一鍵啟停系統(tǒng)控制汽拖式壓縮機

鄭永義

（國家能源集團煤焦化有限責任公司，內(nèi)蒙古烏海 016040）

國家能源集團煤焦化西來峰分公司西來峰甲醇廠空壓機H1037防喘振控制自開工以來，防喘振回路一直在手動控制狀態(tài)，升速系統(tǒng)為505控制，操作復雜，嚴重影響機組安全運行，能耗大。介于目前狀況，現(xiàn)改造為CCC 一鍵啟停機組控制系統(tǒng)，并利用2021年10月份大檢修時完成改造，以達到全自動控制，穩(wěn)定工藝目標，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。

1 目前DCS存在問題

（1）甲醇廠使用的DCS 為德國ABB 的AC900F，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)模擬量顯示、開關(guān)量顯示、模擬量控制、開關(guān)量控制、邏輯控制、聯(lián)鎖控制；但是制作不了防喘振曲線，實現(xiàn)不了入口壓力、出口壓力、出口流量控制，也就保護不了機組的安全運行。

（2）由于出口放空閥開度較大，為了達到出口壓力設(shè)定值，汽輪機經(jīng)常滿負荷運行，主汽門開度經(jīng)常在100%。當蒸汽壓力和溫度下降時，汽輪機轉(zhuǎn)速即發(fā)生下降，操作人員需要及時關(guān)小放空閥來穩(wěn)定出口壓力，操作難度大，如果放空閥關(guān)閉過多，容易使壓縮機發(fā)生喘振。

（3）放空閥開度大，機組機做功大。

（4）目前壓縮機入口導葉為手動調(diào)節(jié)，自動化程度低，在操作中容易出現(xiàn)操作失誤現(xiàn)象或工藝波動時操作不及時，造成壓縮機波動。容易對設(shè)備本身造成損害（如干氣密封等），維修費用高等。

（5）Woodward 505 調(diào)速器自動化程度較低，無法實現(xiàn)壓縮機的全自動暖機升速、一鍵啟停等功能，操作繁瑣。

2 汽拖式壓縮機改造策略

用一套專業(yè)的機組控制系統(tǒng)進行改造，達到全自動控制，穩(wěn)定工藝目標，真正實現(xiàn)黑屏操作重新計算并設(shè)定防喘振控制線。

現(xiàn)場實測喘振線，設(shè)定各控制回路的解耦協(xié)調(diào)控制，POC 控制和RT 控制，從而實施安全、高效的防喘振及性能控制。

需要將參與壓縮機組的壓力控制、防喘振控制所需要的空壓機入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度、出口流量等信號接入CCC 一鍵啟停系統(tǒng)，輸出通過控制器、卡件、安全柵接到HV10016放空閥、FV10015防喘振閥、電液轉(zhuǎn)換器和入口導葉定位器。

3 空分汽拖式壓縮機控制改造方案

本次改造涉及的控制回路包括：防喘振控制回路、入口壓力控制回路、出口壓力控制回路、轉(zhuǎn)速控制回路以及超速試驗回路。

在機組啟動過程中，導葉在最小位置，防喘振閥門在全開位置。在空壓機達到工作轉(zhuǎn)速區(qū)域時，防喘振控制器投入運行，自動關(guān)小防喘振閥門；同時壓力控制器通過分程調(diào)節(jié)導葉和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)空壓機出口流量的自動控制。

3.1 控制方面改造內(nèi)容

（1）空分機柜間安裝一個防喘振控制機柜。

（2）空分操作室安裝工程師站1臺，甲醇中控操作室安裝操作員站1臺。

（3）DCS 空壓機入口壓力、入口溫度、出口溫度、出口壓力、出口流量信號通過一拖二安全柵接入防喘振控制機柜。

（4）505控制器轉(zhuǎn)速信號，電液轉(zhuǎn)換器控制信號接入防喘振控制機柜，由CCC 系統(tǒng)控制。

（5）防喘振控制閥HV10015、HV10016 及導葉PV10010由DCS 控制改為CCC 系統(tǒng)控制。

（6）DCS 聯(lián)鎖信號、允許啟動信號、防喘振電磁閥狀態(tài)信號送CCC 控制系統(tǒng)，CCC 系統(tǒng)機組喘振信號送DCS 報警，CCC 系統(tǒng)停車信號送DCS。

（7）通過CCC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)空壓機防喘振控制功能。

3.2 現(xiàn)場方面改造內(nèi)容

修改入口壓力PT10010、出口壓力PT10015、出口流量FT10015變送器阻尼時間，提高儀表響應速度；HV10016防喘振閥動作緩慢，現(xiàn)場進行改造，在進氣缸入口處增加快排閥一個，提高閥門動作速度。

