防喘振及石墻控制功能在丙烯制冷壓縮機(jī)中的應(yīng)用

陳文勇

(福建古雷石化有限公司，福建 漳州 363216)

某石化公司為保證丙烯制冷壓縮機(jī)組的安全高效運(yùn)行，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(ITCC)采用了基于TüV認(rèn)證SIL3級(jí)三重冗余(TMR)技術(shù)的TS3000系統(tǒng)，掃描周期為毫秒級(jí)，目前系統(tǒng)“看門(mén)狗”時(shí)間設(shè)置為150 ms，滿足防喘振控制時(shí)間300 ms以內(nèi)的要求；人機(jī)界面采用Wonderware公司的INTOUCH9.5組態(tài)的監(jiān)控畫(huà)面；采用了Triconex專(zhuān)有的防喘振功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的防喘振控制及石墻控制。

1 防喘振控制和石墻控制基本原理

1.1 防喘振控制的基本原理

丙烯制冷壓縮機(jī)是離心式壓縮機(jī)，離心式壓縮機(jī)具有排氣量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、氣體不受油污染以及正常工況下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壓縮氣流無(wú)脈動(dòng)等特點(diǎn)。但是對(duì)氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發(fā)生喘振。早在1945年英國(guó)技術(shù)人員首先發(fā)現(xiàn)了離心式壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象并引起了人們的注意。喘振是離心式壓縮機(jī)固有的一種現(xiàn)象，具有較大的危害性，是壓縮機(jī)損壞的主要誘因之一。因此，提高離心式壓縮機(jī)的抗喘振性能，保證其安全可靠運(yùn)行對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著非常重要的意義。防喘振控制就是在壓縮機(jī)段間、缸間設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)兩用的控制系統(tǒng)使壓縮機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)始終位于喘振線的右側(cè)。

1.1.1防喘振控制曲線

該壓縮機(jī)防喘振控制曲線如圖1所示。圖1中縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)某級(jí)出口壓力(pd)與入口壓力(ps)的比值；橫坐標(biāo)為某級(jí)入口流量與入口最大流量的比值Hc；實(shí)際喘振線的左側(cè)為機(jī)組喘振區(qū)域，是根據(jù)實(shí)際的機(jī)組性能曲線得到；防喘振控制曲線是喘振線右移了一定的距離，一般為10%，該距離稱(chēng)為“安全裕度”；操作點(diǎn)即實(shí)際工作點(diǎn)，是一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如：pd/ps=2，Hc=60%；盤(pán)旋點(diǎn)設(shè)定值所在線就是盤(pán)旋點(diǎn)的位置，在工作點(diǎn)的左邊，與工作點(diǎn)有一定距離，該距離即盤(pán)旋點(diǎn)的裕度設(shè)定值。當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤(pán)旋點(diǎn)時(shí)，喘振PID會(huì)有輸出；當(dāng)盤(pán)旋點(diǎn)跟上變化，又回到原有設(shè)定的距離時(shí)，喘振PID輸出會(huì)慢慢回零。

圖1 防喘振控制曲線示意

當(dāng)工作點(diǎn)穿過(guò)防喘振控制曲線，在“安全裕度”內(nèi)，喘振PID控制開(kāi)始輸出信號(hào)。當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入喘振超馳區(qū)域，即“安全裕度”左邊70%的區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生喘振超馳輸出信號(hào)，喘振超馳是純比例控制，打開(kāi)速度更快。當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入快開(kāi)線區(qū)域，即“安全裕度”左邊2%區(qū)域，一般作為防喘振電磁閥失電的條件，防喘振閥全部打開(kāi)。

1.1.2防喘振控制模擬量輸出

防喘振控制模擬量最終輸出由4個(gè)輸出內(nèi)容高選得到，且與控制模式有關(guān)系，4個(gè)輸出分別為喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過(guò)程控制超馳輸出、全手動(dòng)輸出，如圖2所示。

圖2 防喘振控制輸出選擇示意

1)喘振PID輸出。如上所述，當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤(pán)旋點(diǎn)時(shí)，喘振PID會(huì)有輸出；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入防喘振控制曲線時(shí)，喘振PID也會(huì)有輸出。

