CCC機(jī)組控制系統(tǒng)在乙烯制冷壓縮機(jī)中的應(yīng)用

熊浩，方群偉，程鋒

(1. 中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430070；2. 海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101)

某乙烯裝置乙烯制冷壓縮機(jī)(簡稱“壓縮機(jī)”)為沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司制造的四段十二級(jí)離心式壓縮機(jī)，機(jī)組設(shè)計(jì)了“四返一”“四返二”“四返三”防喘振和石墻控制系統(tǒng)，以提高機(jī)組運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性，帶控制回路的壓縮機(jī)氣路結(jié)構(gòu)如圖1所示。原控制系統(tǒng)采用某公司綜合透平壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(ITCC)，自2013年投產(chǎn)運(yùn)行以來，“四返二”防喘振閥在半自動(dòng)情況下仍有36%的開度，全自動(dòng)情況下壓縮機(jī)工作點(diǎn)的安全裕度只能控制在3%。為了保證機(jī)組安全運(yùn)行，“四返二”防喘振閥不能全關(guān)，防喘振控制器無法投全自動(dòng)，造成壓縮機(jī)能耗過高。2020年，該乙烯裝置因擴(kuò)能改造更新乙烯制冷壓縮機(jī)，新增美國壓縮機(jī)控制公司冗余CCC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防喘振控制、石墻控制、蒸汽透平速度控制、抽汽控制及壓縮機(jī)入口壓力性能控制等功能，原ITCC系統(tǒng)保留安全聯(lián)鎖保護(hù)及輔助單元的自動(dòng)控制協(xié)調(diào)使用。

1 原機(jī)組控制系統(tǒng)問題

原ITCC系統(tǒng)主要有如下四個(gè)問題：

1)喘振曲線沒有實(shí)測(cè)。壓縮機(jī)在初始投料開車期間，原ITCC系統(tǒng)沒有做過喘振曲線實(shí)測(cè)，其性能曲線是制造商提供的理論設(shè)計(jì)參數(shù)。因?yàn)閴嚎s機(jī)出廠前驗(yàn)收時(shí)，無法在真實(shí)工藝氣配比的工況下測(cè)試，制造、安裝誤差和運(yùn)行損耗使設(shè)計(jì)喘振曲線和實(shí)際喘振曲線相比可能存在偏差[1]。如果實(shí)際喘振曲線偏右，會(huì)使防喘振閥提前打開，產(chǎn)生不必要的能耗；如果偏左，就起不到防喘振保護(hù)作用。

2)控制裕度設(shè)置過小。防喘振控制線與喘振曲線之間的控制裕度太小，當(dāng)入口流量減小時(shí)，工作點(diǎn)運(yùn)行到防喘振控制線左側(cè)時(shí)，防喘振閥還沒來得及調(diào)整，工作點(diǎn)就瞬間觸碰到喘振曲線，使防喘振閥全開，對(duì)系統(tǒng)造成較大的擾動(dòng)。

3)石墻控制功能無效。三段石墻控制原設(shè)計(jì)由三段出口壓力PID調(diào)節(jié)，因控制效果不理想一直處于手動(dòng)控制，當(dāng)壓縮機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果在三段發(fā)生阻塞工況，石墻控制閥無法自動(dòng)打開，則不能夠有效保護(hù)機(jī)組。

4)無解耦控制功能。壓縮機(jī)入口壓力與轉(zhuǎn)速設(shè)置了串級(jí)控制(即性能控制)[2]，但防喘振控制與性能控制之間沒有解耦控制。當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)距離防喘振控制線很近時(shí)，此時(shí)如果再繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速，機(jī)組就會(huì)有發(fā)生喘振的可能性。

