離心壓縮機(jī)的控制和保護(hù)

黎力，盧喜華

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

離心壓縮機(jī)是許多大型石化企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，往往會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。如何使離心壓縮機(jī)安全、長(zhǎng)周期的穩(wěn)定運(yùn)行，成為各個(gè)石化企業(yè)關(guān)注的首要問(wèn)題。成熟合理的控制和保護(hù)系統(tǒng)方案可以為壓縮機(jī)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行提供最有力的保障。

隨著安全儀表系統(tǒng)(SIS)的發(fā)展和普及，傳統(tǒng)的將壓縮機(jī)組所有相關(guān)的控制和保護(hù)都集成在一套硬件系統(tǒng)(ITCC)內(nèi)的做法已滿足不了IEC61511獨(dú)立性的要求。API 670： 2014Machineryprotectionsystem的更新內(nèi)容也表明壓縮機(jī)組的控制功能和保護(hù)功能相互獨(dú)立是將來(lái)的大趨勢(shì)。

在考慮壓縮機(jī)組控制和保護(hù)系統(tǒng)之前，首先要確定控制和保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，本文根據(jù)大量的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)分為工藝系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)、盤車裝置、壓縮機(jī)啟動(dòng)和緊急停車系統(tǒng)分別來(lái)闡述控制和保護(hù)功能，其目的是從工藝和機(jī)械的角度出發(fā)增強(qiáng)對(duì)壓縮機(jī)組的認(rèn)識(shí)，有助于更深刻地理解機(jī)組控制和保護(hù)方案。

1 工藝氣系統(tǒng)

工藝氣系統(tǒng)控制流程如圖1所示，主要包括防喘振控制回路、性能控制回路和喘振檢測(cè)系統(tǒng)三部分。

圖1 工藝氣系統(tǒng)控制流程示意

1.1 防喘振控制

離心壓縮機(jī)瞬間流動(dòng)逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為喘振。喘振過(guò)程中，壓縮機(jī)出口壓力快速地下降，然后快速恢復(fù)，這種循環(huán)的低頻率高振幅的氣流振蕩會(huì)造成壓縮機(jī)內(nèi)部件嚴(yán)重?fù)p壞。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)(可變速)壓縮機(jī)的特性曲線如圖2所示，在每個(gè)工作轉(zhuǎn)速下，隨著流量的下降，壓氣機(jī)都達(dá)到一個(gè)最大排氣壓力，連接這些點(diǎn)(圖2中A到C點(diǎn))的線就是喘振線SLL。其中，Δp為壓縮機(jī)出口與入口的壓差；Δph為流量計(jì)差壓，STL為喘振聯(lián)鎖線，SCL為喘振控制線。

圖2 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的特性曲線示意

SLL的左側(cè)為喘振區(qū)，右側(cè)為壓縮機(jī)的工作區(qū)，防喘振控制的作用就是保護(hù)或防止壓縮機(jī)的工作點(diǎn)P進(jìn)入喘振區(qū)。圖1中的UIC為典型防喘振控制回路，防喘振控制器由兩個(gè)功能組成，其基本原理如圖3所示。

圖3 防喘振控制原理示意

1)FIC為比例積分控制回路，SCL的值為該回路的給定值SP，計(jì)算如式(1)所示：

SP=m(Δp)+b

(1)

式中：m——SLL的斜率；b——SCL與SLL之間的偏移量。

2)FSL為喘振聯(lián)鎖回路，聯(lián)鎖設(shè)定值為STL線的值。當(dāng)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)P向左移碰到SCL時(shí)，如果FIC的響應(yīng)速度無(wú)法使P點(diǎn)回到SCL右側(cè)，這時(shí)P點(diǎn)會(huì)繼續(xù)左移直到碰到STL，該聯(lián)鎖觸發(fā)一個(gè)階躍信號(hào)快速打開防喘振閥。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，各壓縮機(jī)控制系統(tǒng)廠家在上述功能的基礎(chǔ)上發(fā)展出各種獨(dú)特的控制算法，不僅提高了防喘振控制的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)速度，還實(shí)現(xiàn)了防喘振控制、性能控制和轉(zhuǎn)速控制及解耦控制。

