ITCC 控制系統(tǒng)在永城煤電空分裝置壓縮機(jī)組中的應(yīng)用

楊 箏

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空分裝置也進(jìn)入特大型時代。 特大型的空分裝置對其主要旋轉(zhuǎn)設(shè)備空壓機(jī)、氧壓機(jī)、氮壓機(jī)的安全和控制提出了更高的要求。以往空分裝置多采用分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS）進(jìn)行控制，旋轉(zhuǎn)設(shè)備和靜設(shè)備信號的采集和控制共用一套DCS 來完成。由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備是離心式壓縮機(jī)，對控制系統(tǒng)有高可靠性和快速性的要求，因此，控制系統(tǒng)要進(jìn)行多重冗余配置，發(fā)生故障時進(jìn)行快速聯(lián)鎖保護(hù)，防止機(jī)組喘振發(fā)生。但是，常規(guī)DCS 系統(tǒng)采樣周期比較長，不能滿足壓縮機(jī)組高速控制的要求，難以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組復(fù)雜的控制方案。 為適應(yīng)壓縮機(jī)組的控制要求，新型控制方案是壓縮機(jī)組采用綜合透平壓縮機(jī)組控制（Intergated Turbine & Compressor Control，簡稱ITCC)，其他空分裝置采用DCS 控制，即DCS+ITCC 控制模式。

1 控制系統(tǒng)概述

1.1 ITCC 系統(tǒng)簡介

ITCC 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)，應(yīng)用于較大規(guī)模工程中壓縮機(jī)組的控制。與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)相比，它具有可靠性高、功能強(qiáng)大、組態(tài)靈活、容易操作等優(yōu)點(diǎn)，是集機(jī)組的防喘振控制、蒸汽輪機(jī)調(diào)速控制、性能控制、耦合控制、自保聯(lián)鎖邏輯控制、PID 控制等為一體的綜合控制系統(tǒng)。

1.2 ITCC 系統(tǒng)在永城煤電中的應(yīng)用現(xiàn)狀

河南煤化永城煤電5.2 萬空分裝置由開封空分集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，是我國首套自主研發(fā)的5.2 萬等級空分裝置。 永城煤電配置的壓縮機(jī)、增壓機(jī)、汽輪機(jī)均采用進(jìn)口機(jī)組，機(jī)組控制由ITCC 系統(tǒng)完成。 其中，ITCC 采用美國TRICON 公司的TS3000 系統(tǒng)，空分設(shè)備部分采用DCS 控制。DCS 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空分設(shè)備的自動控制、負(fù)荷跟蹤、優(yōu)化控制，為大型空分設(shè)備平穩(wěn)工作，進(jìn)而減少產(chǎn)品放空、節(jié)約消耗提供有效的解決措施。ITCC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組緊急停車聯(lián)鎖保護(hù)、綜合控制等功能，為機(jī)組長期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供保障。 系統(tǒng)配置如圖1 所示。

ITCC 系統(tǒng)獨(dú)立完成機(jī)組控制，主要包括：速度控制、性能控制、蒸汽抽氣控制、防喘振控制及連鎖保護(hù)。ITCC 具有良好的通信功能，通過ETCM 卡，可與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，僅兩者間的聯(lián)鎖保護(hù)通過硬接線實(shí)現(xiàn)，在節(jié)省材料和空間的基礎(chǔ)上，增加了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 控制器的控制模式分為就地（Local）控制和遠(yuǎn)傳（Remote）控制，就地控制是允許在現(xiàn)場ITCC 上進(jìn)行設(shè)定控制器的設(shè)定值等操作，但在DCS 上無權(quán)操作；遠(yuǎn)傳控制是允許在DCS 上進(jìn)行設(shè)定控制器的設(shè)定值等操作，但在ITCC 上無權(quán)操作。

2 ITCC 系統(tǒng)的軟、硬件配置

2.1 硬件配置

圖1 永城煤電5.2 萬空分DCS+27CC 控制系統(tǒng)配置圖Fig.1 Yong City Coal 52000 air separation DCS+ITCC control system allocation