圖1 帶控制回路的壓縮機(jī)氣路結(jié)構(gòu)示意

2 改造目標(biāo)及方案

將該壓縮機(jī)控制系統(tǒng)更新為冗余CCC機(jī)組控制系統(tǒng)，通過開工初期喘振曲線實(shí)測(cè)及控制算法優(yōu)化，精確計(jì)算乙烯制冷壓縮機(jī)喘振曲線和機(jī)組性能，優(yōu)化防喘振控制與性能控制及回路解耦控制，實(shí)現(xiàn)乙烯制冷壓縮機(jī)防喘振控制、蒸汽透平速度控制、蒸汽透平抽汽控制、入口壓力性能控制以及三段石墻控制等功能。

2.1 防喘振控制

2.1.1防喘振控制原理

壓縮機(jī)在不同工況下有不同的性能曲線，CCC機(jī)組控制系統(tǒng)以實(shí)測(cè)壓縮機(jī)喘振曲線獲得喘振極限線(SLL)為基準(zhǔn)，通過防喘振控制算法分別生成喘振控制線(SCL)、階躍響應(yīng)線(RTL)、安全響應(yīng)線(SOL)等多條不同喘振深度的防喘振控制線[3]，不同工況下的防喘振控制線如圖2所示，其中Rc為壓縮比。

圖2 防喘振控制線示意

防喘振控制器通過時(shí)刻監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)工作點(diǎn)與喘振極限點(diǎn)之間的距離來保護(hù)壓縮機(jī)不受喘振的影響，這個(gè)距離不能直接被測(cè)量，而是壓縮比、流量、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉角度以及氣體壓力、溫度和成分的函數(shù)[4]。

CCC機(jī)組控制系統(tǒng)防喘振控制算法： 在SLL右側(cè)設(shè)置了一條距離為可變安全裕度b的SCL，這樣就可以在工作點(diǎn)移動(dòng)到SLL之前開始控制防喘振閥門動(dòng)作，及時(shí)補(bǔ)充壓縮機(jī)入口流量，從而盡快將工作點(diǎn)移動(dòng)到SCL右側(cè)安全區(qū)域。

當(dāng)工作點(diǎn)緩慢躍過SCL時(shí)，防喘振控制器觸發(fā)PI響應(yīng)，調(diào)節(jié)防喘振閥開度，PI響應(yīng)為小的干擾提供足夠的保護(hù)；當(dāng)工作點(diǎn)越過SCL并快速向左移動(dòng)時(shí)，利用工作點(diǎn)移動(dòng)的變化率動(dòng)態(tài)增加喘振控制裕度，這使得防喘振控制器PID響應(yīng)可以更早地做出反應(yīng)；當(dāng)防喘振控制器PID響應(yīng)太慢，以至于不能抵御擾動(dòng)時(shí)，CCC機(jī)組控制系統(tǒng)又在SLL和SCL之間設(shè)置了一條隱藏的RTL，如果工作點(diǎn)越過RTL，則防喘振控制器將在PID響應(yīng)的基礎(chǔ)上疊加多個(gè)快速重復(fù)階躍開閥信號(hào)，快速打開防喘振閥，此時(shí)如果防喘振控制器處于手動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)將強(qiáng)制切換至自動(dòng)然后執(zhí)行開閥動(dòng)作。

如果階躍響應(yīng)仍然沒有使壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振區(qū)，工作點(diǎn)將有可能會(huì)越過SOL，此時(shí)表明壓縮機(jī)已經(jīng)處于喘振狀態(tài)，SOL響應(yīng)將疊加RTL響應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)SCL和RTL同步向右移動(dòng)0.05的安全距離，增加額外的安全保護(hù)裕度，右移后的RTL和SCL將保證下一次壓縮機(jī)在進(jìn)入喘振區(qū)之前防喘振閥提前動(dòng)作。觸發(fā)SOL響應(yīng)后，新生成的SCL和RTL不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，當(dāng)人工復(fù)位后，安全裕度值才會(huì)恢復(fù)到SOL響應(yīng)之前的數(shù)值。

