TS3000系統(tǒng)在催化主風(fēng)機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用研究

袁國(guó)利

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

中國(guó)石化武漢分公司催化裂化裝置兩機(jī)系統(tǒng)由主風(fēng)機(jī)和富氣壓縮機(jī)組成。其中主風(fēng)機(jī)為三臺(tái)離心式壓縮機(jī)，1#機(jī)組為電機(jī)拖動(dòng)，2#機(jī)組為煙氣輪機(jī)拖動(dòng)，3#機(jī)組為蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)為TRICONEX公司的TS3000系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)所有機(jī)組的調(diào)速控制、防喘振控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及機(jī)組ESD緊急停車系統(tǒng)。

1 防喘振系統(tǒng)配置及其原理

TS3000系統(tǒng)是TRICONEX公司的ITCC(透平－壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng))系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。主控制器為Tricon控制器，該系統(tǒng)為TMR三重化冗余模件。每一個(gè)I/O模件內(nèi)都包容有三個(gè)獨(dú)立的分電路，輸入模件上的每一分電路讀取過(guò)程數(shù)據(jù)并將這些信息傳送給相應(yīng)的主處理器。三個(gè)主處理器通過(guò)一個(gè)專用的TriBus高速總線系統(tǒng)通訊。三重化冗余保證了設(shè)備的容錯(cuò)能力，并且能在原部件出現(xiàn)硬件故障或者來(lái)自內(nèi)、外部瞬態(tài)故障的情況下提供完好的不間斷控制，因此系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。TMR三冗余原理如圖1所示:

1.1 TRICON系統(tǒng)的特點(diǎn)

圖1 控制器的三重化結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是一種具有高容錯(cuò)能力的可編程控制器及過(guò)程控制技術(shù)。系統(tǒng)由三個(gè)完全相同的系統(tǒng)通道組成(電源模件除外，該模件是雙重冗余的)。每個(gè)系統(tǒng)通道獨(dú)立地執(zhí)行控制程序，并與其它兩個(gè)通道并行工作。硬件表決機(jī)制則對(duì)所有來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字式輸入和輸出進(jìn)行表決和診斷。模擬輸入則進(jìn)行取中值的處理。因?yàn)槊恳粋€(gè)分電路都是和其它兩個(gè)隔離的，任一分電路內(nèi)的任何一個(gè)故障都不會(huì)傳遞給其它兩個(gè)分電路。對(duì)于各個(gè)分電路、各模件和各功能電路的診斷工作能夠及時(shí)地探查到運(yùn)行中的故障，并進(jìn)行指示或報(bào)警。診斷還可以把有關(guān)故障的信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)變量?jī)?nèi)。在發(fā)現(xiàn)有故障時(shí)，操作員可以利用診斷信息以修改控制動(dòng)作，或者指導(dǎo)其維護(hù)過(guò)程。因?yàn)榇巳叵到y(tǒng)工作起來(lái)和一個(gè)控制系統(tǒng)一樣。用戶將傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接到一路接線端上，并且應(yīng)用一組邏輯為Tricon編程。其余的事都由Tricon自行管理。維修工作，包括拆卸和更換有分電路故障的故障模件都可以在線情況下進(jìn)行，而不中斷過(guò)程控制。(在有熱備卡件的情況下，并確認(rèn)熱備卡件處于工作狀態(tài)，方可進(jìn)行)。

1.2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)編程軟件Tristation1131，利用功能塊FBD語(yǔ)言編寫程序。通過(guò)編制相應(yīng)的程序完成模擬量處理運(yùn)算、順序控制邏輯、控制算法等任務(wù)。上位監(jiān)控軟件為INTOUCH，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作。1131通過(guò)DDE(Dynamic Data Exchange)程序，實(shí)現(xiàn)與上位監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)連接。

2 壓縮機(jī)防喘振控制方案

由于離心壓縮機(jī)本身固有的特性，當(dāng)壓縮機(jī)的入口流量小于某一流量 Qmin時(shí)，壓縮機(jī)氣體流量和排氣壓力發(fā)生周期性地低頻率、大振幅地波動(dòng)，引起機(jī)器的強(qiáng)烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象即壓縮機(jī)的喘振。伴隨喘振而來(lái)的是壓縮機(jī)振動(dòng)劇烈上升并伴有巨大異常響聲，如果不能有效采取控制措施會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重的損傷。壓縮機(jī)喘振除和壓縮機(jī)本身特性有關(guān)外還與壓縮機(jī)管網(wǎng)特性有一定關(guān)系。喘振工況的發(fā)生非常迅速，因而需要精確、快速的控制算法才能實(shí)現(xiàn)有效的控制。

