CCC控制系統(tǒng)在空分3TY壓縮機(jī)上的應(yīng)用

趙麗云

（云南解化清潔能源開(kāi)發(fā)有限公司解化化工分公司，云南開(kāi)遠(yuǎn) 661699）

·經(jīng)驗(yàn)交流·

CCC控制系統(tǒng)在空分3TY壓縮機(jī)上的應(yīng)用

趙麗云

（云南解化清潔能源開(kāi)發(fā)有限公司解化化工分公司，云南開(kāi)遠(yuǎn) 661699）

介紹了CCC控制系統(tǒng)軟、硬件的構(gòu)成；通過(guò)對(duì)喘振線的確定方法以及控制系統(tǒng)的基本控制功能和特殊響應(yīng)等情況的分析和介紹，闡述了CCC控制系統(tǒng)的控制功能和控制效果。

CCC控制系統(tǒng)；空分；3TY壓縮機(jī)；喘振

解化化工分公司空分3TY壓縮機(jī)選用30000 m3／h空氣透平壓縮機(jī)組，該機(jī)組為單軸型離心式壓縮機(jī)，它由凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。離心式壓縮機(jī)具有輸氣量大，易損部件少，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可利用工藝廢熱產(chǎn)生的蒸汽作動(dòng)力等許多優(yōu)點(diǎn)，但離心式壓縮機(jī)如果控制不好，在某些狀況下運(yùn)行就會(huì)發(fā)生喘振。喘振使機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可使密封損壞，甚至?xí)馆S瓦、葉輪乃至整個(gè)機(jī)組損壞。為了使機(jī)組安全高效地運(yùn)行，選用美國(guó)壓縮機(jī)控制公司的CCC控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制，它可以提高壓縮機(jī)工作效益，同時(shí)，可減少甚至消除喘振事故的發(fā)生，還可以延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

1 3TY壓縮機(jī)組工藝流程簡(jiǎn)介

3TY壓縮機(jī)組利用3．0 MPa過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)NH32／02凝汽式汽輪機(jī)做功，為離心式壓縮機(jī)提供動(dòng)力。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪因旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使空氣得到動(dòng)能，經(jīng)擴(kuò)壓管將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力，使空氣壓力得到提高。

1.1 空氣流程

空氣進(jìn)入自潔式空氣過(guò)濾器除去機(jī)械雜質(zhì)、灰塵后，經(jīng)導(dǎo)葉裝置進(jìn)入壓縮機(jī)低壓缸。一級(jí)壓縮后進(jìn)入一級(jí)中間冷卻器降溫，接著，進(jìn)入二級(jí)壓縮及二級(jí)中間冷卻器降溫；然后，進(jìn)入三、四級(jí)壓縮，接著，進(jìn)入三級(jí)中間冷卻器降溫；再然后，進(jìn)入五、六級(jí)壓縮及四級(jí)中間冷卻器降溫；最后，進(jìn)入七、八級(jí)壓縮，使空氣壓力達(dá)到2．41 MPa，溫度＜130℃。經(jīng)出口閥和止逆閥送到凈化轉(zhuǎn)化崗位，富余部分空氣減壓至0．55 MPa，送2＃、3＃空分生產(chǎn)氧氣、氮?dú)猓?］。

1.2 蒸汽流程

過(guò)熱蒸汽來(lái)自中壓蒸汽管網(wǎng)，經(jīng)過(guò)速關(guān)節(jié)流閥（2301）、調(diào)節(jié)汽閥（SV－6801）進(jìn)入汽輪機(jī)做功。做功后的乏汽進(jìn)入蒸汽冷凝器，與列管內(nèi)循環(huán)冷卻水換熱，變?yōu)槟Y(jié)水。經(jīng)冷凝液泵加壓進(jìn)入射汽抽汽器，換熱后送至凝結(jié)水管網(wǎng)［1］。

2 控制系統(tǒng)的軟、硬件構(gòu)成

CCC控制系統(tǒng)是實(shí)時(shí)、多任務(wù)、開(kāi)放式系統(tǒng)，采用先進(jìn)的安全型CPCI總線構(gòu)架、雙重化冗余容錯(cuò)的硬件體系。CCC控制系統(tǒng)的供電采用雙電源，其中：交流供電系統(tǒng)加裝了兩個(gè)浪涌保護(hù)器，以提高交流電源的質(zhì)量；直流供電系統(tǒng)對(duì)數(shù)字量輸入回路、數(shù)字量輸出回路、超速保護(hù)系統(tǒng)供電回路、控制器供電回路、隔離器供電回路單獨(dú)供電，而且每個(gè)回路都是雙電源供電，中間用二極管隔離，以確保兩路供電互不干擾。CCC控制系統(tǒng)主要硬件由一臺(tái)雙冗余控制器（Reliant）、一套超速保護(hù)系統(tǒng)（Guardian）和一臺(tái)操作站組成。其主要軟件由透平機(jī)械控制運(yùn)用軟件、工程師組態(tài)維護(hù)軟件和人機(jī)界面軟件等軟件包組成。應(yīng)用軟件包中包括防喘振控制、速度控制和性能控制3個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)喘振控制、轉(zhuǎn)速控制及性能控制。如圖1所示。

