CCC 3++系統(tǒng)在氮?dú)鈮嚎s機(jī)上的應(yīng)用

陳 健，于忠健，梁建偉

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

1 氮?dú)鈮嚎s機(jī)防喘振控制系統(tǒng)簡介

中國石油寧夏石化分公司老化肥裝置氮?dú)鈮嚎s機(jī)組為德國德馬克公司制造的離心式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的型號為08MH6C+06MY6B。該機(jī)組采用雙缸無端結(jié)構(gòu)形式，低壓缸為水平剖分結(jié)構(gòu)，高壓缸為筒形結(jié)構(gòu)。高、低壓缸均由六級葉輪組成（共十二級），共分為5 段，低壓缸為3 段，高壓缸為2 段。該機(jī)組的防喘振控制系統(tǒng)原在DCS 中實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)組在歷年的使用中多次出現(xiàn)喘振，同時(shí)因喘振造成振動(dòng)高停車，給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。

2 存在的問題

原防喘振控制是在DCS 中實(shí)現(xiàn)的。氮?dú)鈮嚎s機(jī)的防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩個(gè)回路組成。1～4 段和5 段各設(shè)有一個(gè)防喘振回路（兩個(gè)回路的原理和結(jié)構(gòu)相同），該系統(tǒng)的控制方式為Q入≥αP出/P入·Q出，根據(jù)機(jī)組的入口質(zhì)量流量和出口質(zhì)量流量相等，以及氣態(tài)狀態(tài)方程、流量測量公式得到控制線的方程（壓縮機(jī)的入口溫度和出口溫度基本恒定，視為常數(shù)）≥αP出/P入±β，其中為調(diào)節(jié)器的測量值（KΔP 為入口差壓變送器的流量信號），αP出/P入±β 為調(diào)節(jié)器的給定值，通過調(diào)節(jié)器對防喘振閥進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

存在的問題如下：

（1）防喘振控制采用DCS 的PID 控制，控制策略簡單，且不能隨著入口工況的不同而變化。壓縮機(jī)的性能曲線是壓縮機(jī)入口流量、壓力、溫度、相對分子質(zhì)量等多個(gè)變量的有機(jī)結(jié)合，它實(shí)際不是一條固定不變的曲線，它是根據(jù)入口工況的不同而隨時(shí)改變，因此PID控制不能滿足動(dòng)態(tài)的防喘振控制要求。

（2）DCS 系統(tǒng)控制不能滿足快速的防喘振控制要求。該DCS 系統(tǒng)的運(yùn)行周期最快為500 ms，而壓縮機(jī)由于運(yùn)轉(zhuǎn)速度很高，導(dǎo)致喘振重復(fù)循環(huán)發(fā)生的時(shí)間（喘振周期）很短，初始喘振只有幾十毫秒，故采用DCS 控制不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和阻止初始喘振，導(dǎo)致喘振嚴(yán)重時(shí)，才開始動(dòng)作。

（3）正常運(yùn)行時(shí)，防喘振閥不能全關(guān)，能耗高。原性能曲線不能在線試驗(yàn)，為廠家提供的理論曲線，故不能滿足實(shí)際工況，從而導(dǎo)致防喘振閥在正常運(yùn)行時(shí)不能全關(guān)，造成功率浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性降低。

（4）原控制系統(tǒng)在氫壓機(jī)跳車時(shí)，控制不及時(shí)，極易造成氮壓機(jī)喘振。因高壓缸質(zhì)量較輕，喘振極易導(dǎo)致其振動(dòng)快速升高，造成聯(lián)鎖停車。

針對以上問題，為了確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，2017 年大修期間，對氮壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采用了CCC 3++控制系統(tǒng)，解決了原防喘振控制系統(tǒng)所存在的問題[1，2]。

3 CCC 3++控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 防喘振控制器

CCC 3++控制系統(tǒng)采用專用的防喘振控制器，通過專門的防喘振控制算法，根據(jù)入口實(shí)際工況，時(shí)時(shí)對喘振線自動(dòng)調(diào)整。