圖2 壓縮機(jī)喘振過(guò)程示意圖

2.1 防喘振控制幾種方法

防止壓縮機(jī)喘振采取的方法稱為防喘振控制。在給定的入口溫度和壓力下，通過(guò)試驗(yàn)可得到壓縮機(jī)流量與壓比以及流量與效率的關(guān)系，進(jìn)而可繪出壓縮機(jī)的性能曲線。目前現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用一般采用兩種防喘振控制方法，就是固定極限流量法與可變極限流量法。都是通過(guò)先確定壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行至喘振點(diǎn)時(shí)打開回流閥或者放空閥增大壓縮機(jī)入口流量減小，壓縮機(jī)出口壓力，消除喘振。這里討論催化主風(fēng)機(jī)的控制，由于風(fēng)機(jī)不存在物料回收利用、節(jié)能問(wèn)題，因此，防喘振控制不采用壓縮機(jī)出口回流入口的方式，而是采用防喘振閥直接放空的方式進(jìn)行防喘振控制。

固定極限流量法是壓縮機(jī)的流量始終保持大于最大轉(zhuǎn)速下喘振點(diǎn)的流量值 Q極，當(dāng)流量小于 Q極時(shí)，防喘振閥門打開。但是它在轉(zhuǎn)速降低，壓縮機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，極限流量的裕量過(guò)大會(huì)造成能量浪費(fèi)大，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，目前實(shí)際應(yīng)用中已很少用到?？勺儤O限流量法，壓縮機(jī)的負(fù)荷隨著轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化，在不同轉(zhuǎn)速下，喘振流量為不同值。防喘振控制方程為:

為了防止喘振的發(fā)生，必須使

根據(jù)體積流量與入口孔板差壓的關(guān)系可以得出:

式中:Ps為壓縮機(jī)入口壓力 (絕壓);Pd為壓縮機(jī)出口壓力 (絕壓);Ts為壓縮機(jī)入口壓力;a、b壓縮機(jī)性能相關(guān)參數(shù)，k為氣體絕熱指數(shù);hs為壓縮機(jī)入口流量差壓值;QV為壓縮機(jī)入口流量;K為壓縮機(jī)入口測(cè)量裝置流量系數(shù);ρs為壓縮機(jī)入口氣體密度。

2.2 通用性能曲線控制法

通用性能曲線控制法原理(略)。

3 TS3000防喘振控制分析

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步各種工業(yè)控制器也得到了迅速的發(fā)展，具備了更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和更加豐富的功能。使得比較復(fù)雜的控制理論能夠轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程方案。大量?jī)?yōu)秀的 PLC、DCS的出現(xiàn)使防喘振控制的實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單、精確適用。TRICONEX的TS3000系統(tǒng)壓縮機(jī)防喘振控制，采用專用的控制功能模塊，用于壓縮機(jī)喘振曲線的繪制，壓縮機(jī)操作點(diǎn)的計(jì)算、壓縮機(jī)安全裕度的計(jì)算與調(diào)整?？刂破鞲鶕?jù)壓縮機(jī)入口流量、入口壓力、出口壓力三參數(shù)動(dòng)態(tài)防喘振控制算法進(jìn)行壓縮機(jī)防喘振控制，這種方法不會(huì)因進(jìn)氣的溫度，壓力，分子量等的變化而對(duì)喘振控制產(chǎn)生影響。

3.1 喘振點(diǎn)的確定和喘振線的繪制

TS3000系統(tǒng)利用TRICON防喘振擴(kuò)展函數(shù)功能模塊庫(kù)SGB400中的功能塊來(lái)完成主風(fēng)機(jī)的防喘振控制。先利用HC_1_02流量計(jì)算模塊計(jì)算流量測(cè)量裝置位于壓縮機(jī)入口的壓縮機(jī)操作點(diǎn)。其要滿足如下等式:

這里 H_pct為以百分?jǐn)?shù)表示的孔板入口差壓，Pfob為孔板設(shè)計(jì)基本壓力，Ps為壓縮機(jī)入口壓力，Ps_abs_cor測(cè)量壓力轉(zhuǎn)化為絕對(duì)壓力的修正值，Psb為壓縮機(jī)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力(絕壓)。利用該模塊只要將各個(gè)具體參數(shù)引入功能塊的輸入端即可以計(jì)算出壓縮機(jī)的實(shí)際操作點(diǎn)。SRG_LINE功能塊，這個(gè)功能塊用于確定基于壓力比(出口與入口絕對(duì)壓力之比)的喘振點(diǎn)，根據(jù)壓比和不同的喘振流量點(diǎn)組成的五段線確定壓縮機(jī)的喘振線。如圖3所示:

Hc功能塊計(jì)算出的實(shí)際工作點(diǎn)與SRG_LINE功能塊處理輸出的喘振點(diǎn)相乘得出當(dāng)前工作點(diǎn)的裕度，喘振點(diǎn)與速度控制器設(shè)定的HOVER值相加即得出盤旋點(diǎn)。程序如圖4所示:

REACAL02功能塊用于當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)重新調(diào)整安全裕度，SAFETY_MAR功能塊用于計(jì)算操作安全裕度，調(diào)整后的安全裕度與操作安全裕度相加即可以得到整個(gè)安全裕度，由此可以畫出喘振控制線和調(diào)整后的喘振控制線。