圖1 控制器Figure 1 Controller

2.1 喘振控制

喘振控制器（UZ－6010）是通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)入口空氣壓力、入口空氣溫度、出口空氣壓力、出口空氣溫度、出口空氣流量等參數(shù)的檢測(cè)，并進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算后，得出代表壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行點(diǎn)（OP）。運(yùn)行點(diǎn)與通過(guò)喘振實(shí)驗(yàn)得出的喘振線（SLL）進(jìn)行比較得到偏差信號(hào)（DEV），并在喘振控制器中完成比例、積分、微分響應(yīng)后，輸出一個(gè)信號(hào)控制放空閥（V6004），從而避免喘振事故的發(fā)生。

2.2 轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速控制器（SIC－6310）是將兩個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量探頭測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)送入控制器中作為測(cè)量值（PV）并與控制器的設(shè)定值（或性能控制器輸出1）進(jìn)行比較，然后，輸出信號(hào)控制調(diào)速閥（V6801）對(duì)汽輪機(jī)入口蒸汽量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

2.3 性能控制

在性能控制器（PIC－6010）中，通過(guò)軟件組態(tài)將喘振控制線（SLL）向右移一個(gè)安全裕度（b），形成一條性能控制線（SCL），如圖2所示。

壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)與性能控制線比較后改變控制輸出，確保壓縮機(jī)工作在性能控制線上。性能控制器（PIC－6010）有兩個(gè)控制輸出（輸出1和輸出2）。輸出2控制導(dǎo)葉開(kāi)度，當(dāng)輸出2 為0～8%時(shí)，對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度為30°；當(dāng)輸出2 在8%～90%時(shí)，對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度為30°～90°；當(dāng)輸出2為90%～100%時(shí)，對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度為90°。輸出1為轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)輸出1為0～100%時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為5500～5700 r／min。當(dāng)轉(zhuǎn)速控制器工作在性能設(shè)定狀態(tài)時(shí)，性能控制器的輸出1直接作為轉(zhuǎn)速控制器的給定信號(hào)。通過(guò)轉(zhuǎn)速控制器控制轉(zhuǎn)速，使整個(gè)機(jī)組工作在高性能狀態(tài)。

圖2 性能曲線圖Figure 2 Performance curves

2.4 超速保護(hù)系統(tǒng)

超速保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)3個(gè)轉(zhuǎn)速探頭的信號(hào)值，實(shí)現(xiàn)3選2控制。3個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)中，若有兩個(gè)信號(hào)超過(guò)設(shè)定值，就發(fā)出跳車信號(hào)，這樣，既保證了機(jī)組的安全，又避免了因某一轉(zhuǎn)速測(cè)量探頭故障而造成的誤動(dòng)作。

2.5 操作站

操作站上完成了控制系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)系統(tǒng)圖、空壓機(jī)I／O表）、趨勢(shì)、性能曲線圖、事件、報(bào)警、控制器、打印屏幕等界面顯示，為操作人員提供了必要的操作、監(jiān)視和控制畫(huà)面。

3 CCC控制系統(tǒng)亮點(diǎn)分析

控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是喘振線的確定以及壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的運(yùn)算程序。如果喘振線或運(yùn)行點(diǎn)不準(zhǔn)確，將影響控制質(zhì)量，甚至造成誤跳車。CCC控制系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析控制，具有特殊的控制響應(yīng)，使壓縮機(jī)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

3.1 喘振線的確定

喘振線是CCC工程師現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后計(jì)算出來(lái)的。用1臺(tái)計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)相連，在壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉開(kāi)度保持不變時(shí)，緩慢關(guān)小放空閥，使運(yùn)行點(diǎn)接近喘振線。檢測(cè)到初始喘振時(shí)，用快速記錄軟件記錄壓縮機(jī)參數(shù)（此時(shí)防喘振控制器中設(shè)定的階梯響應(yīng)（RT）功能會(huì)快速打開(kāi)放空閥，使壓縮機(jī)快速遠(yuǎn)離喘振狀態(tài)），此時(shí)記錄的初始喘振點(diǎn)就是這一導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)應(yīng)的喘振點(diǎn)。改變導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行另一點(diǎn)的喘振實(shí)驗(yàn)。在透平機(jī)導(dǎo)葉全行程范圍內(nèi)進(jìn)行3點(diǎn)以上喘振實(shí)驗(yàn)。根據(jù)喘振點(diǎn)，描繪出壓縮機(jī)實(shí)際的喘振線，并通過(guò)人為模擬工藝過(guò)程的擾動(dòng)對(duì)防喘振控制系統(tǒng)進(jìn)行精調(diào)。實(shí)驗(yàn)完成后，CCC現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師計(jì)算出實(shí)際的喘振線，并輸入到防喘振控制器中，形成喘振線（SLL）［2］。如圖3所示。

