透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)的應(yīng)用

韓權(quán)濤

(河南能源化工集團(tuán)永城永金化工有限公司 河南永城 476600)

透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)的應(yīng)用

韓權(quán)濤

(河南能源化工集團(tuán)永城永金化工有限公司 河南永城 476600)

概述了透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)的軟件和硬件，介紹了透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)的控制功能。透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)先進(jìn)的控制理念和控制方式為壓縮機(jī)機(jī)組的可靠運(yùn)行提供了保障，其可靠性和經(jīng)濟(jì)性以及維護(hù)的方便性完全滿足了使用要求。

透平壓縮機(jī)；綜合控制系統(tǒng)；速度控制；防喘振控制

1 透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)簡介

在壓縮機(jī)機(jī)組的傳統(tǒng)控制方案中，采用PLC控制與DCS控制相結(jié)合的方式，中間通過通訊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，存在反應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差的缺陷，從系統(tǒng)維護(hù)以及經(jīng)濟(jì)方面考慮，其弊端較大，故透平壓縮機(jī)綜合控制(Integrated Turbine/Compressor Control，簡稱ITCC)系統(tǒng)已成為當(dāng)前壓縮機(jī)機(jī)組控制的主流發(fā)展趨勢。

河南能源化工集團(tuán)永城永金化工有限公司(以下簡稱永金化工公司)乙二醇裝置中的2套大型壓縮機(jī)機(jī)組均選用了美國TRICONEX公司的ITCC系統(tǒng)——TS3000系統(tǒng)，其三重化冗余容錯硬件和豐富靈活的應(yīng)用軟件為機(jī)組控制的可靠性和功能的豐富完善性提供了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)，自身的升速程序取代了傳統(tǒng)的505調(diào)速器，防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計獨(dú)特，SOE順序事件記錄更是給機(jī)組判斷問題和事故帶來了極大的方便，從而確保了乙二醇裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件和軟件

TS3000系統(tǒng)的硬件核心是基于三重模件冗余容錯(TMR)結(jié)構(gòu)的容錯控制器——TRICON系統(tǒng)。TRICON系統(tǒng)有3個主處理器，其工作方式為3- 2- 1- 0或3- 2- 0，系統(tǒng)中所有輸入和輸出信號都要經(jīng)過三取二進(jìn)行表決[1]。

系統(tǒng)硬件包括控制柜(控制器3008、通訊卡、I/O卡、安全柵、繼電器、接線端子等)、電源柜、操作站、通訊裝置、通訊電纜等，軟件包括下位機(jī)組態(tài)軟件Tristation 1131和上位機(jī)監(jiān)控軟件INTOUCH，下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件通訊通過DDE軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。TS3000系統(tǒng)控制方案示意如圖1所示。

圖1 TS3000系統(tǒng)控制方案示意

3 系統(tǒng)對機(jī)組的控制

3.1 控制功能

ITCC系統(tǒng)主要針對大型壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行控制，相當(dāng)于一套大的容錯的PLC系統(tǒng)，其控制點(diǎn)數(shù)適當(dāng)，軟件和硬件可靠，反應(yīng)速度為毫秒級，很好地解決了國內(nèi)壓縮機(jī)操控的難題。ITCC系統(tǒng)對機(jī)組的主控制主要包括開車允許啟動系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、工藝氣路系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、防喘振系統(tǒng)、機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、自診斷系統(tǒng)等。

3.2 機(jī)組速度控制

機(jī)組的開停車主要是對其升降速進(jìn)行控制，速度信號來自脈沖輸入卡。脈沖輸入卡三路信號經(jīng)各自處理后將數(shù)據(jù)傳給主處理器，并在被處理之前進(jìn)行表決，從而保證了高度一致。任何一支路都進(jìn)行不斷診斷，任何一次診斷失敗都會激發(fā)卡件的FAULT指示燈亮，然后再激發(fā)機(jī)架指示燈亮。FAULT指示燈亮表明卡件支路有故障，卡件有單點(diǎn)故障存在時仍能保證正常工作。脈沖輸入卡支持熱插拔備件功能，并要求有1個獨(dú)立的ETP終端。

速度信號經(jīng)PI卡傳至ITCC系統(tǒng)顯示后，其下位機(jī)組態(tài)軟件Tristation 1131通過機(jī)組供應(yīng)商提供的升速曲線進(jìn)行編程，控制輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號至電液轉(zhuǎn)換器，電液轉(zhuǎn)換器將標(biāo)準(zhǔn)的電流信號轉(zhuǎn)換成二次油壓信號，二次油壓控制錯油門使一次油壓走不同的通道以控制主氣門的開度，最終通過調(diào)整蒸汽輸入量來控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速。

