汽輪壓縮機(jī)組機(jī)械式控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造

張秀萍

[摘 ? ?要 ]為了提升汽輪壓縮機(jī)組的機(jī)械式控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平，對(duì)其進(jìn)行改造。具體是在各種控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)系統(tǒng)等多種電子控制裝置的協(xié)助下，明顯提升控制的精準(zhǔn)性，在數(shù)字化通信、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)助下，確保機(jī)組能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)實(shí)踐運(yùn)用結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電子控制設(shè)備改造汽輪壓縮機(jī)組機(jī)械式控制系統(tǒng)，是提升系統(tǒng)現(xiàn)代化水平的有效方法之一，具有較高推廣價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]汽輪壓縮機(jī)組;機(jī)械式控制;系統(tǒng)改造;改造實(shí)踐

[中圖分類號(hào)]TH45 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–00–03

[Abstract]In order to improve the modernization level of the mechanical control system of the steam turbine compressor unit， a proposal is made to modify it. The specific use is to significantly improve the accuracy of control with the assistance of various control， monitoring， protection systems and other electronic control devices. With the assistance of digital communication and networked monitoring， it can ensure that the unit can be safe and stable for a long time. run. According to the results of statistical practice， it is found that the electronic control equipment to transform the mechanical control system of the steam turbine compressor unit is one of the effective methods to improve the modernization level of the system， and it has a high promotion value.

[Keywords]steam turbine compressor unit; mechanical control; system transformation; transformation practice

近年，在國家相關(guān)政策的正確引領(lǐng)下，國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，成績(jī)理想，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。當(dāng)下，工業(yè)行業(yè)中運(yùn)行的汽輪壓縮機(jī)組達(dá)到數(shù)千臺(tái)，采用舊式機(jī)械式控制系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)組占比相對(duì)較高，該種系統(tǒng)有構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、遲緩率較大、調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度偏低、執(zhí)行機(jī)構(gòu)靈敏度不足等缺陷，并且長(zhǎng)期運(yùn)行后，在磨損因素的作用下，杠桿聯(lián)接部位容易出現(xiàn)較大的空隙，給機(jī)組運(yùn)行過程中埋置下諸多隱患。并且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)也不具備數(shù)字化通信功能，亟須利用電子控制設(shè)備對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)代化改造、升級(jí)。

1 整體控制方案

觀察舊式控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，解讀化工業(yè)氣體壓縮流程運(yùn)行階段對(duì)現(xiàn)代化控制技術(shù)提出的要求，本課題中設(shè)計(jì)開發(fā)了新興的整體調(diào)控方案。本方案在執(zhí)行階段，需要落實(shí)的重點(diǎn)內(nèi)容是拆卸掉機(jī)組舊的機(jī)械式控制系統(tǒng)，組裝電子控制系統(tǒng)。

CCC集成控制為本系統(tǒng)的核心，其功能主要是將既往各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)互為獨(dú)立的控制回路聚集至同一個(gè)電子平臺(tái)上，統(tǒng)一對(duì)其性能進(jìn)行解耦操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)組各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的閉環(huán)式調(diào)控。ESD、TSI分別用在監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程安全程度及停機(jī)狀態(tài)維護(hù)領(lǐng)域中;工程師站/操作員站能幫助中控室人員在計(jì)算機(jī)屏幕對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程式操作、控制。整個(gè)系統(tǒng)的各構(gòu)成部分均利用網(wǎng)絡(luò)傳送信息，

在工業(yè)以太網(wǎng)以及上級(jí)DCS的支撐下完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)，傳輸對(duì)象以重要的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)與畫面為主。

2 系統(tǒng)配置情況

2.1 CCC集成控制系統(tǒng)

在本課題設(shè)計(jì)中，壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)內(nèi)置的CCC的構(gòu)成以調(diào)速、抽汽、防喘控制器為主，以上各個(gè)類型的控制器均布置了運(yùn)行狀態(tài)獨(dú)立的CPU，其對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度及抽氣壓力值能起到一定調(diào)控作用，也能防控壓縮機(jī)組出現(xiàn)喘振等不良情況。CCC系統(tǒng)應(yīng)用了可用性能達(dá)到99.97%、執(zhí)行周期是25個(gè)/s的單冗余數(shù)字控制器。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)助下能順利建設(shè)出喘振數(shù)學(xué)模型，采用控制算法模擬仿真，而后將其嘗試用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域中。

CCC采用了故障式策略運(yùn)行，能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)各個(gè)輸入流程的實(shí)效性，檢出輸入故障問題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)智能將其忽略，在發(fā)出報(bào)警信號(hào)的同時(shí)，切調(diào)到故障策略模式上，進(jìn)一步提升壓縮機(jī)組的可用性。

