丙烯透平壓縮機(jī)組防喘振控制優(yōu)化改造方案研究

張鵬軍，訾旭華，石月明，馬衛(wèi)東

（內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán) 煤化工管理部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

離心式壓縮機(jī)組是大型煤化工工廠中提供動(dòng)力的核心設(shè)備之一，而壓縮機(jī)防喘振控制是保證壓縮機(jī)正常運(yùn)行的重要因素，同時(shí)壓縮機(jī)的節(jié)能效果對(duì)于工廠整體節(jié)能也起到關(guān)鍵作用。煤化工工廠中，采用丙烯制冷壓縮機(jī)保證制冷效果，提供足夠冷量，滿足凈化裝置低溫甲醇洗對(duì)冷量的正常需求。內(nèi)蒙古伊泰化工公司120萬噸/年精細(xì)化學(xué)品示范項(xiàng)目應(yīng)用的丙烯制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為蒸汽透平，高溫高壓蒸汽高速進(jìn)入汽輪器推動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)采用三段壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，壓縮介質(zhì)為丙烯。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的調(diào)整方法為變轉(zhuǎn)速，范圍為4094rpm～5732rpm。壓縮機(jī)由抽凝式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力8.95MPag，抽汽壓力為4.1MPag。丙烯蒸汽通過壓縮使得氣體溫度升高，再使排出的氣體進(jìn)入冷凝器冷卻成為液體。在流動(dòng)過程中不斷吸收周圍物體的熱量，達(dá)到制冷的目的。目前丙烯壓縮機(jī)組運(yùn)行在自動(dòng)控制投用率低、防喘振回流閥開度大、能耗水平高的狀況下，亟需技術(shù)改造。

1 機(jī)組存在的問題及改造的必要性

圖1 丙烯壓縮機(jī)組操作畫面Fig.1 Operation screen of propylene compressor unit

透平丙烯制冷壓縮機(jī)組自開工以來，入口壓力自動(dòng)控制回路不能投用，只能手動(dòng)控制，對(duì)操作員要求高，控制效果差。裝置壓縮機(jī)的防喘振閥門不能關(guān)閉，開度大，造成壓縮機(jī)能耗居高不下。壓縮機(jī)三返一防喘振閥門開度在47%左右，三返二防喘振閥開度在32%左右，三返三防喘振閥開度在22%左右，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行的能耗過高。

壓縮機(jī)喘振線未經(jīng)實(shí)測(cè)。由于設(shè)計(jì)、制造誤差的存在，壓縮機(jī)實(shí)際喘振線和理論預(yù)測(cè)喘振線往往存在顯著差異。使用理論喘振線往往不能完成準(zhǔn)確和適度的防喘振保護(hù)。

現(xiàn)有控制系統(tǒng)選用算法比較簡單，未根據(jù)丙烯制冷壓縮機(jī)的工藝過程使用專用的控制算法，壓縮機(jī)性能控制不能投用?，F(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)有壓縮機(jī)入口壓力性能控制，但不能投入自動(dòng)運(yùn)行，基本上是由防喘振控制閥門手動(dòng)調(diào)整壓力。這一般是由于系統(tǒng)使用簡單PID而非專用于機(jī)組控制的控制算法。

壓縮機(jī)入口壓力完全依靠人工手動(dòng)操作控制，易誘發(fā)誤操作?，F(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)際上不能自動(dòng)控制壓縮機(jī)入口壓力，依靠頻繁的人工介入和手動(dòng)操作方可維持壓力平穩(wěn)，操作難度大，控制效果差，影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。

綜上所述，現(xiàn)有機(jī)組控制系統(tǒng)算法簡單，對(duì)人員素質(zhì)要求高，存在一定安全隱患；機(jī)組運(yùn)行能耗高，亟需改進(jìn)，使用高效的控制方式，降低機(jī)組能耗。