2)喘振超馳輸出。在“安全裕度”右邊30%區(qū)域內(nèi)，輸出值一直是0，當(dāng)進(jìn)入70%區(qū)域時(shí)，進(jìn)行純比例運(yùn)算輸出，快速上升到100%。

3)過(guò)程控制超馳輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)速投過(guò)程控制時(shí)，才會(huì)有輸出，這是轉(zhuǎn)速控制與防喘振控制的解耦運(yùn)算得出的輸出。

4)全手動(dòng)輸出。即手動(dòng)給定的值。

4個(gè)值的選擇還與防喘振控制模式有關(guān)。防喘振控制有三種模式： 全手動(dòng)、半手動(dòng)、自動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)模式時(shí)，喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過(guò)程控制超馳輸出3個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)半手動(dòng)模式時(shí)，對(duì)喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過(guò)程控制超馳輸出、全手動(dòng)輸出4個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)全手動(dòng)模式時(shí)，只選擇全手動(dòng)輸出的值。

1.1.3防喘振功能使能

“防喘振使能”條件有兩個(gè)： 壓縮機(jī)進(jìn)入運(yùn)行模式，第三段壓縮比大于1.15。該使能同時(shí)作用于第四段“防喘振使能”。

1.1.4防喘振控制曲線校正

防喘振控制程序里有兩項(xiàng)校正功能：

1)當(dāng)與防喘振控制計(jì)算相關(guān)的壓力和溫度點(diǎn)任一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，安全裕度直接由10%變成15%，即防喘振控制曲線向左移5%。當(dāng)故障消失時(shí)，安全裕度恢復(fù)為10%。

2)每產(chǎn)生一次喘振，就需重新校正一次，即防喘振控制曲線向右移動(dòng)2%，最多進(jìn)行10次重新校正?？梢酝ㄟ^(guò)復(fù)位功能進(jìn)行重新校正復(fù)位，恢復(fù)原防喘振控制曲線。

1.2 石墻控制的基本原理

石墻一般發(fā)生在離心式壓縮機(jī)某一級(jí)，當(dāng)該級(jí)的氣體流速達(dá)到聲速，該級(jí)的流量再也不會(huì)增加，就形成石墻。解決石墻問(wèn)題最有效的方法是提高該級(jí)的pd/ps值。提高pd/ps值有很多種方法，如提高轉(zhuǎn)速、控制回流、或在該級(jí)入口安裝1臺(tái)降壓閥(石墻閥)。經(jīng)研究第三種方法對(duì)提高pd/ps值最有效。

1.2.1石墻控制曲線

石墻控制與防喘振控制類(lèi)似，程序組態(tài)也是通過(guò)防喘振功能塊實(shí)現(xiàn)。石墻與喘振不同之處在于： 流量越低、pd/ps值越高越容易產(chǎn)生喘振；而流量越大、pd/ps值越低越容易產(chǎn)生石墻。石墻控制曲線如圖3所示。

圖3中縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)某級(jí)的pd/ps值；橫坐標(biāo)為某級(jí)的Hc值；實(shí)際石墻線的右側(cè)為機(jī)組撞墻區(qū)域，是根據(jù)實(shí)際的機(jī)組性能曲線得到；防石墻控制曲線是將石墻線右移了一定的距離，一般為10%，該距離稱(chēng)為“安全裕度”；實(shí)際工作點(diǎn)是一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如：pd/ps=1.2，Hc=60%；盤(pán)旋點(diǎn)設(shè)定值所在線就是盤(pán)旋點(diǎn)的位置，在工作點(diǎn)的右邊，與工作點(diǎn)有一定距離，該距離即盤(pán)旋點(diǎn)的裕度設(shè)定值。當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤(pán)旋點(diǎn)時(shí)，石墻PID會(huì)有輸出，當(dāng)盤(pán)旋點(diǎn)跟上變化，又回到原有設(shè)定的距離時(shí)，石墻PID控制輸出會(huì)慢慢回零。

圖3 石墻控制曲線示意

當(dāng)工作點(diǎn)穿過(guò)防石墻控制曲線，到“安全裕度”內(nèi)，石墻PID控制開(kāi)始輸出信號(hào)。當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入石墻超馳區(qū)域，是“安全裕度”右邊70%的區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生石墻超馳輸出信號(hào)，石墻超馳是純比例控制，使石墻控制閥打開(kāi)速度更快。

