī)運行過程中由于操作不當(dāng)或生產(chǎn)裝置用氣量驟減導(dǎo)致出現(xiàn)高壓力、小電流即小流量的情況時，極可能導(dǎo)致空壓機(jī)發(fā)生喘振，嚴(yán)重時損壞機(jī)組。

2.4.1防喘控制原理

機(jī)組防喘振保護(hù)采用“排氣壓力-電流”的模式，如如圖1所示，根據(jù)機(jī)組的實測喘振點繪出1條斜線，作為實際喘振線，壓縮機(jī)工作點一旦進(jìn)入喘振區(qū)將發(fā)生喘振。由于喘振發(fā)生得非?？?，因而在喘振線右側(cè)設(shè)定1條防喘振線，壓縮機(jī)工作點到達(dá)防喘振區(qū)時BOV將大幅度打開泄壓，從而使壓縮機(jī)出口壓力降低，增大電流和流量，使工作點遠(yuǎn)離喘振區(qū)，避免壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)[4-5]。

圖1 “排氣壓力-電流”防喘振控制示意

喘振線到防喘振線的偏移量設(shè)置很關(guān)鍵，需在開車過程中試驗摸索，該偏移量越小，放空閥打開的機(jī)會就越少，但工作點也越容易進(jìn)入喘振區(qū)；該偏移量越大，放空閥打開的機(jī)會就越大，但越能保證機(jī)組的安全，但會壓縮正常工作區(qū)間。一般情況下，控制在額定電流的6%左右，該機(jī)組的額定電流為175 A，所以防喘振線在喘振線的基礎(chǔ)上向右偏移10 A，基本上能兼顧安全運行和節(jié)能運行的需要。

2.4.2IGV控制策略

IGV控制原理如圖2所示。

圖2 IGV控制原理

1) 程序給定開度。在階梯升壓過程中由程序直接控制IGV的開度。

2) 排氣壓力控制器?？刂茩C(jī)組的排壓控制，可切手動控制。

3) 額定電流控制器。機(jī)組運行中一旦超過額定電流，IGV保持在最大電流時的開度，防止主電機(jī)過載，模式強制在自動模式。

4) IGV最小開度。在壓縮機(jī)不同的運行階段IGV有不同的最小開度，在壓縮機(jī)卸載運行時IGV有10%左右的最小開度，正常運行時IGV最小開度為58%以上，都是確保壓縮機(jī)運行時有足夠的空氣流量，遠(yuǎn)離喘振區(qū)運行。

前3個模塊的輸出經(jīng)過低選器后和IGV最小開度模塊的輸出經(jīng)過計算后去控制IGV的開度，為確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，IGV打開和關(guān)閉均限速為1%/s，實現(xiàn)IGV的“慢開慢關(guān)”控制[6]。

2.4.3BOV控制策略

1) 壓力控制器。目標(biāo)壓力設(shè)定值由機(jī)組目標(biāo)壓力和放空閥的開度決定:當(dāng)放空閥沒有全關(guān)時目標(biāo)壓力設(shè)定值等于機(jī)組目標(biāo)壓力，當(dāng)放空閥全關(guān)時目標(biāo)壓力設(shè)定值等于機(jī)組目標(biāo)壓力加15 kPa的上浮值?？汕惺謩涌刂?。

2) 防喘電流調(diào)節(jié)器。模式強制在自動模式，不允許切手動；目標(biāo)壓力設(shè)定值為當(dāng)前壓力下對應(yīng)的防喘電流。

上述2個模塊的輸出經(jīng)過高選器后按照速率控制器的要求去控制BOV動作，打開不限速，關(guān)閉限速為0.5%/s，實現(xiàn)BOV的“快開慢關(guān)”控制[7-8]。