4 防喘振控制系統(tǒng)功能

一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)提供了一種多用途、緊湊和經(jīng)濟的手段對汽輪機的轉(zhuǎn)速進行精確的控制，防止超速損壞并實施自動開車和停車程序。對于抽汽式汽輪機轉(zhuǎn)速控制，還可以同抽汽控制相結(jié)合以協(xié)調(diào)功率和抽汽流量或者壓力。對汽輪機驅(qū)動的壓縮機來說，CCC轉(zhuǎn)速控制可以同防喘振控制和性能控制相結(jié)合，對整個機組實施全機組控制，并且轉(zhuǎn)速控制的輸出信號同上述控制的輸出信號直接解耦，因而可以對整個機組實施更加精確的控制和有效的保護。

轉(zhuǎn)速控制主要功能概述：

（1）有效轉(zhuǎn)速范圍（Valid Speed Range）能夠可靠測量的轉(zhuǎn)速范圍。

（2）轉(zhuǎn)速控制范圍（Speed Control Range）能夠應用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制的范圍。

（3）正常操作范圍（Normal Operating Range）滿足工藝要求的正常操作的轉(zhuǎn)速范圍。

（4）臨界轉(zhuǎn)速范圍（Critical Speed Range）透平發(fā)生振動停止操作的轉(zhuǎn)速范圍。

（5）空載和額定轉(zhuǎn)速（Idle and Rated Speed）自動順序開始調(diào)節(jié)透平的起始轉(zhuǎn)速。

（6）當?shù)剡h程和串級設(shè)定值之間的平滑切換。

（7）串級/約束控制用于調(diào)節(jié)所驅(qū)動設(shè)備的負荷，可用輔助控制回路限制驅(qū)動設(shè)備的負荷或其他工藝參數(shù)。

（8）與抽汽控制之間的完全集成。

（9）發(fā)電機控制自動同期Droop 控制斷路器開路保護防止透平轉(zhuǎn)速飛升。

（10）快速PID 控制算法。

（11）臨界轉(zhuǎn)速避免。

（12）超速保護與測試。

（13）啟動與停機順序。

（14）自動與手動操作。

（15）高電流輸出幾乎適應任意的控制閥提供多重回路測試選項，包括閥門定位控制回路。

5 控制系統(tǒng)經(jīng)濟性評估

CCC 一鍵啟停冗余控制系統(tǒng)允許壓縮機在更靠近機械、工藝限制區(qū)域內(nèi)安全運行。此安全操作區(qū)域由壓縮機喘振線和限制變量（如與工藝有關(guān)的限制變量，包括最大出口壓力、最小入口壓力等）。CCC 公司Prodigy 冗余控制系統(tǒng)也允許實現(xiàn)自動的啟機、停機操作，并且能夠優(yōu)化壓縮機和工藝操作。

空壓機H1037通過減少回流量達到節(jié)能效果，依據(jù)得到的壓縮機性能曲線、數(shù)據(jù)表及空壓機的運行數(shù)據(jù)（表1），進行了初步計算。

表1 H1037運行數(shù)據(jù)

根據(jù)H1037性能曲線及當前運行數(shù)據(jù)，用坐標系繪制喘振曲線及運行點，橫坐標為簡化流量，縱坐標是壓比，如圖1所示。

曲線為理論喘振線，圓圈o 代表空壓機運行點（未畫出喘振控制線）。

由計算得出的圖可看出，當前運行點離理論喘振線有距離，而且理論喘振線往往在實際喘振線的右側(cè)，因此，當完成喘振測試后，存在關(guān)小防喘振閥門開度的可能性。根據(jù)CCC 以往的工程經(jīng)驗，節(jié)約蒸汽量不低于當前蒸汽耗量的5%。

6 一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)創(chuàng)新點

（1）CCC 控制系統(tǒng)完全實現(xiàn)原有505控制器所有功能，操作簡單方便，只要機組允許啟動信號具備條件，操作人員將DCS 防喘振電磁閥得電，然后點擊CCC 控制系統(tǒng)操作站畫面轉(zhuǎn)速控制器面板上的正常啟動按鈕，就可實現(xiàn)機組自動啟動功能。

（2）在啟動過程中出現(xiàn)意外情況，可以轉(zhuǎn)為手動升速功能，繼續(xù)升速；機組達到額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速控制器SIC-10061投入自動，入口導葉控制器PIC-10010投入自動，防喘振控制器FIC-10015投入自動，防喘振控制閥根據(jù)負荷大小開始慢慢關(guān)閉，生產(chǎn)正常后全部關(guān)閉，以后操作人員無需再對防喘控制閥進行操作，減輕了工作量。

