氨氣壓縮機組的智能控制與節(jié)能降耗

梁 安

(陜西奧維乾元化工有限公司 陜西府谷 719400)

1 工藝概述

氨氣壓縮機是合成氨裝置和低溫甲醇洗裝置中的核心設(shè)備，運行過程中一旦出現(xiàn)異?；蛘咄C，將導致整個裝置的生產(chǎn)中斷。某300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素、200 kt/a甲醇裝置中的氨氣壓縮機組出口冷凝的液氨分兩路為各裝置提供冷量，一路去低溫甲醇洗裝置，吸收工藝熱量蒸發(fā)后返回壓縮機一段；另一路去氨合成裝置一級氨冷器冷卻氨合成裝置的合成氣，蒸發(fā)的氣氨返回壓縮機四段，剩余的液氨進入二級氨冷器深冷合成氣，蒸發(fā)的氣氨返回壓縮機二段[1]。

2 氨氣壓縮機組控制系統(tǒng)存在的問題

該氨氣壓縮機組采用NK32/45型多級冷凝式汽輪機驅(qū)動，壓縮機型號為3MCL707+3MCL708，低壓缸為7級葉輪壓縮，高壓缸為8級葉輪壓縮。氨氣壓縮機組自投運以來，一直在高轉(zhuǎn)速、高負荷下運行，主要存在以下幾方面問題。

(1)喘振線。自開車以來，壓縮機喘振線未經(jīng)實測，原控制系統(tǒng)中的喘振線是根據(jù)壓縮機制造企業(yè)提供的理論曲線進行控制，由于設(shè)計、制造等其他方面存在偏差，壓縮機的實際喘振線與理論預測喘振線常存在顯著差異，使用理論喘振線常無法完成精準的防喘振保護[2]，且防喘振閥長期處于手動或半自動模式，其控制精度、響應時間、機組安全等無法保證。

(2)入口壓力采用手動控制。壓縮機入口壓力通過手動控制轉(zhuǎn)速、防喘閥和入口溫度調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)，壓縮機轉(zhuǎn)速控制與性能控制未能實現(xiàn)關(guān)聯(lián)。

(3)能耗高。一方面由于壓縮機轉(zhuǎn)速控制與性能控制未能實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，操作人員手動控制時，會相對保守地將壓縮機組控制在較高的轉(zhuǎn)速下；另一方面，在不同的季節(jié)四回一防喘閥有10%～25%開度，必然導致能耗增加，無法實現(xiàn)精細化操作，造成浪費，不利于生產(chǎn)運行的節(jié)能降耗。

(4)自動化率低?？刂茐嚎s機組的手動調(diào)節(jié)較多，自動化程度低，在操作時容易出現(xiàn)失誤，造成壓縮機出口壓力波動，影響正常生產(chǎn)，甚至會對設(shè)備造成損害。

3 新系統(tǒng)的主要控制策略

3.1 喘振控制策略

根據(jù)壓縮機生產(chǎn)企業(yè)提供的理論曲線重新計算壓縮機組喘振線，將不同壓縮機入口條件的喘振線彌合成一條喘振極限線(SLL)[3]，在此基礎(chǔ)上預留安全裕度計算出喘振控制線(SCL)，并且在試車和運行前期階段測出實際喘振點，進行修正得到較準確的SLL。

3.1.1 RT階躍響應

在SLL與SCL之間增加一條隱藏的階躍響應線(RTL)，如果出現(xiàn)一個較大較快的擾動，當正常PID調(diào)節(jié)不能使壓縮機操作點保持在SCL的右側(cè)，操作點瞬間越過了SCL左側(cè)的RTL時，控制器將會實施開環(huán)控制策略，即RT階躍響應。RT階躍響應會快速將預設(shè)的輸出值重復累計疊加在常規(guī)PID控制的輸出值上，共同作用于防喘振閥，直至操作點回到RTL的右側(cè)，這樣就可以增加足夠的流量防止出現(xiàn)喘振[4]。

3.1.2 安全響應

在SLL的左側(cè)增加一條安全響應線(SOL)，如果因意外情況(較大的過程變化、特別嚴重的波動等)使壓縮機的操作點越過SLL和SOL而發(fā)生喘振[5]，則安全響應就會重新增加一定量的喘振控制裕度，使SCL右移，增大SCL與SLL之間的距離，保證在下一次喘振周期到來之前將喘振止住[6]。

3.1.3 緊密關(guān)閉控制

在SCL的右側(cè)增加一條緊密關(guān)閉線(TSL)，如果操作點在TSL的右側(cè)，那么防喘振控制器的TS緊密關(guān)閉響應將輸出信號全關(guān)防喘振閥；當操作點在TSL左側(cè)和SCL右側(cè)時，則輸出較小開度使防喘振閥微開，防止防喘振閥卡澀，無法迅速打開，造成機組喘振。

各種控制線之間的關(guān)系[7-8]見圖1。

圖1 各種控制線之間的關(guān)系

圖1中坐標軸x、y為性能曲線的主要坐標，x為簡化的流量平方，y為簡化的壓頭；b為可變的安全裕度大小，即喘振控制裕度；b1為初始安全裕度；b2為安全響應偏置值，即每次檢測到喘振時，SCL右移的距離；n為已發(fā)生的喘振次數(shù)；d1為TSL與SCL之間的預設(shè)距離；SO為安全響應偏置，是SLL與SOL之間的預設(shè)距離；RT為階躍響應預設(shè)偏置。

3.2 機組負荷自動調(diào)節(jié)控制策略

壓縮機入口壓力性能控制回路與速度控制回路采用串級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟隨機組負荷變化的自動控制；同時通過入口壓力超馳控制(POC)及系統(tǒng)解耦功能精確控制壓縮機入口壓力，實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，即設(shè)定入口壓力值后，可以實現(xiàn)機組負荷的自動調(diào)節(jié)。