在機(jī)組升速啟動過程中，下位機(jī)組態(tài)軟件Tristation 1131通過定義方式控制升速過程，并由上位機(jī)監(jiān)控軟件INTOUCH進(jìn)行直觀顯示。合成壓縮機(jī)組的控制程序共定義了7種方式，方式一為停機(jī)狀態(tài)，方式二為暖機(jī)(0～1 200 r/min)，方式三為暖機(jī)(1 200～1 800 r/min)，方式四為升速(1 800～4 559 r/min)，方式五為運(yùn)行(4 559～6 383 r/min)，方式六為正常停車，方式七為超速試驗(yàn)(目標(biāo)轉(zhuǎn)速7 090 r/min)。機(jī)組的啟動程序是根據(jù)汽輪機(jī)供應(yīng)商提供的汽輪機(jī)性能曲線并通過下位機(jī)組態(tài)軟件Tristation 1131進(jìn)行定義，調(diào)速器控制輸出程序，主要由VPID功能塊來完成。

3.3 機(jī)組防喘振控制

喘振現(xiàn)象是機(jī)組非正常情況下的一種工況，其破壞程度特別大，可使監(jiān)測儀表失靈、破壞機(jī)組安裝質(zhì)量、損壞機(jī)組設(shè)備，進(jìn)而造成停車等嚴(yán)重事故。防喘振控制可防止機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)，一旦機(jī)組將要發(fā)生喘振，程序會自動打開防喘振閥來避免喘振的發(fā)生。

機(jī)組投入運(yùn)行后，TRICON系統(tǒng)將根據(jù)壓縮機(jī)的入口流量、入口壓力、出口壓力及相應(yīng)溫度，利用獨(dú)特的防喘振技術(shù)來判斷是否會發(fā)生喘振。如會發(fā)生喘振，則由防喘振控制器的輸出值來調(diào)節(jié)防喘振控制閥。壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)可由壓比(Pd/Ps)及入口流量表測得的入口流量計算得出，入口流量的測量值與出口壓力Pd、入口壓力Ps、出口溫度Td、入口溫度Ts等用于計算等價孔板值h(該孔板可視為位于壓縮機(jī)入口)，進(jìn)而可作出喘振預(yù)測[2]。

TRICON系統(tǒng)的防喘振控制器將壓縮機(jī)氣路出入口流量、出入口壓力、出入口溫度等參數(shù)通過自身的模塊來整定及運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了很好的控制功能，滿足了實(shí)際需要。

防喘振調(diào)節(jié)有3種模式，即手動模式、半自動模式和自動模式。手動模式是人為調(diào)整防喘振閥開度，系統(tǒng)不自動調(diào)節(jié)，但由于人反應(yīng)比較慢，一般還未來得及操作就已經(jīng)發(fā)生了喘振。半自動模式是系統(tǒng)和人為操作同時進(jìn)行，防喘振閥開度實(shí)際輸出值取手動和自動輸出的高值，人為輸入閥位只能大于自動輸出，其安全性較高。自動模式即系統(tǒng)自動判斷是否會發(fā)生喘振，從而自動控制防喘振閥開度以消除喘振。正常運(yùn)行時，防喘振調(diào)節(jié)是不允許打手動模式的，運(yùn)行時只能打在自動或半自動模式。防喘振控制曲線如圖2所示。

圖2 防喘振控制曲線

由圖2可以看出：喘振線下移10%為防喘振線，虛線為喘振線下移7%。在防喘振控制中，純比例控制是指工作點(diǎn)進(jìn)入虛線時開始打開防喘振閥，工作點(diǎn)在喘振線上時全開防喘振閥。喘振PID控制是指實(shí)際工作點(diǎn)突然左移，給定工作點(diǎn)會自動跟蹤實(shí)際工作點(diǎn)但不會越過防喘振控制線，并增大防喘振閥的開度，此時實(shí)際工作點(diǎn)會向右移，給定工作點(diǎn)與設(shè)定工作點(diǎn)最大允許偏差為5%。在自動以及半自動模式下，手動輸出自動跟蹤防喘振控制程序輸出值；在手動模式下，防喘振PID控制輸出值和純比例控制輸出值自動跟蹤手動輸出值，但比手動輸出值低3%。每發(fā)生1次喘振，防喘振線下移2%，最多允許下移5次(10%)。喘振原因查明并處理后，按ITCC畫面上“喘振復(fù)位”按鈕，防喘振線下移復(fù)位，如問題較嚴(yán)重，則需重測喘振線；若不按“喘振復(fù)位”按鈕，將采用下移后的防喘振線。