2.5 卸載控制

機(jī)組運行中以下任一條件滿足則卸載:排氣壓力大于1.60 MPa，工作點到達(dá)喘振線，氣體逆流[9]，按下卸載按鈕，發(fā)出停機(jī)命令。

機(jī)組卸載觸發(fā)后，BOV在1 s內(nèi)全開，IGV以1%/s的速度關(guān)閉。

2.6 聯(lián)鎖停機(jī)控制

機(jī)組的聯(lián)鎖采用分段式設(shè)計，根據(jù)壓縮機(jī)所處的不同階段分為允許起動保護(hù)聯(lián)鎖、起動過程保護(hù)聯(lián)鎖和運行過程保護(hù)聯(lián)鎖。允許起動保護(hù)聯(lián)鎖實現(xiàn)壓縮機(jī)起動前的狀態(tài)確認(rèn)；起動保護(hù)聯(lián)鎖指起動命令發(fā)出后到起動完成之間對機(jī)組的聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)，一旦聯(lián)鎖觸發(fā)則起動失敗，執(zhí)行起動保護(hù)聯(lián)鎖停機(jī)命令，起動成功后，起動保護(hù)聯(lián)鎖失效，運行過程保護(hù)聯(lián)鎖啟用；運行過程保護(hù)聯(lián)鎖是指在機(jī)組正常運行過程中對機(jī)組進(jìn)行保護(hù)，一旦觸發(fā)聯(lián)鎖則執(zhí)行運行保護(hù)聯(lián)鎖停機(jī)程序[10]。

通過聯(lián)鎖儀表的改造后，壓縮機(jī)的聯(lián)鎖停車邏輯均實現(xiàn)了“3oo2”或“2oo2”的冗余配置，有效避免了因聯(lián)鎖儀表故障導(dǎo)致的壓縮機(jī)誤停。

2.7 手動停機(jī)控制

1) 正常停機(jī):按下正常停機(jī)按鈕并確認(rèn)后執(zhí)行機(jī)組卸載程序，延時100 s后發(fā)出停機(jī)指令。

2) DCS緊急停機(jī):按下DCS緊急停機(jī)按鈕并確認(rèn)后立即給電氣發(fā)出停機(jī)指令，同時執(zhí)行機(jī)組卸載程序。

3) 現(xiàn)場緊急停機(jī)。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)緊急情況或DCS停機(jī)功能失效時，按下現(xiàn)場急停按鈕，直接控制電機(jī)停機(jī)，同時執(zhí)行DCS緊急停機(jī)程序。

2.8 輔助油泵控制

1) 開機(jī)前啟動輔助油泵。

2) 電機(jī)啟動后100 s且油壓大于一定值時，輔助油泵自動停止。

3) 機(jī)組停機(jī)后，輔助油泵自動起動。

4) 在機(jī)組運行期間，如果油壓低報警輔助油泵將自啟動并觸發(fā)報警。當(dāng)油壓正常后，由人工判斷后手動停；手動停下后如果油壓再次低報警，油泵會再次自啟動。

5) 油泵在主機(jī)備機(jī)狀態(tài)下自啟自停。輔油泵按照設(shè)定好的時間執(zhí)行自啟自停命令。

3 監(jiān)視和操作

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)改造后的人機(jī)界面非常友好和簡單，操作人員對機(jī)組的運行狀況如運行參數(shù)、工作點位置、喘振點位置一目了然，對歷史趨勢、跳車記錄、喘振記錄等隨時可查。尤其是調(diào)整系統(tǒng)壓力時不再需要到壓縮機(jī)現(xiàn)場進(jìn)行復(fù)雜的操作，只需要在中心控制室輸入目標(biāo)壓力即可，大幅減少了的誤操作的可能。

4 結(jié)束語

利用DCS自主完成離心式空壓機(jī)的控制系統(tǒng)改造后，機(jī)組運轉(zhuǎn)正常，完成了壓縮機(jī)組的監(jiān)控及其保護(hù)功能，解決了原控制系統(tǒng)故障率高和聯(lián)鎖非冗余的問題，可靠性得到了提升，并為操作人員提供了良好的操作界面，達(dá)到了改造的預(yù)期目的，具有很好的推廣意義。

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稿件收到日期：2017-08-12，修改稿收到日期2017-09-30。

左國兵(1977—)，男，湖南岳陽人，2000年畢業(yè)于湘潭大學(xué)計算機(jī)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石化巴陵石化分公司，從事儀表及自動化管理工作，任工程師。

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1007-7324(2017)06-0066-03