TRICON的防喘振控制系統(tǒng)在合成氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

王偉東，馬俊超，曹海平，張紫平

（1.大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司，北京 100070；2.大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021021）

TRICON的防喘振控制系統(tǒng)在合成氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

王偉東1，馬俊超2，曹海平1，張紫平1

（1.大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司，北京 100070；2.大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021021）

離心壓縮機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，喘振是其本身的一個特點(diǎn)，防喘振控制是保護(hù)離心壓縮機(jī)的重要措施。本文介紹了TRICON控制系統(tǒng)在大唐呼倫貝爾化肥有限公司合成氣壓縮機(jī)中的防喘振應(yīng)用，對控制原理和防喘振控制的方案進(jìn)行了說明。

壓縮機(jī)；防喘振；TRICON控制器

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.013

以汽輪機(jī)拖動的大型壓縮機(jī)組，其典型的傳統(tǒng)控制方式是：Woodward 505作為機(jī)組調(diào)速控制，超速保護(hù)采用203三選二表決方式，振動位移監(jiān)測為本特利機(jī)組狀態(tài)檢測系統(tǒng)，事故報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用PLC控制，以及由儀表與調(diào)節(jié)閥及防喘振控制器組成的防喘振控制系統(tǒng)等。

近年來，隨著自動控制水平的不斷提高，目前為用戶提供一種ITCC（Integrated Turbine&Compressor Control System）機(jī)組綜合控制系統(tǒng)已成為主流方式，ITCC具有3個基本控制功能：透平控制（SIC）、壓縮機(jī)性能控制（PIC）、壓縮機(jī)控制（UIC）。它將傳統(tǒng)上需要多個分立儀表實(shí)現(xiàn)的功能集成在一套可靠性冗余容錯的控制系統(tǒng)中完成。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，ITCC將壓縮機(jī)的壓力、流量、防喘振控制、透平調(diào)速、透平轉(zhuǎn)速超調(diào)保護(hù)集中在一起，方便控制與管理，減少了各種單功能控制器之間通信時間的延遲和繁瑣的連接，故障率相對較低，具有較好的技術(shù)優(yōu)勢。下面著重介紹ICCC在大唐呼倫貝爾化肥公司合成氣壓縮機(jī)中的防喘振應(yīng)用。

1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大唐呼倫貝爾化肥公司18萬t/a合成氨—30萬t/a尿素裝置，合成氣壓縮機(jī)組采用凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動，離心壓縮機(jī)由Hitachi設(shè)備技術(shù)公司制造，型號為2BCH458+3BCH408/A，四級壓縮，合成氣壓縮機(jī)有兩套獨(dú)立的防喘振控制系統(tǒng)，四級出口分別為回一級入口和三級入口兩種防喘振方式。合成氣壓縮機(jī)工藝流程見圖1。

圖1　壓縮機(jī)工藝流程

ITCC控制系統(tǒng)選用美國TRICONEX公司TRICON TS3000控制器，程序部分由軟件Tristation1131完成組態(tài)，人機(jī)界面軟件為WonderwareInTouch10.1，系統(tǒng)主要構(gòu)成由主處理器1套MP3008、數(shù)字量輸入卡件采用3503E、數(shù)字量輸出卡件采用3625、數(shù)字量輸入采用3700A、模擬量輸入卡件3805E、BENLEY3500檢測系統(tǒng)1套、操作站2臺、工程師站1臺。TRICON控制系統(tǒng)三重化冗余容錯控制系統(tǒng)保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，控制系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)指示記錄、控制功能，SOE（順序事件記錄）功能更好地為事故分析提供保障。

2　壓縮機(jī)的喘振特性分析

離心壓縮機(jī)的流量減小到一定值時，就會引起壓縮機(jī)喘振。喘振發(fā)生時，壓縮機(jī)的流量、出口壓力均會出現(xiàn)劇烈波動，氣流噪聲加大和機(jī)組的振動值激增，嚴(yán)重時可導(dǎo)致機(jī)組損壞。當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)即將進(jìn)入喘振區(qū)時，可通過打開防喘振閥增加流量，來防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)下運(yùn)行。

壓縮機(jī)防喘振控制的對象主要是控制防喘振閥。當(dāng)壓縮機(jī)流量過小時，可以通過控制防喘振閥的開度來增加流量。當(dāng)機(jī)組聯(lián)鎖停車時，通過防喘振閥上配套的電磁閥的快速開啟來防止機(jī)組在停車過程中發(fā)生喘振。

