解耦控制在酸氣壓縮機(jī)性能控制中的應(yīng)用

許 峰

(中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司天然氣處理廠，河南 濮陽(yáng) 457061)

0 引言

伊拉克米桑油田某天然氣處理裝置地處伊拉克東南部，天然氣處理量為200 Nm3/d，硫磺產(chǎn)量為114.8 t/d。該裝置主要包含酸氣增壓?jiǎn)卧?、脫硫單元、硫磺回收單元以及公用工程單元。酸氣增壓?jiǎn)卧鳛檎籽b置的核心單元，其運(yùn)行工況的穩(wěn)定性將直接影響下游單元的順利運(yùn)行。酸氣壓縮機(jī)是酸氣增壓?jiǎn)卧暮诵脑O(shè)備，其由6.6 kV變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了確保機(jī)的組穩(wěn)定運(yùn)行，必須配置測(cè)量、控制、聯(lián)鎖等系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保護(hù)。壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和防喘振控制則是機(jī)組高效、安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

1 工藝流程及系統(tǒng)簡(jiǎn)介

酸氣壓縮機(jī)(工藝代號(hào):C-621001)由日本日立公司制造，為兩段式離心壓縮機(jī)組，機(jī)組型號(hào)為2BCH608。該機(jī)組共有8級(jí)葉輪，分為2組，采用背對(duì)背安裝方式，葉輪直徑為600 mm。壓縮機(jī)兩端采用約翰克蘭干氣進(jìn)行密封。在額定工況下，排氣流量為19 741 m3/h，排氣壓力為4.202 MPa。酸氣壓縮機(jī)由ABB公司生產(chǎn)的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)型號(hào)為AMI 800，額定電壓為6 600 V，額定功率為10 300 kW。采用氣水冷卻方式，進(jìn)行電機(jī)冷卻。采用增速齒輪箱，將轉(zhuǎn)速由1 500 r/min提升至8 304 r/min。

H2S含量為2.1%、壓力為0.482 MPa的原料氣進(jìn)入天然氣處理裝置。經(jīng)入口分離器分離雜質(zhì)后，氣體進(jìn)入酸氣壓縮機(jī)C-621001的一段入口管線，被增壓至15.36 MPa，同時(shí)溫度升高至123.4 ℃。增壓升溫后的原料氣通過壓縮機(jī)的一段出口空冷器A-621001冷卻至54 ℃，再進(jìn)入壓縮機(jī)二段入口分離器V-621002進(jìn)行液相分離。分離液相后，原料氣進(jìn)入酸氣壓縮機(jī)的二段入口，增壓至4.09 MPa，溫度升高至126.9 ℃，然后進(jìn)入壓縮機(jī)二段出口空冷器A-621002冷卻至45 ℃。通過二段出口分離器V-621003分離重?zé)N、水等雜質(zhì)后，原料氣被送至酸氣脫硫單元。

酸氣壓縮機(jī)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

酸氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)采用美國(guó)Tri-sen公司的TSx系列PLC，主要由系統(tǒng)機(jī)架、電源、節(jié)點(diǎn)處理器、機(jī)架處理器、I/O卡件、通信卡、I/O電纜、卡件端子板和交換機(jī)構(gòu)成。TSx采用獨(dú)特的多處理器結(jié)構(gòu)和冗余控制模式。控制器及I/O模塊均三重冗余，可以進(jìn)行輸入信號(hào)、處理器和輸出信號(hào)的三取二表決。冗余的節(jié)點(diǎn)處理器布置在不同的機(jī)架中，可以避免因某一機(jī)架故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)能夠在5 ms的掃描周期內(nèi)完成PID運(yùn)算、系統(tǒng)I/O掃描、邏輯運(yùn)算和報(bào)警處理(共300個(gè))，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力。每個(gè)處理器均含有并行工作的多個(gè)CPU。節(jié)點(diǎn)處理器的CPU進(jìn)行系統(tǒng)邏輯運(yùn)算、工程單位轉(zhuǎn)換、運(yùn)算結(jié)果有效性檢驗(yàn)、報(bào)警通信、數(shù)據(jù)存檔通信、HMI通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和通信有效性檢驗(yàn)。機(jī)架處理器的CPU進(jìn)行系統(tǒng)機(jī)架I/O掃描、1 ms的事件順序(sequence of event,SOE)記錄時(shí)間標(biāo)記、輸出有效性檢驗(yàn)、I/O總線有效性檢驗(yàn)、I/O完整性檢查、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢查和現(xiàn)場(chǎng)接線檢查，以確保系統(tǒng)準(zhǔn)確工作?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 耦合現(xiàn)象