2.1.2防喘振控制模型及算法

CCC機(jī)組控制系統(tǒng)的專用控制算法通過計(jì)算工作點(diǎn)斜率與喘振極限點(diǎn)斜率的比值來確定工作點(diǎn)與喘振點(diǎn)的相對(duì)位置，稱為接近喘振變量Ss。防喘振控制的目的就是通過調(diào)節(jié)使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離該區(qū)域而始終保持在Ss值小于1的正常工況區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。

CCC機(jī)組控制系統(tǒng)的防喘振控制方式主要根據(jù)Ss建立喘振的數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算出工作點(diǎn)和喘振極限之間的喘振控制裕度d(d=1-Ss)，再加入安全裕度b1即可得到SCL和SLL的相對(duì)距離，然后進(jìn)一步確定工作點(diǎn)和SCL之間的距離DEV(DEV=1-Ss-b1)，即可得到CCC機(jī)組控制系統(tǒng)防喘振控制的相關(guān)參考曲線，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的安全、平穩(wěn)控制，防喘振控制模型如圖3所示，圖3中，hr是簡化壓頭；OPL是工作點(diǎn)運(yùn)行線，a是SOL與SLL間的響應(yīng)裕度，工作點(diǎn)跨越SLL后，經(jīng)過a即跨越SOL后，就會(huì)觸發(fā)快開響應(yīng)；b是RTL與SCL的響應(yīng)裕度，工作點(diǎn)跨越SCL后，經(jīng)過b即跨越RTL后，就會(huì)觸發(fā)階躍響應(yīng)。

圖3 防喘振控制模型示意

2.1.3喘振曲線實(shí)測(cè)

由于壓縮機(jī)入口介質(zhì)條件如溫度、壓力、相對(duì)分子質(zhì)量不同，喘振曲線是分散的多條曲線，給防喘振控制帶來很大困難[5]。CCC機(jī)組控制系統(tǒng)特有的喘振檢測(cè)機(jī)制和快速掃描周期，并結(jié)合“簡化壓頭(hr)-簡化流量(qV)”的變工況專利算法，通過壓縮機(jī)入口壓力或流量的快速下降來捕捉初始喘振，并將喘振曲線擬合成與入口條件無關(guān)的控制曲線，這樣就可以更為方便地確定喘振點(diǎn)。基于該原理可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)在開機(jī)狀態(tài)下的喘振曲線實(shí)測(cè)。根據(jù)壓縮機(jī)不同工況下各性能曲線上的喘振極限點(diǎn)可以繪制出壓縮機(jī)的SLL。

喘振試驗(yàn)在壓縮機(jī)正常啟動(dòng)并達(dá)到最低工作轉(zhuǎn)速即(70%～75%)額定轉(zhuǎn)速后開始進(jìn)行，依次選取75%，80%，85%，90%，100%額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行喘振試驗(yàn)，該改造項(xiàng)目選定4 112，4 626，4 858，5 140，5 397 r/min進(jìn)行實(shí)測(cè)。喘振試驗(yàn)過程中，工藝人員通過CCC機(jī)組控制系統(tǒng)監(jiān)視壓縮機(jī)軸振動(dòng)、軸位移、軸瓦溫度等參數(shù)，設(shè)備人員在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視壓縮機(jī)運(yùn)行狀況。當(dāng)相應(yīng)參數(shù)有明顯升高跡象和接近報(bào)警設(shè)定值，或發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行異常，或聽到有喘振聲音等時(shí)，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，并記錄當(dāng)前工作點(diǎn)作為一個(gè)初始喘振點(diǎn)[6]。