ITCC 系統(tǒng)的核心是主處理器、電源模塊、通訊模塊、I/O 均可采用三重化冗余的容錯控制系統(tǒng)。 它突出的是“故障安全”功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，輸出保持正常原值不變，將機(jī)組控制在一個安全狀態(tài)。系統(tǒng)的三重化冗余（TMR）是指每個I/O 模塊內(nèi)有3個獨(dú)立分電路，3 個主處理器可利用其專有的高速三重化總線（Tribus）進(jìn)行相互間通信，其工作原理如圖2 所示。系統(tǒng)每掃描一次，3 個主處理器通過三重化總線與其他2 個主處理器進(jìn)行通信，達(dá)到同步。 同時，三重化總線對數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對模擬輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，并送到每個處理器。 主處理器執(zhí)行各種控制算法后，將運(yùn)算輸出值送到各輸出總線。 該系統(tǒng)除表決輸入數(shù)據(jù)外，也表決輸出數(shù)據(jù)。 另外，系統(tǒng)對每個I/O 模塊都提供熱備模塊支持，如果工作模塊發(fā)生故障，熱備模塊立即投入控制，不會因?yàn)閱吸c(diǎn)故障而造成停車，系統(tǒng)具有自診斷功能、在線維修功能，系統(tǒng)的安全性和可靠性得到很大的提高。

圖2 系統(tǒng)三重化冗余示意圖Fig.2 System triple redundant scheme

2.2 軟件配置

TRICON 系統(tǒng)軟件由InTouch 和Tristation1131兩部分組成。

InTouch 完成上位機(jī)組態(tài)，具有以下特點(diǎn)：（1）有獨(dú)立報警監(jiān)控程序，支持在線修改。 （2）具有畫面分層功能。 運(yùn)行時，可以根據(jù)程序，很方便地更換對象的鏈接數(shù)據(jù)源，從而使控制更靈活。 （3）獨(dú)立于畫面運(yùn)行的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直接反映現(xiàn)場狀態(tài)。 （4）基于節(jié)點(diǎn)控制的網(wǎng)絡(luò)，可以監(jiān)視遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

Tristation1131 完成下位機(jī)編程，是基于Windows環(huán)境開發(fā)的針對TRICON 系統(tǒng)的組態(tài)軟件，除自身帶有大量常用功能塊外，還允許用戶根據(jù)需要編制功能塊（如機(jī)組性能控制、聯(lián)鎖邏輯功能、防喘振控制、調(diào)速控制功能）。 各功能模塊之間協(xié)調(diào)容易，可滿足汽輪機(jī)調(diào)速、防喘振控制、ESD 聯(lián)鎖保護(hù)、過程監(jiān)控和蒸汽系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用要求。 Tristation1131 具有SOE（Sequence Of Events）事件記錄功能，所有輸入、輸出和內(nèi)存點(diǎn)都可以精確到毫秒級，為事故追憶及分析提供可靠的保證。

3 機(jī)組控制功能

壓縮機(jī)組的防喘振控制、ESD 保護(hù)、調(diào)速控制、耦合控制等功能共用一套ITCC 系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，極大地提高了系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。

3.1 防喘振控制

在機(jī)組運(yùn)行過程中，如果操作不當(dāng)或出現(xiàn)設(shè)備故障，可能使壓縮機(jī)組管網(wǎng)系統(tǒng)的氣流發(fā)生周期性振蕩，壓力、流量大幅度波動，機(jī)組發(fā)生喘振，造成壓縮機(jī)性能惡化，甚至損壞。 防喘振控制就是無論壓縮機(jī)壓縮比是多少，都要確保吸入流量比喘振流量大，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。 防喘振回路采用可變極限流量防喘振控制方案，由壓縮機(jī)組進(jìn)口壓力、出口壓力、進(jìn)口流量組成防喘振控制算法。

防喘振算法采用Pd/Ps～H/Ps算法，動態(tài)狀況如圖3 所示。 圖中，H 為流量孔板的差壓；Ps為進(jìn)口壓力；Pd為出口壓力；SL為喘振線；RAMP 為快開線；SCL為防喘振線。喘振線和防喘振線的裕度可在5%～8%之間調(diào)整，喘振線和快開線的裕度可在4%～6%之間調(diào)整。 所有的防喘振回路在ITCC 上都能顯示出喘振線、防喘振線、快開線、工作點(diǎn)、控制點(diǎn)的位置，并能隨著工況動態(tài)變化，使操作人員對機(jī)組運(yùn)行參數(shù)一目了然，便于及時調(diào)整。