在實(shí)際運(yùn)行過程中，酸氣壓縮機(jī)入口參數(shù)受井口、油氣處理終端設(shè)備和其他外部因素影響，出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。如果不及時(shí)調(diào)節(jié)，將造成下游脫酸單元壓力和流量波動(dòng)，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。而壓縮機(jī)的性能控制主要通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)[1]和壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)來完成。變頻控制系統(tǒng)通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行頻率來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

防喘振系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)一、二段防喘閥FV-622301和FV-622302開度，分別控制一段和二段壓縮機(jī)的防喘振流量。其額定工況下的最大回流量分別為98 770 kg/h和102 800 kg/h。

在某一穩(wěn)定運(yùn)行工況下，當(dāng)酸氣壓縮機(jī)受環(huán)境因素影響、入口壓力下降時(shí)，出口壓力與入口壓力的比值增大，故出口壓力和流量均減小。為保證下游壓力的穩(wěn)定，需提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速升高會(huì)進(jìn)一步減小壓縮機(jī)的入口壓力，壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)向喘振區(qū)移動(dòng)。當(dāng)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)接近喘振控制線時(shí)，打開防喘閥[2]。而防喘閥的開度增加使壓縮機(jī)的入口壓力和流量增大、出口壓力升高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降，防喘調(diào)節(jié)器控制防喘閥關(guān)閉。防喘閥的逐漸關(guān)閉，造成壓縮機(jī)入口壓力降低。循環(huán)過程中，控制系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩耦合現(xiàn)象[3]。

當(dāng)壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)在喘振控制線(surge control line，SCL)附近時(shí)，振蕩耦合會(huì)造成控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。因此，必須對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制，確保壓縮機(jī)組的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決壓縮機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的耦合現(xiàn)象，需要對(duì)壓縮機(jī)的防喘振控制方式及參數(shù)進(jìn)行研究。

3 防喘振控制

在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)出口壓力一定，且原料氣入口流量小于喘振流量時(shí)，整個(gè)擴(kuò)壓器發(fā)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)失速。壓縮機(jī)排氣管網(wǎng)壓力高于壓縮機(jī)組內(nèi)部壓力，導(dǎo)致氣體倒流，使排氣管網(wǎng)壓力降低，形成喘振現(xiàn)象[4]。

上述情況一直持續(xù)，直到管網(wǎng)壓力小于壓縮機(jī)出口壓力時(shí)，壓縮機(jī)向管網(wǎng)供氣，壓縮機(jī)恢復(fù)正常工作。當(dāng)管網(wǎng)壓力重新恢復(fù)到初始?jí)毫r(shí)，入口流量仍小于機(jī)組喘振流量，機(jī)組又出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速，管網(wǎng)氣流倒流回壓縮機(jī)。在不采取措施的情況下，壓縮機(jī)將重復(fù)上述過程，氣體出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩現(xiàn)象，使壓縮機(jī)機(jī)體和軸承振動(dòng)幅度加大。嚴(yán)重時(shí)，振蕩會(huì)造成壓縮機(jī)動(dòng)/靜部件摩擦而損壞、氣體倒流引起壓縮機(jī)內(nèi)溫度急劇上升和機(jī)組葉輪、內(nèi)缸損壞。因此，在壓縮機(jī)控制中，應(yīng)盡量使其動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振區(qū)，以防止壓縮機(jī)在喘振工況下運(yùn)行。通常采用的辦法是增加防喘控制閥，將部分壓縮后的出口原料氣經(jīng)防喘閥返回到壓縮機(jī)入口。由于本裝置中酸氣壓縮機(jī)的一段和二段防喘原理基本相同，故僅以壓縮機(jī)一段的防喘控制為例進(jìn)行說明。設(shè)計(jì)工況：入口壓力0.482 MPa、入口溫度41.5 ℃、相對(duì)分子量26.6、額定轉(zhuǎn)速8 304 r/min。

酸氣壓縮機(jī)特性曲線[5](一段)如圖3所示。

圖3 特性曲線(一段)

3.1 喘振參數(shù)計(jì)算

為獲得上述酸氣壓縮機(jī)特性曲線及了解防喘振控制過程，需要了解壓縮機(jī)的防喘原理和喘振曲線坐標(biāo)點(diǎn)的基本計(jì)算方法。

3.1.1 一段流量補(bǔ)償計(jì)算

由于夏季伊拉克現(xiàn)場(chǎng)溫度早晚溫差均在10 ℃以上，因此，對(duì)壓縮機(jī)的出口流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，以確定壓縮機(jī)流量[6]：

(1)