圖4 壓縮機(jī)實(shí)際防喘振曲線示意

2.2 極限控制

設(shè)置性能控制器輸出作為速度控制器的遠(yuǎn)程設(shè)定，同時(shí)加入極限控制功能，即在控制一個(gè)主要變量的同時(shí)，對(duì)另外一個(gè)變量進(jìn)行極限約束，以保持壓縮機(jī)始終在安全區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。性能控制器增加壓縮機(jī)入口壓力極限控制，防止壓縮機(jī)入口壓力低于下限設(shè)定值時(shí)引起壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)；防喘振控制器增加壓縮機(jī)出口壓力極限控制，防止壓縮機(jī)出口壓力高于上限設(shè)定值時(shí)引起安全閥起跳，甚至壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車[7]。

2.3 石墻控制

石墻同喘振一樣，也是離心式壓縮機(jī)固有的不正常運(yùn)行工況，是指壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中某段氣體無法排出時(shí)發(fā)生的內(nèi)部氣體阻塞現(xiàn)象。石墻控制與防喘振控制相似，防喘振控制是在壓縮機(jī)不同壓比下流量小時(shí)打開防喘振閥，而石墻控制是在壓縮機(jī)不同壓比下流量大時(shí)打開石墻控制閥。當(dāng)壓縮機(jī)在某工況下運(yùn)行時(shí)，一段和二段吸入過多的冷劑無法全部壓縮而進(jìn)入下一級(jí)，因此要在三段排出一部分氣體冷劑返回入口。如果這部分冷劑不排出壓縮機(jī)，將在二段或三段之間循環(huán)，每當(dāng)要進(jìn)入三段時(shí)就會(huì)出現(xiàn)石墻現(xiàn)象。這時(shí)，壓縮機(jī)一段和二段流量會(huì)迅速減少，四段則會(huì)發(fā)生喘振。因此，在壓縮機(jī)可能出現(xiàn)石墻現(xiàn)象時(shí)，要將過多的氣體冷劑從三段排出，此時(shí)就需要開大石墻控制閥在壓縮機(jī)外循環(huán)至壓縮機(jī)入口。石墻控制閥的設(shè)置如圖5所示。

圖5 石墻控制閥設(shè)置示意

當(dāng)通過壓縮機(jī)的流量低于阻塞流量時(shí)，石墻控制閥保持全關(guān)，當(dāng)流量接近阻塞流量時(shí)，石墻控制器開始打開控制閥，將過多氣體排出。石墻控制器通過石墻控制線(CCL)來確定其控制響應(yīng)和動(dòng)作，CCL定義了工作點(diǎn)和阻塞限制線(CLL)之間所要求的最小安全距離，并且始終位于阻塞限制線的左側(cè)，CCL與CLL之間的距離為安全裕度b2。

壓縮機(jī)工作點(diǎn)與CCL之間的距離DEV作為偏差參與石墻控制，當(dāng)工作點(diǎn)在CCL左側(cè)時(shí)偏差為正，石墻控制器關(guān)小控制閥；隨著工作點(diǎn)向CCL右側(cè)移動(dòng)時(shí)偏差逐步減小，當(dāng)工作點(diǎn)落在CCL上時(shí)偏差為零，此時(shí)石墻控制器輸出保持不變；當(dāng)工作點(diǎn)移動(dòng)到CCL右側(cè)時(shí)偏差為負(fù)，石墻控制器開大控制閥以增加壓縮機(jī)的排出流量，防止壓縮機(jī)進(jìn)入阻塞工況，石墻控制器在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中僅通過PI控制來響應(yīng)偏差變化，使石墻控制閥打開速度更快[8]。壓縮機(jī)石墻控制模型如圖6所示，縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)某段出口壓力pd與入口壓力ps的比值，橫坐標(biāo)為某段入口流量與入口最大流量的比值Hc。