2 改造的難點(diǎn)和解決思路

現(xiàn)有丙烯制冷壓縮控制系統(tǒng)采用壓縮機(jī)主機(jī)廠原配套的Triconex TS3000，壓縮機(jī)組控制方案中存在的問題：

1）壓縮機(jī)喘振線不能有效補(bǔ)償實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況偏差；2）機(jī)組喘振線不準(zhǔn)確；3）機(jī)組控制處于手動(dòng)操作狀態(tài)；4）壓縮機(jī)性能控制為簡單的PID串級(jí)控制（入口壓力與轉(zhuǎn)速）未考慮速度與喘振控制器之間耦合，導(dǎo)致性能控制無法投用。因上述原因壓縮機(jī)機(jī)組防喘閥一直處于開啟狀態(tài)，操作畫面如圖1所示。

考慮到原有系統(tǒng)的不足，通過技術(shù)改造方案為：

圖2 汽輪壓縮機(jī)組耦合控制實(shí)例Fig.2 Coupling control example of steam wheel compressor unit

1）現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行喘振試驗(yàn)，計(jì)算繪制實(shí)測(cè)防喘振線，實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)防喘振控制。

2）解決從手動(dòng)到自動(dòng)的壓縮機(jī)組性能提升控制，對(duì)于較復(fù)雜的回路進(jìn)行解耦控制。

3）基于無關(guān)坐標(biāo)系的算法，得到歸一化的壓縮機(jī)喘振線進(jìn)行優(yōu)化控制。

3 實(shí)測(cè)防喘振控制

壓縮機(jī)廠家會(huì)提供一組壓縮機(jī)的理論計(jì)算喘振線。由于設(shè)計(jì)院或壓縮機(jī)廠家的設(shè)計(jì)余量考慮，往往給出的壓縮機(jī)喘振線比較保守，而且壓縮機(jī)出廠前，因?yàn)闊o法進(jìn)行工藝氣配比等原因，無法實(shí)測(cè)喘振線。而通過在壓縮機(jī)開機(jī)過程中在不同轉(zhuǎn)速下實(shí)測(cè)喘振線，準(zhǔn)確定義壓縮機(jī)的喘振線。通過壓縮機(jī)的運(yùn)行工況能夠和工藝需求更好地匹配，真實(shí)地反應(yīng)了壓縮機(jī)的運(yùn)行工況。

根據(jù)實(shí)際情況經(jīng)驗(yàn)，有相當(dāng)數(shù)量的壓縮機(jī)的實(shí)際喘振線在理論喘振線的右下位置，即壓縮機(jī)會(huì)比理論預(yù)測(cè)更早喘振。在這種情況下依照理論喘振線控制是無法防止壓縮機(jī)喘振的，也是比較危險(xiǎn)的。這也是部分防喘振控制無法投入自動(dòng)控制，防喘振閥門長期保持相當(dāng)開度的原因之一。所以實(shí)測(cè)壓縮機(jī)喘振線是壓縮機(jī)防喘振控制非常必要的一環(huán)。

在實(shí)測(cè)喘振線的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓線控制，不僅是在壓縮機(jī)負(fù)荷高，工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線時(shí)能夠投入自動(dòng)控制，即使在低負(fù)荷下，甚至是在開工初期運(yùn)行波動(dòng)較大時(shí)仍可以投入自動(dòng)運(yùn)行。壓線控制不但能實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能效果，更重要的是擴(kuò)展了壓縮機(jī)的操作空間。

1）臨界喘振點(diǎn)測(cè)試

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)大多數(shù)的壓縮機(jī)正常運(yùn)行中，防喘振閥完全關(guān)閉后實(shí)際工作點(diǎn)都遠(yuǎn)離喘振區(qū)，而在啟、停車或不正常狀態(tài)時(shí)工藝條件不是正常的操作條件，防喘振閥的打開對(duì)工藝不會(huì)造成影響。

2）喘振點(diǎn)測(cè)試

對(duì)于要準(zhǔn)確測(cè)試到喘振點(diǎn)的機(jī)組，通過判斷主要依靠看出口壓力表，這是機(jī)械式的儀表沒有延時(shí)反應(yīng)快。聽聲音的變化喘振將要發(fā)生時(shí)機(jī)組運(yùn)行的聲音有明顯的跡象，快于參數(shù)的變化，能更早的發(fā)現(xiàn)喘振點(diǎn)。