1.2.2石墻控制模擬量輸出

石墻控制模擬量最終輸出由3個(gè)輸出高選得到的，且與控制模式有關(guān)系，3個(gè)輸出為石墻PID輸出、石墻超馳輸出、全手動(dòng)輸出，如圖4所示。

圖4 石墻控制輸出選擇示意

1)石墻PID輸出。當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤(pán)旋點(diǎn)時(shí)，會(huì)有輸出；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入防石墻控制曲線時(shí)，也會(huì)有輸出。

2)石墻超馳輸出。在“安全裕度”的30%及防石墻控制曲線左邊的區(qū)域，輸出一直是0；當(dāng)進(jìn)入70%區(qū)域時(shí)，進(jìn)行純比例運(yùn)算輸出，快速上升到100%。

3)全手動(dòng)輸出。手動(dòng)給定輸出值。

3個(gè)值的選擇同樣與石墻控制模式有關(guān)。石墻控制有三種模式： 全手動(dòng)、半手動(dòng)、自動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)模式時(shí)，石墻PID輸出、石墻超馳輸出2個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)半手動(dòng)模式時(shí)，石墻PID輸出、石墻超馳輸出、全手動(dòng)輸出三個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)全手動(dòng)模式時(shí)，只選擇全手動(dòng)輸出的值。

1.2.3防石墻功能使能

防石墻功能是無(wú)條件長(zhǎng)期使能的。

1.2.4防石墻控制曲線校正

防石墻控制曲線校正與防喘振控制曲線的校正有部分區(qū)別： 當(dāng)與石墻控制計(jì)算相關(guān)的壓力和溫度點(diǎn)任一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，安全裕度直接由10%變成15%，也就是防石墻控制曲線向左移5%。當(dāng)故障消失時(shí)，安全裕度恢復(fù)為10%。

2 防喘振控制和石墻控制實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題

2.1 防喘振控制實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題

2.1.1工作點(diǎn)較快速波動(dòng)

因工作點(diǎn)的較快速波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致防喘振閥打開(kāi)。

1)原因分析。如上所述，當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤(pán)旋點(diǎn)時(shí)，喘振PID會(huì)有輸出，在自動(dòng)或半手動(dòng)模式下，閥門(mén)會(huì)打開(kāi)。檢查工作點(diǎn)計(jì)算相關(guān)的測(cè)量信號(hào)，發(fā)現(xiàn)部分測(cè)量值有波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度很小，應(yīng)該不會(huì)影響機(jī)組喘振，不應(yīng)該打開(kāi)防喘振閥。

2)解決方法。加大現(xiàn)場(chǎng)儀表本身的阻尼，降低儀表本身的敏感性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，只上調(diào)1檔，不能調(diào)整過(guò)大，否則會(huì)嚴(yán)重影響防喘振控制的及時(shí)性；在程序中提高盤(pán)旋點(diǎn)跟蹤工作點(diǎn)的速度。同時(shí)，阻尼也不能調(diào)太快，否則會(huì)影響盤(pán)旋點(diǎn)實(shí)際作用，如果工作點(diǎn)實(shí)際靠近太快，則需要打開(kāi)防喘振閥。

2.1.2防喘振流量變送器故障

因防喘振流量變送器的故障導(dǎo)致防喘振閥動(dòng)作。

1)原因分析。當(dāng)防喘振流量測(cè)量出問(wèn)題，直接影響工作點(diǎn)，如果進(jìn)入防喘振區(qū)域，就會(huì)打開(kāi)防喘振閥。影響流量測(cè)量值的原因有： 引壓管積液嚴(yán)重、引壓管過(guò)長(zhǎng)響應(yīng)滯后波動(dòng)、變送器本身故障但不顯示故障狀態(tài)。