圖3(a) 壓縮機(jī)喘振線

圖3(b) 壓縮機(jī)安全裕度與喘振控制線

圖4 工作點(diǎn)裕度及盤旋點(diǎn)計(jì)算程序

3.2 防喘振控制

防喘振控制程序框圖如圖5所示。主要由如下幾個(gè)功能塊構(gòu)成:PID_SRG2功能塊為喘振PID控制器，控制器為反作用方式，其設(shè)定值是速度控制器設(shè)定的盤旋(HOVER)值，測(cè)量值是壓縮機(jī)當(dāng)前工作點(diǎn)的裕度，比例和積分項(xiàng)分別以兩個(gè)ADPTV_TN1_02自適應(yīng)調(diào)整模塊作為輸入，通過(guò)該模塊適時(shí)對(duì)比例和積分系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使控制更加及時(shí)有效。喘振PID控制器的輸出作為閥位選擇程序的一個(gè)輸入，實(shí)現(xiàn)下面的閥位選擇輸出功能。

圖5 防喘振PID控制程序

閥位選擇程序流程如圖6所示，主要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能:閥位高選功能，即手動(dòng)給定值和自動(dòng)給定值比較，程序選擇高信號(hào)作為輸出，確保防喘振閥在較大開度，防止喘振的發(fā)生;比例功能，系統(tǒng)中有一個(gè)獨(dú)立的比例項(xiàng)，自動(dòng)方式下與PID控制高選輸出，它可強(qiáng)制防喘振閥打開，其作用與常規(guī)PI調(diào)節(jié)器之間相互獨(dú)立，當(dāng)操作點(diǎn)工作在喘振控制線左側(cè)時(shí)，比例項(xiàng)在喘振控制線左側(cè)的某一設(shè)定區(qū)域內(nèi)開始打開防喘振閥。本系統(tǒng)設(shè)置為0.7(即喘振線與防喘振線之間距離為0～100%，當(dāng)工作點(diǎn)距離喘振線70%時(shí)防喘振閥開始打開，當(dāng)工作點(diǎn)到喘振線時(shí)比例輸出為100%，防喘振閥全開);快開慢關(guān)功能，設(shè)定最大開閥速率75%，最大關(guān)閥速率2%，確保喘振發(fā)生時(shí)防喘振閥迅速打開，慢關(guān)特性用于防止閥門關(guān)閉過(guò)快過(guò)大引起壓縮機(jī)喘振。同時(shí)該功能程序還實(shí)現(xiàn)有喘振PID輸出標(biāo)志、喘振越過(guò)喘振線輸出標(biāo)志、喘振比例項(xiàng)輸出標(biāo)志、手動(dòng)輸出標(biāo)志狀態(tài)，這些標(biāo)志狀態(tài)在上位機(jī)顯示，可以使操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)防喘振控制的運(yùn)行情況。

同時(shí)還利用兩個(gè)SEL選擇模塊，實(shí)現(xiàn)如下功能:當(dāng)主風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖發(fā)生跳車時(shí)，選擇模塊選擇輸出100%使主風(fēng)機(jī)防喘振閥全開，主風(fēng)機(jī)放空閥打開，減小主風(fēng)機(jī)出口壓力，消除喘振;再通過(guò)一個(gè)SEL選擇模塊實(shí)現(xiàn)防喘振閥的手動(dòng)測(cè)試功能，一般在主風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行期間該功能是不能投用的，只有在停車期間通過(guò)手動(dòng)測(cè)試閥的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目以TS3000為基本控制單元，采用Tricon控制器，實(shí)現(xiàn)催化兩機(jī)調(diào)速控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、機(jī)組防喘振控制以及機(jī)組設(shè)備控制和整個(gè)催化主風(fēng)機(jī)和富氣壓縮機(jī)組ESD功能。有良好的可靠性，可避免由于系統(tǒng)單點(diǎn)故障引起的停機(jī)，豐富的功能模塊，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法和具有強(qiáng)大的控制功能。機(jī)組各部分采用同一系統(tǒng)有很好的協(xié)調(diào)性，優(yōu)良的操作界面，同時(shí)可以和DCS通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。單對(duì)機(jī)組防喘振控制而言，能夠很好的預(yù)測(cè)喘振的發(fā)生，適時(shí)的調(diào)整喘振控制線和喘振操作點(diǎn)，當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)通過(guò)程序及時(shí)采取措施使防喘振閥動(dòng)作，可有效的避免機(jī)組喘振的發(fā)生，防止機(jī)組在惡劣工況下運(yùn)行。該系統(tǒng)運(yùn)行至今機(jī)組未發(fā)生過(guò)非計(jì)劃非人為停工，運(yùn)行狀況良好。操作和維護(hù)簡(jiǎn)單，有很好的可靠性，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的保證。

圖6 閥位選擇程序流程圖

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