2.2 調(diào)速控制器（SIC）

SIC能參照預(yù)設(shè)的升速曲線智能執(zhí)行汽輪機(jī)暖機(jī)功能，不會(huì)觸碰軸系臨界轉(zhuǎn)速，在機(jī)組常態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能精準(zhǔn)的調(diào)控機(jī)組的轉(zhuǎn)速。SIC接收由3路轉(zhuǎn)速探頭監(jiān)測(cè)到的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)3取2邏輯后作為機(jī)組的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，將其和內(nèi)部轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較分析，放大器處理后傳輸出流量范圍在4～20 mA的電子信號(hào)。以上過程中形成的電子信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)型成二次油壓信號(hào)，而后油壓信號(hào)利用進(jìn)汽閥的張開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)組運(yùn)行速度的精確調(diào)控。

2.3 抽汽控制器（PIC）

本課題研究中設(shè)定經(jīng)整改后的汽輪機(jī)是抽汽式汽輪機(jī)。PIC把抽汽壓力的目標(biāo)設(shè)計(jì)值和當(dāng)場(chǎng)反饋的抽汽壓力信號(hào)經(jīng)測(cè)算后能傳輸出控制信號(hào)，調(diào)控抽汽調(diào)閥門的張開度，進(jìn)而調(diào)控汽輪機(jī)的抽汽壓力值。

2.4 防喘振控制器（LIC）

如果壓縮機(jī)內(nèi)的氣體流量降低時(shí)，伴隨旋轉(zhuǎn)失速的生成與發(fā)展過程，會(huì)形成一種失穩(wěn)工況，壓縮機(jī)組的氣體流量、排氣壓力周期、頻率明顯改變時(shí)，將會(huì)造成機(jī)器本體出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，以上表現(xiàn)被叫作壓縮機(jī)的喘振。

防喘振技術(shù)是控制系統(tǒng)的核心。傳統(tǒng)防喘振器應(yīng)用階段需要指派人工前往現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)壓縮機(jī)上的數(shù)個(gè)喘振點(diǎn)，參照監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用折線仿真模擬現(xiàn)實(shí)的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)曲線。其控制準(zhǔn)確度不足，經(jīng)常會(huì)使防喘振回流閥過早或過遲啟動(dòng)，不僅會(huì)耗損掉大量能量，還可能滋生擾動(dòng)工藝流程的問題，特殊工況下還會(huì)滋生出安全隱患。

利用LIC自帶的喘振與調(diào)控算法，能夠智能檢測(cè)出實(shí)際喘振曲線，并完成相應(yīng)的測(cè)算工作，借此方式確保了壓縮機(jī)組回流閥開啟的時(shí)效性、精準(zhǔn)性，規(guī)避了既往因檢測(cè)或者操作不規(guī)范而引起的安全風(fēng)險(xiǎn)問題。防喘振控制算法的控制功能框架見圖1。

（1）PID控制響應(yīng)。針對(duì)緩慢且微小的擾動(dòng)因素，LIC的PID控制相應(yīng)可智能使運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)位進(jìn)入至喘振控制線的安全區(qū)域。利用LIC的比例積分控制算法，能依據(jù)操作點(diǎn)位和LIC兩者的間距生成相應(yīng)的積分響應(yīng)，防控機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)返回至LIC的危險(xiǎn)區(qū)中。并且其輸送出的微分響應(yīng)有擴(kuò)增防喘振控制算法安全裕量的功能。在這樣的工況下，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)朝向喘振方向偏移，但是能確定其沒有形成實(shí)質(zhì)的喘振危險(xiǎn)，便不會(huì)自動(dòng)開啟防喘振回流閥。只有當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)處在或者臨近防喘振控制線時(shí)，會(huì)應(yīng)用拓展安全裕度來的方式提高大壓縮機(jī)的流量值。機(jī)組在這樣的運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)于常規(guī)的擾動(dòng)因素，機(jī)組并不會(huì)屢次啟動(dòng)防喘振回流閥門，一方面能較好的維持了工藝程序的穩(wěn)定，也能規(guī)避發(fā)生喘振情況。

（2）迅速重復(fù)階躍響應(yīng)RTL。在面對(duì)較快速、規(guī)模較大的擾動(dòng)因素時(shí)，如果LIC的比例積分及微分響應(yīng)無法將機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)為維持在喘振控制線的安全區(qū)域，霎那間越到了危險(xiǎn)區(qū)，LIC便會(huì)快速傳送出RTL操作信號(hào)，指控執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速開啟防喘振的回流閥門，快速增加壓縮機(jī)的流量，防控機(jī)組出現(xiàn)喘振情況。