2)解決方法有以下兩種：

a)對(duì)于引壓管積液嚴(yán)重和過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題。需要縮短引壓管，整體引壓管和變送器都在引壓口的上方，可以完全避免積液?jiǎn)栴}。該措施可以應(yīng)用于所有參與防喘振控制計(jì)算的流量和壓力儀表。

b)流量變送器本身故障。如果發(fā)生故障報(bào)警，控制程序會(huì)自動(dòng)選擇設(shè)定值，不會(huì)對(duì)防喘振控制產(chǎn)生大的擾動(dòng)；如果不發(fā)出故障報(bào)警，此時(shí)需要操作人員要有很強(qiáng)的應(yīng)急能力，生產(chǎn)部門(mén)有很好的應(yīng)急方案。把當(dāng)級(jí)的防喘振控制模式立即改為全手動(dòng)，并迅速而平穩(wěn)關(guān)閉防喘振閥。如果達(dá)不到這樣的應(yīng)急能力，那只有將參與防喘振控制計(jì)算的儀表都改成“三重冗余”，信號(hào)“三取中”，可避免該類(lèi)問(wèn)題發(fā)生。

2.1.3防喘振全手動(dòng)功能非最高優(yōu)先級(jí)

防喘振全手動(dòng)功能并非最高優(yōu)先級(jí)，分析如下：

1)原因分析。原有防喘振功能塊的功能描述與實(shí)際的功能塊功能不符。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，防喘振使能狀態(tài)由“1”改成“0”時(shí)，會(huì)由“下降沿”觸發(fā)防喘振所有自動(dòng)、手動(dòng)輸出100%，全開(kāi)防喘振閥。廠家提供的功能塊說(shuō)明該機(jī)組的防喘振使能的條件有pd/ps≥1.15，且應(yīng)用于全部4臺(tái)防喘振閥控制，那么就引入了一個(gè)較大的安全隱患。如果2臺(tái)變送器其中1臺(tái)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致pd/ps<1.15，那么“防喘振使能”狀態(tài)由“1”改成“0”，就會(huì)引起4臺(tái)防喘振閥門(mén)全部打開(kāi)，對(duì)生產(chǎn)造成較大的擾動(dòng)，甚至導(dǎo)致停機(jī)、裝置停工?；谠撾[患，需要評(píng)估該pd/ps值作為“防喘振使能”的條件是否必要。經(jīng)過(guò)和壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家調(diào)研和評(píng)估，建議取消該條件。防喘振使能只要一個(gè)“機(jī)組進(jìn)入運(yùn)行模式”條件就足夠。

另外，檢查全廠的ITCC的“防喘振使能”的條件，發(fā)現(xiàn)都不一樣，如芳烴和新煉油裝置共8套ITCC的“防喘振使能”的條件都沒(méi)有用pd/ps條件。老煉油裝置有pd/ps條件、快開(kāi)線和ITCC的壓力變送器的故障信號(hào)。

還存在另一個(gè)隱患，如果單級(jí)出/入口變送器出現(xiàn)問(wèn)題，根據(jù)防喘振控制功能，可能會(huì)引起單級(jí)防喘振閥門(mén)打開(kāi)。主要依賴于儀表可靠性，如果發(fā)生故障不可避免，那么就要討論可以解決或?qū)p失降到最低的方案，如： 單級(jí)防喘振閥突然打開(kāi)的完善的應(yīng)急預(yù)案；考慮把參與防喘振計(jì)算的儀表改成“三重冗余”，信號(hào)“三取中”參與防喘振計(jì)算。

2)解決方法有以下四種：

a)壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家需要提交準(zhǔn)確的、全面的防喘振功能說(shuō)明書(shū)及防喘振功能測(cè)試的內(nèi)容。

b)廠家需要規(guī)范統(tǒng)一“防喘振使能”的條件，取消pd/ps值作為“防喘振使能”的條件。

c)要有完善的單級(jí)防喘振閥突然打開(kāi)的應(yīng)急預(yù)案，盡量避免造成更大影響。

d)建議將參與防喘振計(jì)算的儀表改成“三重冗余”，信號(hào)“三取中”。

2.2 石墻控制實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題

乙烯裝置8臺(tái)爐運(yùn)行時(shí)，Hc=90%左右，石墻控制打開(kāi)石墻控制閥。

按照目前pd/ps值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墻線的pd/ps的最高限1.31，上面區(qū)域沒(méi)有石墻線和防石墻控制曲線，因此不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)入石墻控制的情況。