2.4 解耦控制

過低的壓縮機(jī)入口壓力會(huì)提高壓縮機(jī)壓縮比，造成排氣溫度上升，影響排氣量；過高的入口壓力會(huì)增加壓縮機(jī)負(fù)荷，降低壓縮機(jī)效率。壓縮機(jī)性能控制即通過入口壓力與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的串級(jí)控制，維持入口壓力穩(wěn)定。但是，當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)距離SCL很近時(shí)，如果單純降低轉(zhuǎn)速將增加機(jī)組喘振的風(fēng)險(xiǎn)。比如，當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力受到干擾突然降低時(shí)，單純靠降低轉(zhuǎn)速無法維持入口壓力穩(wěn)定，此時(shí)需要打開一段防喘振閥來提高入口壓力；即使喘振被成功避免，工作點(diǎn)在調(diào)節(jié)過程中也會(huì)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，甚至?xí)斐蓧毫φ{(diào)節(jié)失控，嚴(yán)重破壞工藝穩(wěn)定[9]。

圖6 壓縮機(jī)石墻控制模型示意

壓縮機(jī)性能控制與防喘振控制之間存在著耦合關(guān)系[10]，通過入口壓力控制器的輸出作為轉(zhuǎn)速控制和防喘振控制的給定值進(jìn)行解耦，CCC機(jī)組控制系統(tǒng)能夠很好地解決壓縮機(jī)入口壓力控制、轉(zhuǎn)速控制、極限控制和防喘振控制等多個(gè)控制器控制同一變量，或多個(gè)控制器之間相互沖突而引起壓縮機(jī)控制紊亂等問題，最大限度減少或抵消各個(gè)控制回路之間相互作用產(chǎn)生的潛在干擾因素，它可以根據(jù)其他控制響應(yīng)的變化來動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)控制響應(yīng)，監(jiān)視和補(bǔ)償各控制器輸出有效協(xié)調(diào)控制，通過多變量控制，保證壓縮機(jī)始終安全平穩(wěn)運(yùn)行。配置解耦功能的壓縮機(jī)喘振控制曲線如圖7所示。

圖7 防喘振和性能控制的解耦示意

由圖7可知，如果工作點(diǎn)在性能曲線上的A點(diǎn)開始出現(xiàn)一個(gè)較大擾動(dòng)而到B點(diǎn)，性能控制器需要將壓力控制到設(shè)定點(diǎn)C點(diǎn)。此時(shí)，防喘振控制器輸出信號(hào)到性能控制器來提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和流量，運(yùn)行點(diǎn)只需要一個(gè)很小的調(diào)節(jié)范圍就能重新回到安全區(qū)域。這種解耦控制響應(yīng)在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)能保證控制的平穩(wěn)，同時(shí)也能保證壓縮機(jī)在快速響應(yīng)時(shí)不會(huì)進(jìn)入喘振區(qū)，造成機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步惡化。

3 結(jié)束語

通過CCC機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)施了壓縮機(jī)喘振曲線和機(jī)組性能的精確計(jì)算，并在裝置開工階段完成了壓縮機(jī)喘振曲線實(shí)測(cè)，喘振線都發(fā)生了大幅向左的移動(dòng)，增加壓縮機(jī)的操作空間和操作彈性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)節(jié)能運(yùn)行。

通過CCC機(jī)組控制系統(tǒng)成功解決了“四返二”防喘振操作安全裕度過低、防喘振閥不能全關(guān)以及四段石墻控制功能無效等問題。同時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)性能控制、抽汽控制、石墻控制及各段防喘振控制等控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，并根據(jù)壓縮機(jī)操作要求配置了各控制器之間的解耦功能。

在開工初期，乙烯制冷壓縮機(jī)所有控制器均能投入全自動(dòng)模式運(yùn)行，各段防喘振閥均能實(shí)現(xiàn)全關(guān)操作，多次避免了防喘振閥在工藝波動(dòng)時(shí)的不合理開啟。延長了壓縮機(jī)的壽命，減少了不必要的能耗，提升了自動(dòng)化操作水平，縮短了裝置開工時(shí)間，同時(shí)提高了壓縮機(jī)和生產(chǎn)裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全平穩(wěn)性。