式中：Fcompensated_flow為一段補(bǔ)償流量，kg/h；Fd為一段排出流量，kg/h；Pd為壓縮機(jī)一段出口壓力，Pa；Pabscor為絕壓補(bǔ)償值，1.013 25 Pa；Porifice為孔板設(shè)計(jì)壓力，Pa；Tabscor為絕對(duì)溫度補(bǔ)償值，273.15 K；Td為壓縮機(jī)一段出口溫度，℃；Torifice為孔板設(shè)計(jì)溫度，℃。

3.1.2 一段橫坐標(biāo)計(jì)算

橫坐標(biāo)采用下列等式計(jì)算：

(2)

式中：Fcompensated_flow為一段補(bǔ)償流量，kg/h；Pbase為與喘振插值相關(guān)的壓縮機(jī)基礎(chǔ)壓力條件，Bar；Ts為壓縮機(jī)一段進(jìn)口溫度，℃；Tbase為與喘振插值相關(guān)的壓縮機(jī)基礎(chǔ)溫度條件，℃。

3.1.3 一段縱坐標(biāo)計(jì)算

縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)一段出口與入口壓力的比值，采用下列等式計(jì)算：

(3)

3.1.4 壓縮機(jī)一段喘振曲線

壓縮機(jī)喘振曲線[7]采用7點(diǎn)折線法進(jìn)行繪制，X軸為壓縮機(jī)入口流量差壓值，Y軸為壓縮機(jī)壓力比。壓縮機(jī)喘振曲線坐標(biāo)如表1所示。

表1 壓縮機(jī)喘振曲線坐標(biāo)

以上為喘振線的各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)7個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連接就構(gòu)成了酸氣壓縮機(jī)一段喘振曲線。在實(shí)際應(yīng)用中，為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，設(shè)置X軸增益系數(shù)(Xgain)，其值應(yīng)不低于1.0。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)喘振時(shí)，增益系數(shù)將自動(dòng)增加0.02，即將喘振線向X軸正向移動(dòng)，使防喘閥打開，以滿足防喘振要求。

(4)

式中：Xgain為壓縮機(jī)X軸增益系數(shù);X為動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)值；Xsurge_line為喘振線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值。

3.2 防喘閥控制

防喘閥控制采用標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器[8]，操作人員可以將防喘控制器設(shè)置成自動(dòng)或手動(dòng)模式。需要注意的是：手動(dòng)模式意味著不設(shè)置防喘保護(hù)。過程值PV_surge的表達(dá)式為：

PV_surge=X-Ssurge_line

(5)

式中：PV_surge為壓縮機(jī)的喘振過程值；X為動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)值；Ssurge_line為縱坐標(biāo)相同情況下喘振線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值。

防喘控制器能夠?qū)崿F(xiàn)反作用控制(當(dāng)喘振過程值增加，則PID的輸出值減小)、輸出值限制、喘振設(shè)定點(diǎn)動(dòng)態(tài)跟蹤(即如果喘振過程值每減小1.0%，則喘振設(shè)定點(diǎn)將增加2%)和控制器使能/失能控制(即當(dāng)機(jī)組在非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，閥門失能全開)功能。

當(dāng)喘振限制線(surge limit line，SLL)確定后，在其右側(cè)的3%位置設(shè)置一條比例快開線，在10%位置設(shè)置一條SCL。防喘控制器的設(shè)定點(diǎn)在SCL右側(cè)的10%區(qū)域內(nèi)浮動(dòng)，其最大值位于橫坐標(biāo)刻度值的20%處，最小值位于喘振控制線上。當(dāng)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)位于安全工作區(qū)域內(nèi)時(shí)，設(shè)定點(diǎn)位于動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的左側(cè)，并保持5%的跟蹤距離。當(dāng)由于壓縮機(jī)入口工況出現(xiàn)波動(dòng)，造成流量下降時(shí)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)快速向左側(cè)移動(dòng)。防喘控制器設(shè)定點(diǎn)也以預(yù)設(shè)速率向左側(cè)移動(dòng)。若動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的移動(dòng)速率超過設(shè)定點(diǎn)移動(dòng)速率，并位于設(shè)定點(diǎn)左側(cè)區(qū)域時(shí)，防喘控制器將在動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)未到達(dá)喘振控制線前打開防喘閥，增加入口流量，使動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)向右側(cè)移動(dòng)，避免壓縮機(jī)喘振。若上述防喘措施無(wú)法滿足流量要求時(shí)，喘振控制線將以預(yù)先設(shè)定的幅度向右側(cè)快速移動(dòng)，增加壓縮機(jī)的安全裕度，通過閥門定位器快速打開防喘閥。防喘閥控制氣路如圖4所示。