為保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行，在防喘振程序中采用了以下措施。

圖3 防喘振控制圖Fig.3 Anti-surge arithmetic

3.1.1 實(shí)測喘振線

喘振線SL是壓縮機(jī)組的固有特性曲線。由于廠家給出的喘振線數(shù)據(jù)通常比較保守，與實(shí)際喘振線存在很大的差異，使產(chǎn)品大量放空，造成極大的能量消耗和浪費(fèi)。 另外，實(shí)際進(jìn)口管道布置差異也使喘振線產(chǎn)生無法精確計算的偏差。 因此，喘振線需要通過現(xiàn)場測試來確定。 進(jìn)行機(jī)組喘振曲線測定試驗(yàn)時，須保證機(jī)組轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力和溫度等運(yùn)行參數(shù)嚴(yán)格滿足設(shè)計數(shù)據(jù)要求，并保持穩(wěn)定。 試驗(yàn)時，先確定一個進(jìn)口導(dǎo)葉角度，手動緩慢關(guān)閉防喘振閥，工作點(diǎn)會沿著性能曲線向左滑動，逐漸接近喘振點(diǎn)。此時，應(yīng)密切監(jiān)視機(jī)組振動趨勢，一旦出現(xiàn)機(jī)組振動值突變性大幅上升，立即將防喘振閥門開大，以遠(yuǎn)離喘振區(qū)域。 記錄發(fā)生振動突變時的工作點(diǎn)，該點(diǎn)就是第一個喘振點(diǎn)。 以此類推，測量出幾個喘振點(diǎn)后，就可以繪制出一條喘振曲線。

3.1.2 防喘振線自動移動

由于操作不當(dāng)，或機(jī)組長時間運(yùn)轉(zhuǎn)后實(shí)際喘振線移動等原因，機(jī)組會發(fā)生喘振。 當(dāng)系統(tǒng)檢測到工作點(diǎn)已跨過喘振線時，表明喘振已經(jīng)發(fā)生。 此時，防喘振程序會自動調(diào)整防喘振線，按固定比例向右移動，形成新的防喘振線，并在ITCC 上動態(tài)顯示出來。 每測得一次喘振，防喘振線向右移動一次，并且ITCC自動記錄喘振次數(shù)。 當(dāng)喘振次數(shù)達(dá)到最大次數(shù)時，喘振曲線已發(fā)生較大偏移，程序會自動把防喘振線復(fù)位到初始位置。 在操作過程中，也可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對防喘振線進(jìn)行復(fù)位。

3.1.3 快開慢關(guān)

當(dāng)防喘振調(diào)節(jié)器輸出信號是開大調(diào)節(jié)閥時，迅速打開防喘振閥，防止喘振發(fā)生。 當(dāng)喘振現(xiàn)象消失、工作點(diǎn)在防喘振線右側(cè)時，應(yīng)按固定速率緩慢關(guān)閉防喘振閥，避免由于快速關(guān)閉造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 快開慢關(guān)防喘振閥，有利于系統(tǒng)重新調(diào)整轉(zhuǎn)速，形成新的工況。

3.1.4 按比例控制的快開

當(dāng)防喘振調(diào)節(jié)器不能滿足要求時，工作點(diǎn)向左移動到快開線，該功能開始起作用，強(qiáng)制打開回流閥到預(yù)定開度。 當(dāng)工作點(diǎn)移動到喘振線時，全開回流閥。 該功能為純比例控制。 將其輸出結(jié)果與其他功能塊輸出結(jié)果進(jìn)行比較，根據(jù)較高信號，對回流閥進(jìn)行控制。

3.1.5 適配增益

當(dāng)工作點(diǎn)在喘振線左側(cè)時，給定一個適當(dāng)增益，在喘振線右側(cè)時，減小比例項(xiàng)作用。 該功能與快開慢關(guān)功能一起作用，能有效地防止喘振發(fā)生。

3.1.6 徘徊控制

當(dāng)系統(tǒng)檢測到壓力、流量、溫度等信號發(fā)生較大變化時，使工作點(diǎn)向左移動，則控制點(diǎn)也向左移動。 如果工作點(diǎn)移動速度大于控制點(diǎn)移動速度，防喘振程序?qū)⒀杆俅蜷_回流閥，工作點(diǎn)調(diào)整到安全區(qū)域。 如果工作點(diǎn)仍向左移動，超過防喘振線，則控制點(diǎn)將固定在防喘振線上，程序?qū)⒁恢贝蜷_回流閥，直到工作點(diǎn)工作在安全區(qū)域內(nèi)。

3.1.7 控制模式

喘振控制分為自動、 半自動和手動3 種控制模式。自動模式是最為嚴(yán)格的控制模式。在該模式下，操作人員無法開啟或關(guān)閉防喘振閥，防喘振控制器決定防喘振閥的操作位置，通過監(jiān)控喘振過程變量，確定防喘振閥的操作位置。 設(shè)置在自動模式時，手動模式將跟蹤閥門當(dāng)前位置，以便能無擾動地切換到手動模式。 在手動控制模式下，操作人員手動改變防喘振閥的操作位置。 在半自動模式下，允許操作人員打開防喘振閥，但可能無法將閥門關(guān)閉到自動需求以下。 在該模式下，如果操作人員打開的閥門開度太小，致使壓縮機(jī)吸入流量過小，即將造成喘振事故，控制系統(tǒng)將忽略手動控制而直接執(zhí)行自動控制程序，打開防喘振閥。 在操作時，要盡量使用自動模式和半自動模式，少使用手動模式。 因?yàn)樵谑謩幽Ｊ较?，容易發(fā)生喘振，對設(shè)備造成損害。 因此，手動模式僅用于工程設(shè)計或現(xiàn)場儀表故障檢修。