一般來說，壓縮機(jī)組及配套管線安裝完成后，其管網(wǎng)性能曲線不再改變，而工況的變化直接影響壓縮機(jī)的性能曲線，工況變化有時并不是在人們有意識的直接控制下（如調(diào)節(jié)閥門等）發(fā)生的，而是間接地接受到生產(chǎn)系統(tǒng)乃至汽輪機(jī)拖動的意外干擾而發(fā)生的。

發(fā)生喘振的原因主要有以下幾點(diǎn)。

（1）出口流量。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)一定時，隨著出口壓力背壓的增大，出口流量將大量減少。當(dāng)出口壓力達(dá)到某一極限值時，則進(jìn)入喘振區(qū)，壓縮機(jī)隨之發(fā)生喘振。流量減少是發(fā)生喘振的根本原因，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免壓縮機(jī)在小流量工況下運(yùn)行，一般來講，壓縮機(jī)在最小流量下應(yīng)低于設(shè)計(jì)流量的60%。

（2）入口壓力。壓縮機(jī)在出口壓力恒定的條件下運(yùn)行時，入口壓力越低，壓縮機(jī)越容易發(fā)生喘振。

（3）入口溫度。壓縮機(jī)在出口壓力恒定的條件下運(yùn)行時，入口溫度越高，壓縮機(jī)越容易發(fā)生喘振。

（4）轉(zhuǎn)速。汽輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)會根據(jù)外界工藝的要求，通過改變轉(zhuǎn)速來控制流量，在外界用氣量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，越容易發(fā)生喘振。當(dāng)壓縮機(jī)突然從高轉(zhuǎn)速跌至低轉(zhuǎn)速時，也會發(fā)生喘振。

（5）氣體相對分子量。壓縮機(jī)在出口壓力恒定的條件下運(yùn)行時，相對分子量越小，壓縮機(jī)越容易發(fā)生喘振。

3　可變極限流量防喘振控制［1］

可變極限流量防喘振控制是在整個壓縮機(jī)負(fù)荷變化范圍內(nèi)，設(shè)置極限流量跟隨轉(zhuǎn)速而變化的一種防喘振控制。對于本案例的合成氣壓縮機(jī)來說，其負(fù)荷是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變的，這樣一來，喘振極限流量Q也就不是一個固定值，會隨著轉(zhuǎn)速的下降而減小?？勺儤O限流量防喘振控制的關(guān)鍵是確定壓縮機(jī)喘振極限線方程，然后在喘振極限線右邊建立一條“安全操作線”，對應(yīng)的流量要比喘振極限流量大5%～10%，因而，要完成壓縮機(jī)的可變極限流量防喘振控制，需要解決2個問題：①安全操作線的數(shù)學(xué)模型的建立；②用相應(yīng)的技術(shù)手段（如ITCC）實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)算。

喘振極限線和安全操作線見圖2，圖2上的喘振線是對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速時的壓縮機(jī)特性曲線的喘振點(diǎn)的連線。理論上只要壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在喘振極限線的右側(cè)，就可以避免喘振的發(fā)生，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于操作工況的波動，為了可靠運(yùn)行，實(shí)際工作點(diǎn)應(yīng)控制在安全操作線的右側(cè)。

圖2　喘振極限線和安全操作線

4　TRICON在防喘振控制中的應(yīng)用

Tricon控制系統(tǒng)利用防喘振擴(kuò)展函數(shù)功能模塊來完成壓縮機(jī)的防喘振控制（見圖3）。

圖3　壓縮機(jī)防喘振邏輯框圖

Tricon的防喘控制系統(tǒng)可由各個獨(dú)立的功能模塊來描述，每個模塊都有各自已定義的功能，并通過輸入輸出信號與其他功能模塊相互連接和作用。TS3000控制系統(tǒng)的喘振控制每一個模塊都定義一種具體的控制功能，各種控制功能相互作用，構(gòu)成一個完整的防喘振控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中合成氣壓縮機(jī)的喘振控制器操作界面見圖4。