1.2 性能控制

性能控制的作用是通過(guò)上游或下游工藝要求來(lái)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速使壓縮機(jī)的運(yùn)行吻合工藝裝置的負(fù)荷，性能控制的被控變量一般根據(jù)工藝裝置的主要擾動(dòng)量來(lái)選擇，常用的被控變量有壓縮機(jī)吸入壓力、出口壓力、出口流量。圖1中的性能控制器PIC以壓縮機(jī)吸入壓力作為被控變量，與轉(zhuǎn)速控制器SIC形成串級(jí)控制，性能控制的調(diào)節(jié)范圍為汽輪機(jī)最小到最大工作轉(zhuǎn)速。

由于多個(gè)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相互影響，當(dāng)工況變化劇烈時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，具有回路解耦功能的控制器會(huì)提高壓縮機(jī)控制的穩(wěn)定性。以圖1為例，當(dāng)防喘振控制增加回流量時(shí)，性能控制器需要增加其輸出設(shè)定值到轉(zhuǎn)速控制器提高轉(zhuǎn)速，從而提高壓縮機(jī)吸入能力。在該種情況下，解耦控制將提供一個(gè)從防喘振控制器到性能控制器的前饋功能，以增加性能控制器的輸出。

1.3 喘振檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)防喘振控制功能失效時(shí)，喘振檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確檢測(cè)出壓縮機(jī)的喘振，并發(fā)出信號(hào)快速打開防喘振閥或停壓縮機(jī)。API 670： 2014并未強(qiáng)制要求離心壓縮機(jī)設(shè)置喘振檢測(cè)系統(tǒng)，但事實(shí)上大多數(shù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)廠家已把該功能集成在防喘振控制內(nèi)，雖然這樣做并不滿足API 670： 2014中喘振檢測(cè)系統(tǒng)和喘振控制系統(tǒng)相互獨(dú)立的要求。隨著SIS的發(fā)展和普及，未來(lái)的趨勢(shì)中該功能應(yīng)獨(dú)立于防喘振控制系統(tǒng)，或集成在SIS內(nèi)。

2 蒸汽系統(tǒng)

抽汽凝汽式汽輪機(jī)蒸汽系統(tǒng)控制流程如圖4 所示。

圖4 蒸汽系統(tǒng)控制流程示意

2.1 轉(zhuǎn)速控制

該節(jié)討論的轉(zhuǎn)速控制是指啟動(dòng)程序結(jié)束后，控制范圍從最小到最大工作轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速控制本質(zhì)上是普通的PID控制回路，通過(guò)調(diào)節(jié)SV閥的開度來(lái)控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)API 612： 2014Petroleum，petrochemtcal，andnaturalgasindustries-steamturbinesspecialpurposeapplication規(guī)定至少需要配置2個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速探頭用于轉(zhuǎn)速控制。

抽汽或補(bǔ)汽式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制的情況要復(fù)雜的多，以下重點(diǎn)介紹抽汽式汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制原理。典型的抽汽式汽輪機(jī)特性曲線如圖5所示，實(shí)際上抽汽閥EV是安裝在汽輪機(jī)中段的機(jī)頭上，為了便于理解才把汽輪機(jī)分成兩段來(lái)表示。

圖5 抽汽式汽輪機(jī)特性曲線示意

當(dāng)抽氣閥EV的開度V2=100%時(shí)，蒸汽流量qVF與汽輪機(jī)輸出功率P的關(guān)系分為兩部分： 第一部分為圖5中的抽汽量qVp=0線，此時(shí)抽汽量為零，所有蒸汽流量都轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)輸出功率，qVp=0線的斜率為整個(gè)汽輪機(jī)的功率轉(zhuǎn)換率；第二部分為圖5中V2=100%線，此時(shí)汽輪機(jī)抽汽點(diǎn)的壓力達(dá)到低壓蒸汽管網(wǎng)壓力，增加的流量值只通過(guò)汽輪機(jī)1級(jí)轉(zhuǎn)換為輸出功率，V2=100%線的斜率為汽輪機(jī)1級(jí)的功率轉(zhuǎn)換率。