但是，故障時(shí)Hc=90%左右，石墻閥為何會(huì)打開(kāi)？經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槭瘔刂魄€中，當(dāng)pd/ps=1.31時(shí)，上方無(wú)石墻線和防石墻控制曲線，并不一定受石墻控制。經(jīng)過(guò)測(cè)試，石墻線到100%的位置，從(100， 1.31)的坐標(biāo)垂直朝上的線都是有效，同理防石墻控制曲線也是一樣。所以可知為防石墻控制曲線的問(wèn)題，防石墻控制曲線是石墻線左移了10%安全裕度，當(dāng)Hc≥90%時(shí)，進(jìn)入防石墻控制曲線，就會(huì)開(kāi)始打開(kāi)石墻閥。

分析可知，當(dāng)pd/ps值超過(guò)產(chǎn)生石墻的可能區(qū)域，則不用考慮石墻控制問(wèn)題，故障原因可能是實(shí)際防喘振功能模塊存在的缺陷。

通過(guò)核對(duì)機(jī)組生產(chǎn)廠家性能曲線和組態(tài)廠家的喘振線、石墻線計(jì)算書(shū)，發(fā)現(xiàn)兩者不符，經(jīng)核查，第三級(jí)入口的最大流量數(shù)值有誤，用的是1級(jí)入口最大流量6.4×105kg/h，影響了第三級(jí)防喘振計(jì)算和石墻控制計(jì)算。

因丙烯制冷壓縮機(jī)第三段入口沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置入口流量檢測(cè)元件，給三段性能控制和計(jì)算帶來(lái)一些理解上的偏差，但第三段入口流量最大量程是用于性能控制的必要條件之一，現(xiàn)通過(guò)壓縮機(jī)性能曲線，壓縮機(jī)數(shù)據(jù)表得出第三段入口流量最大流量用于防喘振和石墻控制。

解決方法： 當(dāng)pd/ps>1.31時(shí)，取消石墻控制線；按照新的計(jì)算書(shū)，修改石墻線程序。

3 日常維護(hù)和常見(jiàn)故障判斷及處理

3.1 日常維護(hù)

丙烯制冷壓縮機(jī)的日常維護(hù)建議如下：

1)日常維護(hù)必須按照機(jī)組特護(hù)有關(guān)要求進(jìn)行巡回檢查，發(fā)現(xiàn)防喘振和石墻控制相關(guān)測(cè)量點(diǎn)有異常情況，及時(shí)匯報(bào)和處理。

2)在未改造引壓管之前，定期對(duì)流量表進(jìn)行引壓管排液處理，排液前要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，編制施工方案。

3)向工藝人員詢問(wèn)儀表使用情況，及時(shí)把儀表隱患消除在萌芽狀態(tài)。

3.2 常見(jiàn)故障判斷及處理

丙烯制冷壓縮機(jī)常見(jiàn)故障判斷及處理方式如下：

1)機(jī)組發(fā)生喘振或石墻報(bào)警時(shí)，先查看各個(gè)相關(guān)參數(shù)的歷史趨勢(shì)，檢查入口流量表、入口壓力表和出口壓力表，檢查防喘振/石墻電磁閥及防喘振/石墻閥。同樣，處理前要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，編制施工方案。

2)防喘振閥/石墻閥誤開(kāi)時(shí)，操作人員要及時(shí)按照應(yīng)急預(yù)案，慢慢關(guān)閉閥門(mén)，以免停車(chē)，將損失降低到最小。

3)對(duì)防喘振/石墻控制相關(guān)的儀表進(jìn)行故障處理前，需要評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，編制施工方案；防止再次誤動(dòng)作，擴(kuò)大事件損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

防喘振和石墻控制對(duì)保護(hù)壓縮機(jī)組、壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)是至關(guān)重要的。如何確保其可靠運(yùn)行，是操作、維護(hù)人員最為關(guān)注的。提供操作、維護(hù)人員的高水平業(yè)務(wù)能力也是迫在眉睫的。有效地改善現(xiàn)存在的問(wèn)題，是接下來(lái)的重要任務(wù)。