圖3 喘振控制曲線圖Figure 3 Surge control graph

3.2 基本控制功能

把空壓機(jī)運(yùn)行點(diǎn)與喘振線之間的關(guān)系用喘振接近度（S）變量表示。S是壓縮機(jī)喘振線上喘振點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線的斜率和壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線的斜率之比。

S約等于喘振流量與實(shí)際流量之比，即：S＝Q喘振／Q實(shí)際。當(dāng)S＝1時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)在喘振線上；當(dāng)S＞1時(shí)，實(shí)際流量小于喘振流量，壓縮機(jī)發(fā)生喘振；當(dāng)S＜1時(shí)，實(shí)際流量大于喘振流量，壓縮機(jī)不會(huì)喘振。

要防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振，必須在運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)喘振線之前就開(kāi)始動(dòng)作，即增加壓縮機(jī)的流量。CCC控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)性能控制功能，即將喘振線右移一個(gè)安全裕度（b），形成一條喘振控制線，也稱性能控制線（SCL）。安全裕度（b）的值可用下列公式計(jì)算［3－4］。

式中：b為安全裕度，是SCL與SLL之間的距離；b1為初始安全裕度，是SCL與SLL之間的最小距離；b2為安全響應(yīng)偏值，即每次探測(cè)到喘振時(shí)，SCL右移的距離；n為喘振次數(shù)累積值；b3為微分響應(yīng)系數(shù)；Td0×dS／dt為喘振接近度S的微分作用。

壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在性能控制線上是壓縮機(jī)的最佳工作狀態(tài)，此時(shí)：運(yùn)行點(diǎn)與性能控線之間的距離，即偏差（DEV）為0。偏差的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：DEV＝1－bf4（Z）－S。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)在壓縮機(jī)性能控制線上時(shí)DEV＝0，此時(shí)性能控制器輸出不變；當(dāng)工藝出現(xiàn)擾動(dòng)，至使運(yùn)行點(diǎn)移到性能控制線左側(cè)時(shí)，DEV＜0，性能控制器將根據(jù)DEV值的大小打開(kāi)導(dǎo)葉閥，增加出口流量，使運(yùn)行點(diǎn)右移，同時(shí)喘振控制器將根據(jù)S的大小調(diào)整防喘振控制閥，使運(yùn)行點(diǎn)回到性能控制線上；當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)在性能控制線的右側(cè)時(shí)，DEV＞0，此時(shí)在性能控制器和喘振控制器的作用下，朝相反方向調(diào)整導(dǎo)葉閥和防喘振閥，保證運(yùn)行點(diǎn)工作在性能控制線上［3－4］。

如果工藝擾動(dòng)較大，使比例積分（PI）和特殊微分（D）響應(yīng)不足以消除干擾，CCC控制系統(tǒng)的階梯響應(yīng)功能可以快速調(diào)整防喘振閥，防止喘振。階梯響應(yīng)線位于性能控制線與喘振線之間，它與性能控制線之間的距離為RT。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：C1為最大階梯響應(yīng)；Td1為階梯響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；dS／dt為運(yùn)行點(diǎn)的變化率；C0為階梯響應(yīng)增益；DEVRT為階梯響應(yīng)偏差［3－4］。

3.3 特殊響應(yīng)功能

CCC控制系統(tǒng)具有完善的控制保護(hù)功能，控制系統(tǒng)中喘振線、性能控制線、階梯響應(yīng)線等曲線是動(dòng)態(tài)指標(biāo)，機(jī)組發(fā)生喘振時(shí)，曲線會(huì)自動(dòng)右移，以確保機(jī)組的安全運(yùn)行。除圖3中的喘振線（SLL）、性能控制線（SCL）、階梯響應(yīng)線（RTL）外，還有自增益響應(yīng)線（SOL）、閥門(mén)緊關(guān)線（TSL）等響應(yīng)線。SOL線位于SLL左側(cè)，TSL位于SCL右側(cè)，共有4個(gè)響應(yīng)以完成機(jī)組的控制和保護(hù)。