該項(xiàng)目設(shè)置的防喘振、性能系統(tǒng)是由兩對冗余防喘振控制器和一對冗余性能控制器組成。兩對防喘振控制器分別用于機(jī)組的兩路防喘振回路，控制1～4 段和5 段的防喘振閥，1～4 段設(shè)置兩個(gè)四回一防喘振閥（FCV-20011 和FCV-20011），采用分程控制，其目的是為了提高調(diào)節(jié)精度，5 段設(shè)置了五回五防喘振閥（FCV-2002）；性能冗余控制器為放空閥FCV-4 控制。每對控制器均為一備一用，現(xiàn)場信號通過一入兩出安全柵分別進(jìn)入主、備用控制器，備用控制器的輸出始終跟蹤主控制器，并設(shè)置一入兩出的輸出安全柵，可靠性高。一旦主控制器故障或接入該控制器的信號（回路）故障，自動(dòng)切換到備用控制器，兩控制器的切換時(shí)間僅為5 ms，還可通過冗余控制選擇器或操作畫面的軟切換開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)切換。

防喘振控制器的采樣周期是5 ms，循環(huán)掃描周期為40 ms（相當(dāng)于是采八次樣，取平均值后，執(zhí)行一次掃描，執(zhí)行一次程序和一次輸出），能夠及時(shí)地采到初始喘振信息，提前動(dòng)作，避免喘振發(fā)生。

3.2 喘振發(fā)生的直接原因

壓縮機(jī)特性決定了在轉(zhuǎn)速一定的條件下，一定的流量對應(yīng)于-定的出口壓力或升壓比，并且在一定的轉(zhuǎn)速下存在一個(gè)極限流量—喘振流量。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行中實(shí)際流量低于這個(gè)喘振流量時(shí)，就會(huì)發(fā)生喘振，此時(shí)流量和壓力劇烈波動(dòng)，機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)并伴有間斷的低沉的吼聲，壓縮機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行，輕則停機(jī)，重則設(shè)備損毀。

這些流量、出口壓力、轉(zhuǎn)速和喘振流量的綜合關(guān)系構(gòu)成了壓縮機(jī)的特性線，也叫性能曲線。將各轉(zhuǎn)速下特性曲線上所有的喘振點(diǎn)連接起來，就可以得到一條曲線，即為壓縮機(jī)的喘振線SLL。壓縮同樣體積流量的氣體時(shí)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低、進(jìn)氣溫度升高、氣體相對分子質(zhì)量減小或進(jìn)氣壓力降低，都會(huì)造成其出口壓力降低，壓縮機(jī)的性能曲線就下移，反之，性能曲線上移。凡是能造成壓縮機(jī)的工作點(diǎn)落在喘振區(qū)內(nèi)的因素都是發(fā)生喘振的原因。

只要保持在一定轉(zhuǎn)速下流量大于喘振流量就不會(huì)發(fā)生喘振。

3.3 防喘振控制器的作用

防喘振控制器的作用是保證操作點(diǎn)在喘振線的右邊，通過打開防喘振閥使足夠的氣體返回到入口，以維持所需的最小的流量?？刂破鞔蜷_控制閥的這一點(diǎn)就叫做喘振控制點(diǎn)。所有這些點(diǎn)匯集起來叫作喘振控制線SCL。無論什么時(shí)候，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)位于SCL 的左側(cè)時(shí)，防喘振閥的開度一定增加。

3.4 防喘振調(diào)節(jié)

CCC 3++控制系統(tǒng)采用PI 調(diào)節(jié)，專門的微分響應(yīng)、RTL 響應(yīng)和SOL 響應(yīng)等來實(shí)現(xiàn)防喘振調(diào)節(jié)（見圖1）。

圖1 壓縮機(jī)喘振控制曲線圖

（1）SLL：代表喘振發(fā)生點(diǎn)的曲線（喘振線）。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)位于SLL 左側(cè)時(shí)，壓縮機(jī)就會(huì)喘振。

（2）SCL：在壓縮機(jī)性能曲線圖上DEV 為零的曲線（喘振控制線）。防喘振算法在SLL 右邊設(shè)置了一個(gè)可變的安全裕度（總b 值），當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)SCL 而未達(dá)到SLL 時(shí)，打開防喘振閥，防止喘振。即：如果運(yùn)行點(diǎn)位于SCL 的左側(cè)，防喘振閥打開；如果運(yùn)行點(diǎn)位于SCL 右側(cè)，防喘振閥關(guān)閉。