轉(zhuǎn)速控制由轉(zhuǎn)速控制SIC和抽汽壓力控制PIC組成，SIC輸出功率需求量(P1)，PIC輸出抽汽需求量(qVP1)，根據(jù)汽輪機(jī)特性曲線可控制主調(diào)閥SV開度V1和抽汽閥EV開度V2。

2.2 超速保護(hù)系統(tǒng)

當(dāng)轉(zhuǎn)速控制失效時(shí)，超速保護(hù)系統(tǒng)是汽輪機(jī)最后一道保護(hù)防線，API 612： 2014推薦其設(shè)定值為額定轉(zhuǎn)速的116%。為降低共因失效，超速保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置或集成在SIS內(nèi)，不應(yīng)與一般過(guò)程控制共用硬件，特別是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。

根據(jù)API 670： 2014規(guī)定超速保護(hù)系統(tǒng)需要配置3個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速探頭實(shí)現(xiàn)“2oo3”邏輯表決。

3 油路系統(tǒng)

油路系統(tǒng)主要由油箱、主油泵、輔助油泵、油冷卻器、油過(guò)濾器、高位油箱、閥門、管路及儀表等部分組成。典型的油路系統(tǒng)控制流程如圖6所示，溫度控制TIC和壓力控制PCV保證潤(rùn)滑油的油溫和油壓維持在正常的操作范圍內(nèi)。為了維持機(jī)組連續(xù)運(yùn)行，油站一般設(shè)置1臺(tái)主油泵和1臺(tái)輔油泵，當(dāng)主油泵故障或油泵出口壓力低時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)輔油泵。

圖6 油路系統(tǒng)控制流程示意

4 機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)

在離心壓縮機(jī)各種故障中最常碰到的就是振動(dòng)問(wèn)題，引起壓縮機(jī)振動(dòng)的因素很多，振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提供的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)于分析機(jī)組故障原因起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)API 670： 2014的要求，采用油膜潤(rùn)滑的支撐軸承或推力軸承的旋轉(zhuǎn)設(shè)備傳感器推薦配置，最低要求如下：

1)鍵相位。每臺(tái)機(jī)組的驅(qū)動(dòng)裝置上應(yīng)當(dāng)安裝一個(gè)非接觸式電渦流傳感器，用于相位基準(zhǔn)測(cè)量。如果機(jī)組具有多個(gè)轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)軸(例如通過(guò)齒輪箱傳動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件)，則必須在每個(gè)不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置一個(gè)相位測(cè)量。

2)軸振動(dòng)。每個(gè)支撐軸承上應(yīng)當(dāng)安裝2個(gè)非接觸式電渦流振動(dòng)傳感器，2個(gè)傳感器呈夾角90°安裝，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“2oo2”表決。

3)軸位移。每個(gè)滑動(dòng)推力軸承上應(yīng)當(dāng)安裝2個(gè)非接觸式電渦流位移傳感器，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“2oo2”表決。

4)振動(dòng)加速度。對(duì)于齒輪箱，除了應(yīng)當(dāng)在支撐軸承上安裝電渦流傳感器以外，還應(yīng)當(dāng)在齒輪箱外殼上安裝1個(gè)振動(dòng)加速度計(jì)式傳感器，用于檢測(cè)齒輪相關(guān)信息。

5)溫度。每個(gè)支持軸承上應(yīng)當(dāng)安裝2個(gè)溫度傳感器測(cè)量軸承金屬溫度，每個(gè)推力軸承的工作面和非工作面推力瓦上都應(yīng)當(dāng)安裝溫度傳感器，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“1oo1”表決。

5 盤車裝置

盤車裝置的作用是在汽輪機(jī)啟動(dòng)前或停機(jī)后，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)從而減小上下汽缸溫差，避免轉(zhuǎn)子不均勻受熱產(chǎn)生彎曲變形，同時(shí)還可在啟動(dòng)前檢查汽輪機(jī)動(dòng)靜之間是否有摩擦及潤(rùn)滑系統(tǒng)工作是否正常。盤車裝置的啟動(dòng)分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，自動(dòng)模式需要增設(shè)一個(gè)零轉(zhuǎn)速探頭以確保汽輪機(jī)完全停車的狀態(tài)下自動(dòng)啟動(dòng)盤車電機(jī)。典型手動(dòng)啟動(dòng)盤車邏輯如圖7所示。