3.3 Fallback策略

Fallback策略可用來監(jiān)測流量、壓力、溫度等測量信號的現(xiàn)場回路情況。如果有現(xiàn)場測量回路故障，將發(fā)出報警，同時喘振控制進入Fallback狀態(tài)，不會導致停車；性能控制器進入Fallback狀態(tài)將自動轉(zhuǎn)換至預先設(shè)置好的替代回路控制；當故障信號回路為聯(lián)鎖信號時，信號將保持在最后的真實值或預設(shè)的數(shù)值上，同時報警，聯(lián)鎖不會動作造成停車。

4 控制系統(tǒng)的改造實施

針對氨氣壓縮機組控制系統(tǒng)存在的問題，通過大量調(diào)研、分析和充分準備，于2019年9月大檢修期間實施氨氣壓縮機組的智能控制與節(jié)能降耗改造，主要內(nèi)容如下。

(1)新增一套專用控制系統(tǒng)，實現(xiàn)壓縮機防喘振控制、入口壓力性能控制和負荷自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制。防喘振控制器、調(diào)速控制器執(zhí)行周期為20 ms，輸入點掃描周期為2.5 ms，輸入點掃描8次，控制器執(zhí)行1次。

(2)新系統(tǒng)出廠前完成了系統(tǒng)機柜硬件的組裝和控制系統(tǒng)軟件的組態(tài)，并測試合格。

(3)根據(jù)檢修計劃，安裝了新系統(tǒng)機柜、操作站等設(shè)備，按照圖紙將原系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速、段間出入口壓力、段間出入口溫度、段間出入口流量、段間防喘振閥控制、段間溫度控制閥等信號接入新的控制系統(tǒng)中，完成了新系統(tǒng)的安裝接線調(diào)試工作。

(4)根據(jù)重新計算的喘振線及相關(guān)參數(shù)，設(shè)置了新系統(tǒng)內(nèi)部的組態(tài)參數(shù)，刪除了原系統(tǒng)中的相關(guān)組態(tài)。

(5)壓縮機組啟動后，進行了喘振點實測試驗，中控和現(xiàn)場人員密切關(guān)注機組的運行參數(shù)和機組現(xiàn)場運行情況，通過反復微調(diào)，得到了更接近實際的喘振線。

(6)機組運行平穩(wěn)后，調(diào)整了各控制器的相關(guān)參數(shù)，獲得了壓縮機組全自動智能控制的效果。

5 改造后的效果

改造后的控制系統(tǒng)畫面簡單明了，操作便捷，實現(xiàn)了對壓縮機組的智能化控制，達到了節(jié)能降耗的目的。

(1)系統(tǒng)改造后的喘振控制線更加接近實際，3套防喘振控制算法分別用于氨壓縮機組四回一、四回二、四回三防喘振閥的精確控制，并且在控制算法中增加了自動補償壓縮機入口壓力、溫度等參數(shù)的變化，防喘振閥門在所有工況可投入自動模式運行，正常負荷運行時防喘振閥可實現(xiàn)全關(guān)，減少了壓縮機組的回流量，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗。

(2)機組負荷自動調(diào)節(jié)控制策略實現(xiàn)了壓縮機入口壓力和機組轉(zhuǎn)速的全自動控制功能，降低了操作人員的操作強度和誤操作概率，提高了壓縮機組自動化控制水平，有望實現(xiàn)壓縮機組無人值守或黑屏操作，解決了工藝崗位缺員的問題。

(3)系統(tǒng)改造后，壓縮機組額定負荷運行的轉(zhuǎn)速由7 300 r/min降至6 960 r/min左右，汽輪機4.0 MPa中壓過熱蒸汽的消耗量由30 t/h減至24 t/h。按年運行時間7 900 h、中壓過熱蒸汽以50元/t計，氨氣壓縮機組年節(jié)能費用為237萬元。

(4)實現(xiàn)了壓縮機一段、二段、三段溫度調(diào)節(jié)閥的自動控制。溫度調(diào)節(jié)閥與防喘振控制解耦，解決了操作人員長期純手動控制各段溫度調(diào)節(jié)閥的問題。

(5)在系統(tǒng)改造過程中，根據(jù)控制系統(tǒng)的精度要求，重新修改了壓縮機各段的壓力、流量變送器的量程、阻尼時間、故障方向，評估了防喘振閥的流通能力、響應時間等參數(shù)，使壓縮機組現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器能在最短時間內(nèi)對壓縮機的喘振進行調(diào)節(jié)，并且增加的Fallback策略避免了因儀表故障測量值突變導致的無故停機，大幅提高了控制系統(tǒng)的可靠性，解決了因生產(chǎn)波動對壓縮機組本身造成的影響或破壞。

(6)控制系統(tǒng)改造后，提高了機組的自動化控制水平，縮短了生產(chǎn)開車時間，機組在熱態(tài)情況下可以在30 min左右達到滿負荷狀態(tài)，快速恢復生產(chǎn)。

6 結(jié)語

隨著工業(yè)自動化、智能化水平的發(fā)展，節(jié)能降耗必然是企業(yè)的重點控制之一，一套自動化程度高的控制系統(tǒng)不僅能降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，而且在一定程度上可以幫助化工企業(yè)實現(xiàn)“機械化減員、智能化換人”的目的，向智慧工廠邁進。同時本次控制系統(tǒng)的改造，也可為其他企業(yè)在機組控制系統(tǒng)的選型或運行過程中出現(xiàn)同類問題時提供參考。