（3）SOL：防喘振控制器確認(rèn)喘振發(fā)生，并觸發(fā)安全響應(yīng)的曲線（安全響應(yīng)線）。即規(guī)定一個(gè)運(yùn)行極限，當(dāng)超過這個(gè)運(yùn)行極限，表明喘振已經(jīng)發(fā)生，且觸發(fā)了安全響應(yīng)，將增加SCL 的安全裕度,從而迅速制止喘振（SOL位于SLL 左邊，它們之間的距離為安全響應(yīng)偏置SO）。

（4）RTL：觸發(fā)階梯響應(yīng)的曲線（階梯響應(yīng)線）。

（5）DEV 偏差：喘振控制線SCL 與工作點(diǎn)的距離。偏差為正值說明運(yùn)行點(diǎn)位于SCL 的右側(cè)，偏差為負(fù)值說明運(yùn)行點(diǎn)位于SCL 的左側(cè)。

（6）b1：初始安全裕度。SCL 和SLL 之間的最小距離。

（7）b2：安全響應(yīng)參數(shù)。每次檢測到喘振時(shí)，SCL 右移的距離。

（8）PI 調(diào)節(jié)：防喘振控制器調(diào)節(jié)防喘振閥的基于DEV 偏差值的比例積分閉環(huán)控制響應(yīng)。

（9）微分響應(yīng)（b3）：此響應(yīng)可使SCL 移向壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)，其移動(dòng)距離取決于運(yùn)行點(diǎn)靠近防喘振控制線的斜率與b3 的乘積。而RTL 保持不變。

使用PI 算法而不使用PID 的算法，是因?yàn)榧词箾]有喘振的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)壓縮機(jī)朝喘振線移動(dòng)時(shí)，微分響應(yīng)也會(huì)打開防喘振閥。這樣會(huì)引起不必要的回流能量損失。

當(dāng)出現(xiàn)快速擾動(dòng)時(shí)，通過增加安全裕度，而不會(huì)去打開防喘振閥。只有當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)接近或位于SCL時(shí)，才會(huì)加大控制響應(yīng)，增加回流流量。這樣，既可以保持工藝穩(wěn)定又能防止喘振發(fā)生。

（10）階梯響應(yīng)（RTL 響應(yīng)）：當(dāng)PI 響應(yīng)和微分響應(yīng)不能使壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)保持在SCL 線的右邊而是運(yùn)行點(diǎn)瞬間越過了SCL 左邊的RTL 后，則開環(huán)響應(yīng)使防喘振閥以快速階梯的形式迅速打開，從而使運(yùn)行點(diǎn)重新回到SCL 上，避免了喘振。

（11）本項(xiàng)目中采用的CCC 3++喘振曲線的算法：

CCC 3++系統(tǒng)的防喘振控制是監(jiān)測壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)到喘振線的距離Ss：

當(dāng)Ss＜1 時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)在安全區(qū)域，當(dāng)Ss＞1 時(shí)，進(jìn)入喘振區(qū)域，Ss=1 時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)在SLL 上。

式中：ΔP0，d-計(jì)算流量測量值；f1（Rc） -Rc 的特征函數(shù)；f5（U5）-一般的特征函數(shù)（這里是一個(gè)常數(shù)）；k-喘振線的斜率；Pd-出口壓力（絕壓）；Ps-入口壓力（絕壓）；Rc-壓縮機(jī)壓比=Pd/Ps；Td-出口溫度（絕對溫度）；Ts-入口溫度（絕對溫度）。

3.5 控制策略

（1）針對原控制系統(tǒng)在氫壓機(jī)跳車時(shí)，控制不及時(shí)，易造成氮壓機(jī)喘振的情況，利用防喘振控制器出口壓力high Limit 控制策略和入口壓力low Limit 控制策略，通過對最大出口壓力和最小入口壓力的極限控制，來控制整個(gè)系統(tǒng)，避免喘振。

（2）四段出口放空控制：對四段出口放空閥設(shè)定壓力高限，當(dāng)壓力高，則開閥；設(shè)定流量值，當(dāng)流量低于設(shè)定值，則關(guān)閥。