通常選取以往常用速度附近的3～5個(gè)速度75%，80%，85%，95%，100%，做實(shí)測(cè)喘振測(cè)試。

4 解耦控制

壓縮機(jī)防喘振控制回路之間、防喘振控制回路和性能控制回路之間，存在強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，調(diào)整一個(gè)回路會(huì)立即、顯著地影響到其它的控制回路，缺少解耦控制也是一般控制系統(tǒng)無法投入自動(dòng)運(yùn)行的重要原因之一。

以圖2的壓縮機(jī)系統(tǒng)為例，當(dāng)進(jìn)氣調(diào)速閥門開大時(shí)，進(jìn)氣量增大，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，提供給壓縮機(jī)組出力增大。當(dāng)抽氣閥開大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，提供給壓縮機(jī)組出力變小。所以回路的相互影響，會(huì)使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)很困難，特別是在裝置不是滿負(fù)荷工況有變化的情況下，尤為明顯。

不僅如此，丙烯壓縮機(jī)組為三段壓縮式制冷機(jī)組，存在三段返一段、三段返二段、三段返三段3個(gè)相互耦合的防喘振閥。為了消除回路間的相互耦合干擾，使用一般控制系統(tǒng)時(shí)操作員只能把閥門投到手動(dòng)，并且人為開大一點(diǎn)，讓壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)離喘振控制線遠(yuǎn)一點(diǎn)。這樣雖然能夠消除干擾，但造成能耗變大。采用更高級(jí)的解耦控制算法，能夠同時(shí)監(jiān)控和協(xié)調(diào)各段的運(yùn)行情況，做到全自動(dòng)的協(xié)調(diào)控制。

5 無關(guān)坐標(biāo)系算法

即用于壓縮機(jī)控制的喘振極限線SLL的計(jì)算與氣體分子量MW、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口氣體比熱比Ks和入口氣體壓縮因子Zs無關(guān)，而只與壓縮機(jī)組本身的內(nèi)部機(jī)械構(gòu)造有關(guān)。使用無關(guān)坐標(biāo)系算法得到歸一化的壓縮機(jī)喘振極限線。

簡化壓頭計(jì)算：

簡化流量平方計(jì)算：

圖3 無關(guān)坐標(biāo)系防喘振控制五線示意圖Fig.3 Independent coordinate system anti-surge control five line diagram

圖4 三段返一段改造后，預(yù)期工況與實(shí)際工況對(duì)比Fig.4 3 Comparison of expected working conditions and actual working conditions after the transformation of the return section

Pd——壓縮機(jī)出口壓力（絕壓）。

Ps——壓縮機(jī)入口壓力（絕壓）。

Td——壓縮機(jī)出口溫度（絕對(duì)溫度）。

Ts——壓縮機(jī)入口溫度（絕對(duì)溫度）。

防喘振控制算法采用基于無關(guān)坐標(biāo)系的5條計(jì)算與控制曲線，結(jié)合了閉環(huán)主PI控制響應(yīng)和開環(huán)階梯保護(hù)響應(yīng)，使得壓縮機(jī)在運(yùn)行中無論是面對(duì)一次緩慢的降負(fù)荷過程擾動(dòng)，還是面對(duì)由于工藝設(shè)備異常工況造成的劇烈擾動(dòng)，都能夠迅速、準(zhǔn)確地增加壓縮機(jī)的流量、保護(hù)壓縮機(jī)始終工作在安全區(qū)域；同時(shí)，由于采用了先進(jìn)的、準(zhǔn)確的基于無關(guān)坐標(biāo)系的防喘振控制算法，使得壓縮機(jī)的回流流量（或放空流量）保持在最低水平，從而最大限度地降低能量消耗。

6 結(jié)論

通過實(shí)施防喘振控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)如下效果：

1）改造后節(jié)約9.5MPa高壓蒸汽3t/h，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2）在4094rpm～5732rpm調(diào)速范圍內(nèi)選取5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，分別測(cè)得壓縮機(jī)一段、二段和三段的真實(shí)喘振點(diǎn)，從而生成真實(shí)喘振線。

3）防喘振實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，保證不發(fā)生喘振的前提下機(jī)組可以使控制線自動(dòng)運(yùn)行。

4）一段入口壓力自動(dòng)控制，自動(dòng)維持壓力平穩(wěn)。