為了防止與消除喘振現(xiàn)象，就必須通過調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)及控制程序來解決。入口流量減少是發(fā)生喘振的根本原因，一旦入口流量減少就會出現(xiàn)打不上壓，從而導(dǎo)致出口壓力降低而發(fā)生倒流現(xiàn)象，一般在開車過程中全開防喘振閥和放空閥。根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線，控制防喘振安全裕度，防喘振系統(tǒng)在正常運(yùn)行時應(yīng)投自動或半自動模式。升速、升壓之前一定要事先查閱壓縮機(jī)性能曲線，選好下一步的運(yùn)行工況點(diǎn)，根據(jù)防喘振安全裕度來控制升壓和升速速率。防喘振安全裕度是在一定工作轉(zhuǎn)速下，正常工作流量與該轉(zhuǎn)速下喘振流量的比值，一般正常工作流量應(yīng)比喘振流量大1.05～1.30倍[3]。雖然防喘振控制通過程序來實(shí)現(xiàn)，但也離不開操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)及日常機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，須經(jīng)常巡視防喘振控制曲線，及早發(fā)現(xiàn)異常情況并及時預(yù)防解決。

4 維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

永金化工公司在試車工程中，由于施工單位調(diào)試完畢后關(guān)閉了DDE軟件，導(dǎo)致機(jī)組在暖機(jī)過程中出現(xiàn)溫度和壓力信號無變化。其主要原因是DDE軟件是連接下位機(jī)組態(tài)軟件Tristation 1131和上位機(jī)監(jiān)控軟件INTOUCH的通訊軟件，如果操作畫面打開、DDE軟件關(guān)閉，則上位機(jī)監(jiān)控軟件處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)不會實(shí)時更新。因此，上位機(jī)監(jiān)控軟件INTOUCH運(yùn)行時必須打開DDE軟件。為便于操作，將程序設(shè)置成只要上位機(jī)監(jiān)控軟件INTOUCH運(yùn)行，DDE軟件同時打開。

操作站在運(yùn)行過程中，由于電腦長時間運(yùn)行出現(xiàn)了系統(tǒng)死機(jī)后無法啟動的問題，重裝系統(tǒng)后所有軟件都必須重新安裝，檢查運(yùn)行軟件時發(fā)現(xiàn)SOE記錄與電腦時間不一致。經(jīng)查，本系統(tǒng)是從美國進(jìn)口的，電腦時間必須設(shè)置成太平洋時區(qū)(美國和加拿大)。電腦時區(qū)修正后，SOE記錄與電腦時間一致。由于操作站系統(tǒng)需要安裝不少軟件，為了避免電腦重裝系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的麻煩，對操作站系統(tǒng)進(jìn)行了備份，一旦出現(xiàn)問題后只需恢復(fù)備份即可。

在故障診斷方面，ITCC系統(tǒng)有診斷軟件(Enhanced Diagnostic Moniter)，一般的硬件故障可通過打開診斷軟件找到相應(yīng)的地方進(jìn)行清除。如果故障清除不了，首先收集事件，再看故障出現(xiàn)的問題，如果是主處理器故障，由于主處理器是三重冗余，可直接在線更換，然后根據(jù)收集的故障信息再進(jìn)行維修；如果是輸入輸出卡件故障，因每個通道都有2個卡槽，先將備卡插至另一個卡槽，運(yùn)行正常后將故障卡取下進(jìn)行維護(hù)。

5 結(jié)語

采用ITCC系統(tǒng)是壓縮機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，其先進(jìn)的控制理念和控制方式為壓縮機(jī)機(jī)組的可靠運(yùn)行提供了保障。通過幾年的實(shí)際運(yùn)行，其可靠性和經(jīng)濟(jì)性以及維護(hù)的方便性完全滿足了使用要求。

[1] 薛健麟，楊軍.TRICONEX- TS3000系統(tǒng)在40萬t大甲醇機(jī)組控制中的應(yīng)用[J].瀘天化科技，2006(2)：130- 135.

[2] 石長旭，張立麗，秦嵐.透平壓縮機(jī)防喘振控制的實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀表，2009(7)：5- 9.

[3] 劉慧杰，劉瑩，劉慧民，等.壓縮機(jī)喘振問題研究[J].化工設(shè)計通訊，2008(1)：38- 41.

ApplicationofIntegratedTurbineCompressorControlSystem

HAN Quantao

(Yongcheng YongJin Chemical Co., Ltd., Henan Energy and Chemical Industry Group Co. Ltd., Yongcheng 476600, China)

The software and hardware of integrated turbine compressor control system are summarized, and its control functions are presented. The advanced control concept and control method of integrated turbine compressor control system provides guarantee for reliable operation of compressor unit, and its reliability, economy and convenience of maintenance can fully satisfy operating requirements.

turbine compressor; integrated control system; speed control; anti- surge control

韓權(quán)濤(1982—)，男，河南能源化工集團(tuán)永城永金化工有限公司檢修車間儀表主任工程師；hqt7018@163.com

TP273

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1006- 7779(2017)02- 0027- 04

2016- 02- 09)