（3）該系統(tǒng)維護方便，控制機柜內(nèi)所有硬件全部為雙冗余，無需維護。維修入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度、出口流量儀表時，只需將防喘振控制器切換到手動和硬手動操作就可以進行，不影響整個機組的運行。

（4）該系統(tǒng)超速保護試驗簡單方便，當機組達到額定轉(zhuǎn)速以后，允許進行超速保護試驗，點擊超速試驗，開始升速，當達到電子跳閘時，機組不停車，只報警，達到機械跳閘前后100轉(zhuǎn)左右，如果機組還不停車，自動發(fā)出命令停車。

7 與當前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

目前國內(nèi)外大部分工廠使用離心機的壓縮機，為保護壓縮機都有不同的壓縮機控制系統(tǒng)，國內(nèi)使用的比較好的有和利時的汽輪機控制系統(tǒng)，國外有名的是康吉森、西門子、CCC 防喘振控制系統(tǒng)，相對比而言，美國CCC 和康吉森控制系統(tǒng)使用比較多，而且相對穩(wěn)定。美國CCC 防喘振系統(tǒng)冗余功能和穩(wěn)定性更優(yōu)越于康吉森控制系統(tǒng)，價格比其他系統(tǒng)高，操作簡單方便，應用成功案例多。具體比較如下。

（1）CCC 防喘振控制系統(tǒng)硬件體積小，安裝方便，其他系統(tǒng)硬件體積大，不便于在線安裝。

（2）CCC 防喘振控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場來的信號通過安全柵和繼電器就可以直接到達卡件，其他系統(tǒng)需要經(jīng)過中間端子板，通信電纜到達卡件，而且出現(xiàn)故障不好檢查。

（3）CCC 防喘振控制系統(tǒng)軟件安裝簡單，不需要授權(quán)，計算機帶有兩塊硬盤，一塊損壞不影響操作；其他系統(tǒng)軟件分上位機和下位機軟件，安裝完畢后需要硬件授權(quán)才能工作。

（4）CCC 防喘振控制系統(tǒng)軟件組態(tài)方便，容易易學，基本上是填表格實現(xiàn)；其他系統(tǒng)采用功能塊進行組態(tài)，遇到復雜的控制邏輯，極不方便。

（5）CCC 防喘振控制系統(tǒng)控制回路投入自動方便，只要設(shè)好控制規(guī)律參數(shù)，就可投入；其他系統(tǒng)大部分處于手動狀態(tài)，不能實現(xiàn)自動。

8 使用效果及帶來的效益：

通過防喘振控制系統(tǒng)改造，脫離了工藝人員在加減量及緊急情況下頻繁操作防喘振控制閥，實現(xiàn)中控室自動控制負荷功能，控制系統(tǒng)完全實現(xiàn)原有505控制器所有功能，操作簡單方便，為下一步機組控制系統(tǒng)實現(xiàn)黑屏操作奠定了基礎(chǔ)。

直接經(jīng)濟效益：經(jīng)統(tǒng)計，節(jié)約中壓蒸汽2～3 t/h，按市場最低價170 元/t 蒸汽計算，減去裝置大檢修30 d，全年節(jié)資2.5×24×335×170=341 萬元；每小時節(jié)約壓縮空氣1 500 m3，按市場最低價0.01 元/m3計算，全年節(jié)資1 500×24×335×0.01=12 萬元；保守總計節(jié)省費用約為353萬元/a，達到了節(jié)能降耗的目的。

間接經(jīng)濟效益：為甲醇廠降本增效起到了重要作用，同時減少了放空噪聲污染，減輕了工人的勞動強度，減少了儀表人員的維護工作量，實現(xiàn)了空壓機自動控制功能。

9 結(jié)束語

目前西來峰分公司甲醇廠空分裝置空壓機控制使用美國CCC 防喘振控制系統(tǒng)，系統(tǒng)從2020年6月投運以后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無任何故障，開停車方便，防喘振控制閥、導葉、調(diào)速閥一直處于自動狀態(tài)，操作人員無需任何操作，減輕了勞動強度，節(jié)約了中壓蒸汽和空氣，為甲醇廠起到了降本增效的作用；介于空壓機CCC 一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)成功使用情況，其他煤化工同類型企業(yè)壓縮機控制系統(tǒng)可以考慮使用CCC 防喘振控制系統(tǒng)。