圖4　喘振控制器操作界面

ITCC上位畫面中包括喘振線、喘振控制線、工作狀態(tài)點(diǎn)和喘振盤旋點(diǎn)，當(dāng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)點(diǎn)不在喘振區(qū)域時，喘振標(biāo)志為綠色，壓縮機(jī)工作狀態(tài)點(diǎn)在喘振線右部；當(dāng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)在喘振區(qū)域時，喘振標(biāo)志為紅色，壓縮機(jī)工作點(diǎn)在喘振線左部。機(jī)組投入運(yùn)行后，TRICON系統(tǒng)將根據(jù)壓縮機(jī)入口流量、入口壓力、出口壓力及相應(yīng)的溫度，利用TRICON防喘振控制邏輯來判斷是否發(fā)生喘振。如發(fā)生喘振，工作點(diǎn)快速向喘振區(qū)移動，此時則由防喘振控制器的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)防喘振控制閥，ITCC系統(tǒng)PID控制作用方式為反作用，通過對爬坡功能器設(shè)置慢關(guān)斜率為2（%/sec）實(shí)現(xiàn)控制器的慢關(guān)功能，對閥門打開不進(jìn)行限制的同時實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)回流閥快開-慢關(guān)控制功能。系統(tǒng)中存在一個獨(dú)立的比例控制功能，可以強(qiáng)制防喘振閥門打開，其作用與常規(guī)PI調(diào)節(jié)器之間相互獨(dú)立。當(dāng)工作點(diǎn)在靠近防喘振線時，防喘振控制閥門按照防喘振控制邏輯設(shè)計(jì)功能開啟進(jìn)行回流量自動調(diào)節(jié)，在出現(xiàn)喘振或聯(lián)鎖停車情況時，防喘振閥門電磁閥失電且快速開啟閥門。［2］

防喘振閥門控制邏輯有手動、半自動及自動3種工作控制方式。手動控制方式，直接由操作人員手動輸出調(diào)節(jié)防喘振閥門，防喘振控制器輸出失效，正常生產(chǎn)運(yùn)行中不建議選擇此控制方式。半自動控制方式，手動輸出和自動輸出進(jìn)行高選比較后輸出控制防喘閥，自動控制方式由防喘振控制器調(diào)節(jié)防喘振閥門。

本程序喘振控制模式采用壓縮比 （Pd/Ps絕對壓力比為縱坐標(biāo)）對h（修正流量為橫坐標(biāo)）組成的坐標(biāo)曲線，在機(jī)組運(yùn)行時測試喘振線，在不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下關(guān)閉循環(huán)閥，觀察機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)變化檢測臨界點(diǎn)，具體參數(shù)見表1。

表1　喘振線測試數(shù)據(jù)

Tricon系統(tǒng)防喘振線構(gòu)成包括喘振線、防喘振線、防喘振下移線，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)接觸到喘振線時機(jī)組發(fā)生喘振，防喘振線在喘振線右側(cè)偏移10%，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)移動到防喘振線的左側(cè)時，程序打開防喘振閥門增加入口流量，保護(hù)機(jī)組不發(fā)生喘振，喘振下移線在正常時被防喘振線覆蓋，當(dāng)機(jī)組喘振一次后，程序判斷防喘振線偏移裕度設(shè)置小了，自動以喘振線為基準(zhǔn)向右偏移2%，替代喘振線作用，喘振下移線可以通過畫面上復(fù)位鍵使裕度恢復(fù)正常。［3］

5　結(jié)語

TRICONTS3000控制系統(tǒng)投運(yùn)至今，運(yùn)行狀態(tài)良好，完善的邏輯功能、低故障率和靈活的操作，同時整體系統(tǒng)具備機(jī)組自身聯(lián)鎖保護(hù)、防喘振控制、透平系統(tǒng)調(diào)速控制等功能，較好地滿足了合成氣壓縮機(jī)的控制要求，提高了系統(tǒng)的可靠性，有效地防止了喘振的發(fā)生，保障了機(jī)組長周期平穩(wěn)運(yùn)行。

［1］孫洪城，翁維勤，魏杰.過程控制系統(tǒng)及工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］杜勇，薛軼明，東立明.ITCC系統(tǒng)在裂解氣壓縮機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用［J］.化工自動化及儀表，2015（5）：466-467.

［3］熊軍，曹振濤.康吉森ITCC Tricon在透平壓縮機(jī)組防喘振控制中的應(yīng)用［J］.自動化與儀器儀表，2012（5）：100-102.

修改稿日期：2016-05-20

App lication of TRICON Anti Surge Control System in Synthetic Gas Com pressor

WANGWei-dong1，MA Jun-chao2，CAO Hai-ping1，ZHANG Zi-ping1

（1.Datang International Chemical Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100070 China；2.Datang Hulun Buir Chemical Fertilizer Co.，Ltd.，Hulun Buir InnerMongolia 021021 China）

The centrifugal compressor is the key equipment in industrial production.Because it has a characteristics of surge，the anti surge control becomes the importantmeasures for protecting the centrifugal compressor.This paper introduces the application of TRICON control system in the anti surge of the synthetic gas compressor at Datang Hulun Buir Chemical Fertilizer Co.，Ltd.，and describes the control principle and the antisurge control scheme.

compressor；anti surge；TRICON controller

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.013

TH 45

B

1004-8901（2016）04-0044-04

王偉東（1965年-），男，黑龍江齊齊哈爾人，2009年畢業(yè)于大連理工大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，碩士研究生，高級工程師，現(xiàn)主要從事化工儀表自動化工作。