（3）解耦控制。如果壓縮機(jī)組步入至喘振調(diào)節(jié)模式并且有增加流量的現(xiàn)實(shí)需求，部分工況下也會(huì)有同時(shí)降低流量的需求。以上這2個(gè)控制回路存在著互為反作用的關(guān)系，操作稍有不規(guī)范，便會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)防喘振器是一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)獨(dú)立的回路，和其他控制回路之間無法實(shí)現(xiàn)信息資源共享。如果采用LIC的性能控制及喘振控制算法，那么會(huì)將各自的輸出信號(hào)智能加權(quán)至對(duì)方的控制響應(yīng)內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到解耦調(diào)控，明顯提升了2個(gè)控制回路運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的協(xié)調(diào)性，快速恢復(fù)壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.5 應(yīng)急停機(jī)維護(hù)系統(tǒng)

本課題設(shè)計(jì)出的該維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，硬件是硬冗余的S7 400H PLC，電源、CPU以及I/O卡件的通信功能統(tǒng)一應(yīng)用考慮冗余布置。系統(tǒng)的功能主要是防控壓縮機(jī)組內(nèi)部分設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)失常而引起嚴(yán)重的損壞事故。在機(jī)組投運(yùn)階段，維護(hù)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)所有設(shè)計(jì)的停機(jī)信號(hào)。一旦機(jī)組轉(zhuǎn)速、軸體振動(dòng)等信號(hào)超出限定值時(shí)，便會(huì)將停機(jī)信號(hào)輸進(jìn)停機(jī)電磁閥中，快速斷離主蒸汽的動(dòng)力來源，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急停機(jī)。檢測(cè)機(jī)組的動(dòng)作轉(zhuǎn)速時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)把硬操盤上超速試驗(yàn)鑰匙開關(guān)安放在“試驗(yàn)位”，試驗(yàn)允許燈亮;就地選擇適宜的試驗(yàn)飛錘;設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速3360 r/min，機(jī)組轉(zhuǎn)速逐步提升，飛錘擊出，機(jī)組隨即開閘;把鑰匙開關(guān)安放在“正?！蔽?，開展機(jī)組超速試驗(yàn)階段，DEH超速保護(hù)的動(dòng)作轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整程3390 r/min，轉(zhuǎn)速超出以上限值時(shí)，DEH便會(huì)傳送出開閘命令，將其用作后備保護(hù)。另外，本系統(tǒng)還能利用高速數(shù)字量采集卡片，完成記錄下機(jī)組的停機(jī)事件，進(jìn)而更好地滿足異常事件順序記錄的現(xiàn)實(shí)需求，便于技術(shù)人員更快速、精準(zhǔn)地判別停機(jī)事件的成因。

2.6 軸系監(jiān)測(cè)

本文系統(tǒng)應(yīng)用BENTLY Nevada 3500系列，功能主要是監(jiān)測(cè)機(jī)組軸系的移位、振動(dòng)等情況。BENTLY Nevada 3500內(nèi)置3500框架、電源與接口模塊、3500/42模塊及繼電器等。其中，2塊3500/32繼電器將開關(guān)量輸送到ESD內(nèi)實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù);1塊3500/93通信模塊協(xié)助操作員站基于網(wǎng)絡(luò)通信過程訪問軸系監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息為主。

2.7 工程師站/操作員站

站臺(tái)上布置了壓縮機(jī)組的主控制面、應(yīng)急停機(jī)維護(hù)面、軸系移動(dòng)振動(dòng)數(shù)據(jù)面等。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的協(xié)助下，機(jī)組操作人員能夠在工程師站/操作員站上利用計(jì)算機(jī)熒屏上畫面的呈現(xiàn)情況，全面監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，有針對(duì)性地進(jìn)行操控。

3 實(shí)踐應(yīng)用

將本課題改造設(shè)計(jì)出的機(jī)械式控制系統(tǒng)用于合成氣汽輪壓縮機(jī)組內(nèi)。觀察本機(jī)組的現(xiàn)實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)性地達(dá)到了美國MEMASM標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的D級(jí)?？刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)、動(dòng)作時(shí)間分別提升至毫秒級(jí)、秒級(jí)，從根本上規(guī)避了人工操作偏差引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。控制系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)順利實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信與信息資源共享，自動(dòng)記錄了所有重要的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)信息。

4 結(jié)束語

在各種現(xiàn)代電子設(shè)備的協(xié)助下，改造舊式控制系統(tǒng)，明顯提升了系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)效性和調(diào)節(jié)過程的敏捷性，并將磨損卡澀等不良現(xiàn)象的發(fā)生率降至最低?？刂葡到y(tǒng)現(xiàn)代化改造后所創(chuàng)造出的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)改造階段所需的投資起到一定補(bǔ)償作用。實(shí)踐表明，本文研發(fā)出的控制系統(tǒng)是成功的，希望能為后續(xù)階段大規(guī)模進(jìn)行該方面的改造、升級(jí)工作提供一定理論支持。

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