圖7 盤車電機(jī)啟動(dòng)邏輯示意

6 壓縮機(jī)啟動(dòng)

典型透平壓縮機(jī)啟動(dòng)邏輯如圖8所示，不同機(jī)組的允許啟動(dòng)信號(hào)會(huì)略有增減。

圖8 透平壓縮機(jī)啟動(dòng)邏輯示意

當(dāng)壓縮機(jī)允許條件全部滿足后，可開始啟動(dòng)程序。常用的啟動(dòng)程序分為手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三種模式，詳細(xì)操作流程如圖9所示。

圖9 透平壓縮機(jī)啟動(dòng)流程示意

7 緊急停車系統(tǒng)

典型透平壓縮機(jī)緊急停車邏輯如圖10所示，不同機(jī)組的停車信號(hào)會(huì)略有增減。

圖10 透平壓縮機(jī)緊急停車邏輯示意

8 控制系統(tǒng)方案

8.1 傳統(tǒng)ITCC方案

傳統(tǒng)ITCC方案采用一套機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所有機(jī)組的控制和保護(hù)功能，其最大的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)界面少、工程實(shí)施簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。但隨著用戶對(duì)于安全儀表系統(tǒng)越來(lái)越重視，機(jī)組安全保護(hù)相關(guān)的SIF功能要求獨(dú)立于一般過(guò)程控制回路，該方案已無(wú)法滿足此類用戶的需求。

8.2 專用控制器方案

筆者參與設(shè)計(jì)的國(guó)外某總承包項(xiàng)目中，用戶要求防喘振控制、性能控制、轉(zhuǎn)速控制、超速保護(hù)、振動(dòng)檢測(cè)均采用專用的控制系統(tǒng)，機(jī)組其他部分的檢測(cè)和控制利用工藝裝置的DCS實(shí)現(xiàn)，機(jī)組安全相關(guān)的保護(hù)功能利用工藝裝置SIL認(rèn)證的SIS實(shí)現(xiàn)。該方案不僅完全滿足控制和安全保護(hù)功能相互獨(dú)立的要求，并且專用控制器先進(jìn)的算法保證了壓縮機(jī)高效穩(wěn)定地運(yùn)行，機(jī)組部分的檢測(cè)、控制和操作與工藝裝置采用統(tǒng)一的DCS操作界面。該項(xiàng)目離心壓縮機(jī)控制系統(tǒng)方案如圖11所示。

該方案的缺點(diǎn)是各個(gè)系統(tǒng)之間的來(lái)往的信號(hào)線比較多，實(shí)施難度較大，要求設(shè)計(jì)者和用戶對(duì)于壓縮機(jī)控制有一定程度的理解，協(xié)調(diào)好各系統(tǒng)之間的控制需求。

圖11 國(guó)外某項(xiàng)目離心壓縮機(jī)控制系統(tǒng)方案示意

8.3 優(yōu)化版ITCC方案

該方案從傳統(tǒng)的ITCC方案改進(jìn)而來(lái)，機(jī)組所有檢測(cè)、控制功能和操作利用ITCC實(shí)現(xiàn)，機(jī)組安全相關(guān)的保護(hù)功能從原來(lái)ITCC改到SIS實(shí)現(xiàn)。該方案同樣滿足控制和安全保護(hù)功能相互獨(dú)立的要求，但系統(tǒng)之間界面要較專用控制器方案少很多，工程實(shí)施和傳統(tǒng)的ITCC沒(méi)有大的區(qū)別。

9 結(jié)束語(yǔ)

本文是筆者在項(xiàng)目實(shí)施中由于傳統(tǒng)ITCC概念和SIS要求產(chǎn)生矛盾后引發(fā)的思考和探索，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)配置方案是靈活多變的，工程設(shè)計(jì)人員需要更深入地了解機(jī)組控制和保護(hù)的目的，才能設(shè)計(jì)壓縮機(jī)及其相關(guān)設(shè)備控制及保護(hù)系統(tǒng)的最優(yōu)方案，更好地滿足用戶的操作習(xí)慣。