3.3.1 PI控制響應(yīng)

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較小較平緩的擾動(dòng)時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)緩慢越到性能控制線的左側(cè)，PI響應(yīng)開(kāi)始動(dòng)作：將回流閥打開(kāi)，直至運(yùn)行點(diǎn)回到性能控制線上，防喘振閥關(guān)死。PI響應(yīng)對(duì)于輕微工藝擾動(dòng)能夠給以足夠的保護(hù)和控制［5］。

3.3.2 階梯（RT）響應(yīng)

當(dāng)出現(xiàn)較快的工藝擾動(dòng)，且PI響應(yīng)不足以消除時(shí)，造成運(yùn)行點(diǎn)越過(guò)RTL線。此時(shí)，RT開(kāi)始動(dòng)作：快速打開(kāi)防喘振閥，使運(yùn)行點(diǎn)右移，從而避免喘振的發(fā)生［5］。

3.3.3 SOL自增益響應(yīng)

在機(jī)組發(fā)生喘振，運(yùn)行點(diǎn)越過(guò)自增益響應(yīng)線SOL時(shí)，性能控制線和RT響應(yīng)線自動(dòng)向右移動(dòng)：增加安全裕度，保護(hù)機(jī)組。在查明原因后可以手動(dòng)復(fù)位，各曲線恢復(fù)原位［5］。

3.3.4 TSL線響應(yīng)

當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)在閥門(mén)緊關(guān)線（TSL）右側(cè)時(shí)，喘振控制器輸出為零，防喘振閥完全關(guān)閉；當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)位于閥門(mén)緊關(guān)線左側(cè)、性能控制線右側(cè)時(shí)，喘振控制器輸出一固定數(shù)值，防喘振閥保持一定開(kāi)度。這一提前開(kāi)啟量能夠消除防喘振控制響應(yīng)的死區(qū)時(shí)間，同時(shí)又防止因閥門(mén)內(nèi)部卡滯而造成的影響，提高防喘振保護(hù)的能力和速度［5］。

4 應(yīng)用效果

CCC控制系統(tǒng)是國(guó)際上成功應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)，它減少甚至消除了喘振、超速及相關(guān)危害事故的發(fā)生；既可延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本，又提高了壓縮機(jī)的工作效率。CCC控制系統(tǒng)使機(jī)組在任何狀態(tài)下不發(fā)生喘振，保護(hù)了機(jī)組的安全，同時(shí)，也在低負(fù)荷下節(jié)省了動(dòng)力蒸汽。使用CCC控制系統(tǒng)后，開(kāi)車、停車實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)完成，既提高了壓縮機(jī)組運(yùn)行的可靠性，又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。CCC控制系統(tǒng)從2009年1月投運(yùn)，到現(xiàn)在4年多的時(shí)間里，運(yùn)行安全、穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)不超過(guò)3 r／min。CCC控制系統(tǒng)增強(qiáng)了設(shè)備和工藝的運(yùn)行效率，減少了回流量、放空量，優(yōu)化了壓縮機(jī)的運(yùn)行，避免了各種原因引起的跳車事故。

［1］解化化工分公司空分組．Q／JH J3．SCB015－2010空分壓縮機(jī)崗位工藝操作法［M］．云南：解化化工分公司，2010．

［2］美國(guó)壓縮機(jī)控制公司北京代表處．CCC公司壓縮機(jī)喘振試驗(yàn)規(guī)程［M］．北京：美國(guó)壓縮機(jī)控制公司北京代表處，2006．

［3］美國(guó)壓縮機(jī)控制公司．防喘振控制器培訓(xùn)參考資料快易卡［M］．美國(guó)壓縮機(jī)控制公司，2004．

［4］王飛．壓縮機(jī)喘振與3C防喘振控制器在壓縮機(jī)上的設(shè)計(jì)策略［J］．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013，231 （3）：52－49．

［5］鄭愛(ài)國(guó)，孫立德．CCC防喘振控制系統(tǒng)在延遲焦化富氣壓縮機(jī)節(jié)能方面上的運(yùn)用［J］．GM通用機(jī)械：流體輸送及煉化技術(shù)專題，2012（2）．

Application of CCC Control System in Air Separation 3TY Compressor

ZHAO Li-yun

（Jiehua Clean Energy Development Co．Ltd．，Jiehua Chemical Branch，Kaiyuan 661699，China）

The composition of the soft and the hardware of CCC control system was introduced；By analyzing and introducing the determining method of surge line and the basic control function and special response of control system，the control function and the control effect of CCC control system was introduced．

CCC Control System；Air separation；3TY compressor；Surge；Overspeed protection system．

TQ056

A

1004-275X（2014）02-0061-04

12．3969／j．issn．1004-275X．2014．02．018

收稿：2014-01-13

趙麗云（1962-），女，云南建水人，工程師，主要從事化工自動(dòng)化儀表工作。