對于壓縮機(jī)組而言，工作點(diǎn)位于喘振線右側(cè)越遠(yuǎn)越安全，但工作點(diǎn)距離喘振線越近越經(jīng)濟(jì)。 防喘振控制的主要目的就是在安全性和經(jīng)濟(jì)性之間選擇一個平衡點(diǎn)，在應(yīng)用中，將工作點(diǎn)確定在防喘振線右方2%～3%的位置。

3.2 緊急停車ESD 保護(hù)

ESD 是緊急停車系統(tǒng)的簡稱，其作用是當(dāng)機(jī)組的相關(guān)參數(shù)（如振動、軸溫、壓力等）超出一定限度時，能立即停車，避免造成嚴(yán)重的事故。

壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在實(shí)際運(yùn)行中，ITCC 的控制周期為75～85 ms，滿足100 ms 的最低控制周期要求，能夠?qū)C(jī)組進(jìn)行快速控制。

3.3 調(diào)速控制

調(diào)速控制是ITCC 系統(tǒng)的核心功能。 測速探頭輸出的頻率信號進(jìn)入PI 卡，經(jīng)過PID 速度控制塊后，輸出4～20mA 電信號到電液轉(zhuǎn)換器，控制HP 閥門的開度，從而改變進(jìn)入機(jī)組的蒸汽流量，控制汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速。

ITCC 系統(tǒng)根據(jù)汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的升速曲線和升速率編制自動或半自動啟動程序。 機(jī)組的速度控制可以有多種運(yùn)行方式，包括停機(jī)、復(fù)位、啟動、暖機(jī)、升速、運(yùn)行、正常停機(jī)和超速試驗(yàn)等。 在自動啟動模式下，根據(jù)啟動曲線的升速率，蒸汽機(jī)組將自動從零轉(zhuǎn)速升到臨界轉(zhuǎn)速，并且由“升速模式”進(jìn)入“運(yùn)行模式”。 這時，通過“升降速按鈕”，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速至工作需要的正常轉(zhuǎn)速。

在對蒸汽輪機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的同時，控制系統(tǒng)接收由三選二超速控制器送來的超速停機(jī)信號，對機(jī)組進(jìn)行超速保護(hù)控制。

3.4 耦合控制

耦合控制是由速度控制器和喘振控制器協(xié)調(diào)進(jìn)行工作的。 對于由蒸汽輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速的增高和降低可以通過改變壓縮機(jī)的出口流量、進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量和出口壓力等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 在正常情況下，相互作用可以滿足一定的轉(zhuǎn)速下維持相應(yīng)流量的要求，同時使壓縮機(jī)組工作在防喘振線右側(cè)。 但在異常情況下，相互作用會發(fā)生矛盾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 此時，要求兩個控制器的耦合作用失效，進(jìn)行解耦控制，優(yōu)先選擇防喘振控制，避免喘振發(fā)生。

4 結(jié)語

ITCC 控制系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)，通過應(yīng)用，證明壓縮機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，防喘振控制及時、合理，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)組的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。 但是，在系統(tǒng)使用和維護(hù)的過程中，也暴露了一些問題，對此總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)。

（1）在實(shí)際運(yùn)行中，存在著ITCC 控制系統(tǒng)與DCS之間通訊數(shù)據(jù)量較大的問題，須結(jié)合工藝操作進(jìn)行必要取舍，避免因通訊量較大而造成通訊阻塞及系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（2）對于未使用的通道要進(jìn)行短接，否則容易出現(xiàn)空間感應(yīng)的干擾信號。

（3）多次在線下安裝程序之后，需要將程序全部下載一次，否則會出現(xiàn)運(yùn)行錯誤、死機(jī)等故障。

（4）對于SOE(事件序列記錄)而言，記錄事件要有選擇性。 如，對于試車時位置報警等頻繁發(fā)生的事件，不需要記錄，以避免占用過多資源，使真正需要的信息無法記錄，從而無法查找故障出現(xiàn)的原因。

（5）在運(yùn)行時，要進(jìn)行分級登陸，操作員使用較低權(quán)限，工程師使用較高權(quán)限，以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

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