（3）解耦控制:就是兩個(gè)控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以相互協(xié)調(diào)工作。

包括：（a）FIC-2001 與FIC-2002 之間的解耦。

當(dāng)5 段發(fā)生防喘振保護(hù)，F(xiàn)CV-2002 打開時(shí)，會(huì)將信息傳給FIC-2001 控制器，F(xiàn)IC-2001 控制器預(yù)測到將要發(fā)生喘振，則提前打開FCV-2001。反之，也一樣。兩個(gè)閥門互相影響，當(dāng)一個(gè)閥門開度增大，另一個(gè)閥門開度也會(huì)增大。

（b）FIC-2002 與FIC-4 之間的解耦。同上所述，當(dāng)放空閥FCV-4 打開或開大時(shí)，F(xiàn)CV-2002 也會(huì)打開或開大。

通過以上解耦控制，使這幾個(gè)控制回路可以互相協(xié)調(diào)，迅速動(dòng)作，從而穩(wěn)定系統(tǒng)。

3.6 開工前，在現(xiàn)場進(jìn)行喘振實(shí)測，重新計(jì)算氮?dú)鈮嚎s機(jī)喘振線

（1）喘振試驗(yàn)需在空氣工況和氮?dú)夤r兩種工況下測試，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最小操作轉(zhuǎn)速9 500 r/min時(shí)進(jìn)行。

（2）在四個(gè)轉(zhuǎn)速下，即9 500 r/min、10 000 r/min、10 800 r/min、11 300 r/min 下分別實(shí)測出壓縮機(jī)低壓缸和高壓缸的初始喘振點(diǎn)。試驗(yàn)前先將防喘振閥全開。在對應(yīng)的轉(zhuǎn)速下，緩慢的減小k（喘振線斜率）、b1 值，逐漸關(guān)小防喘振閥開度。在試驗(yàn)過程中，密切監(jiān)視壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括軸振動(dòng)和軸位移情況。當(dāng)壓縮機(jī)振動(dòng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，立即終止壓縮機(jī)喘振試驗(yàn)，并將振動(dòng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)作為此轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)低壓缸或高壓缸的初始喘振點(diǎn)。當(dāng)壓縮機(jī)高、低壓缸達(dá)到初始喘振狀態(tài)時(shí)，CCC 防喘振控制器會(huì)通過階梯響應(yīng)RT 功能自動(dòng)打開防喘振閥，使壓縮機(jī)迅速脫離初始喘振狀態(tài)。

（3）若試驗(yàn)的過程中，低壓缸壓力達(dá)到7.9 MPa（g）（安全閥壓力設(shè)定值8.67 MPa）或高壓缸壓力達(dá)到12.26 MPa（g）（安全閥壓力設(shè)定值13.26 MPa（g））時(shí)，停止后續(xù)轉(zhuǎn)速的測試。

（4）當(dāng)實(shí)測出全部4 個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)低壓缸和高壓缸的初始喘振點(diǎn)后，需對全部初始喘振點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,分別描繪出壓縮機(jī)低壓缸和高壓缸的實(shí)測喘振線，并輸入至CCC 3++系列防喘振控制系統(tǒng)。

（5）在壓縮機(jī)的調(diào)速范圍內(nèi)（9 500～11 800 r/min），對全部控制回路進(jìn)行精調(diào)工作，包括防喘振系統(tǒng)的階梯（RT）響應(yīng)測試，所有回路PID 整定等。使所有回路均實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。

（6）轉(zhuǎn)換到氮?dú)夤r后，按照上述步驟進(jìn)行氮?dú)夤r的喘振測試。最后進(jìn)行兩種工況下的喘振線擬合。

4 系統(tǒng)改造達(dá)到的效果

（1）采用CCC 3++控制系統(tǒng)，防喘振控制實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)，防喘振控制閥實(shí)現(xiàn)了全關(guān)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。消除了原控制系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)上的缺陷。

（2）減小了操作人員的工作量。

（3）實(shí)現(xiàn)了對機(jī)組的優(yōu)化控制。自系統(tǒng)改造后，機(jī)組未發(fā)生因喘振而發(fā)生的事故。