圖4 防喘閥控制氣路圖

當(dāng)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)移動(dòng)到控制器設(shè)定點(diǎn)右側(cè)時(shí)，防喘控制器將逐漸關(guān)小防喘閥，使動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)與設(shè)定點(diǎn)保持5%的跟蹤距離。若壓縮機(jī)入口工況變化比較劇烈而發(fā)生喘振時(shí)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)達(dá)到喘振限制線SLL右側(cè)的比例快開線。防喘控制器使防喘閥氣路上的防喘電磁閥失電，防喘閥將在3 s內(nèi)全開。

4 耦合與解耦

如前所述，酸氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制與防喘振控制之間存在耦合關(guān)系[9]。只有采用解耦控制，才能實(shí)現(xiàn)離心式壓縮機(jī)組的高質(zhì)量控制。該酸氣壓縮機(jī)的解耦采用過程指令調(diào)度器(process demand scheduler，PDS)實(shí)現(xiàn)。PDS允許采用一個(gè)控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和防喘閥兩個(gè)變量。其輸入信號(hào)為防喘控制器的過程變量，它會(huì)持續(xù)調(diào)整轉(zhuǎn)速和防喘閥控制參數(shù)的關(guān)系，以避免信號(hào)互相間的影響。PDS控制線動(dòng)作情況、動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)位置如圖5、圖6所示。

圖5中：曲線1為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制線；曲線2為防喘閥控制線；曲線3為PDS輸出線。

圖5 控制線動(dòng)作情況圖

圖6 動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)位置圖

在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、工藝流量、控制防喘閥、喘振控制等情況下，PDS控制線動(dòng)作情況如圖7所示。通過相反的方向移動(dòng)轉(zhuǎn)速控制線和防喘閥控制線，能夠保證工藝流量保持較小的波動(dòng)幅度。PDS也能夠?qū)崿F(xiàn)輸出值以不同速度變化。分程點(diǎn)對(duì)比圖如圖8所示。圖8中：當(dāng)PDS分程點(diǎn)設(shè)置在25%處，防喘閥控制線的調(diào)整范圍相比轉(zhuǎn)速控制線的調(diào)整范圍小；當(dāng)PDS分程點(diǎn)設(shè)置在75%處，則情況相反。圖7、圖8的曲線含義同圖5。

圖7 PDS控制線動(dòng)作情況圖

PDS與防喘控制器結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)控制這3種控制方式[10-11]。當(dāng)防喘控制器和PDS控制器在單元控制盤(unit control panel，UCP)上設(shè)置為自動(dòng)控制時(shí)，為全自動(dòng)方式。機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制和防喘振控制均由PDS實(shí)現(xiàn)。當(dāng)防喘控制器為自動(dòng)控制、PDS為手動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)為半自動(dòng)方式。當(dāng)防喘控制器和PDS控制器在UCP上均設(shè)置為手動(dòng)控制時(shí)，防喘調(diào)節(jié)器失去控制作用，機(jī)組即使出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，也不會(huì)打開防喘閥。

圖8 分程點(diǎn)對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在正常情況下，基于Tri-sen控制系統(tǒng)的PDS解耦控制通過調(diào)節(jié)酸氣壓縮機(jī)的頻率控制轉(zhuǎn)速,使壓縮機(jī)的出入口壓力維持穩(wěn)定，關(guān)閉防喘閥以保證機(jī)組正常出力，降低壓縮機(jī)功耗。PDS解耦控制能夠較好地完成系統(tǒng)調(diào)試工作。在異常情況下，PDS解耦控制可以分別控制壓縮機(jī)變頻控制系統(tǒng)和壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)，避免因參數(shù)波動(dòng)造成的機(jī)組轉(zhuǎn)速及防喘閥的頻繁動(dòng)作和互相影響，滿足機(jī)組在各種工藝條件下的過程控制。

[1] 曹靖.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在天然氣液化工廠冷劑壓縮機(jī)的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用,2012,31(11):66-67.

[2] 高清源,李波.SLPC在壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2005,26(10):57-58.

[3] 翁維勤,孫洪程.過程控制系統(tǒng)及工程[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4] 關(guān)學(xué)忠.離心式壓縮機(jī)防喘振模糊控制系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2006,25(8):1-3.

[5] 張成寶.離心式壓縮機(jī)的喘振分析與控制[J].壓縮機(jī)技術(shù),2003,4(6):4-8.

[6] 孫淮清,王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[7] 袁國(guó)利,郎兵.三冗余 PLC 在壓縮機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化儀表,2011,32(1):54-57.

[8] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[9] 蔡吉明，方宏昌.防喘振控制中的過程解耦與超馳控制分析[J].石油化工自動(dòng)化，2011，47(6)：45-48.

[10]王勃.硫磺回收裝置中離心鼓風(fēng)機(jī)的防喘振控制[J].石油化工自動(dòng)化,2012,48(5):21-24.

[11]邢元棟，李霞.TS3000系統(tǒng)在蒸汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2006，42(3)：53-55.