CCC控制系統在空分3TY壓縮機上的應用

趙麗云

（云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南開遠 661699）

·經驗交流·

CCC控制系統在空分3TY壓縮機上的應用

趙麗云

（云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南開遠 661699）

介紹了CCC控制系統軟、硬件的構成；通過對喘振線的確定方法以及控制系統的基本控制功能和特殊響應等情況的分析和介紹，闡述了CCC控制系統的控制功能和控制效果。

CCC控制系統；空分；3TY壓縮機；喘振

解化化工分公司空分3TY壓縮機選用30000 m3／h空氣透平壓縮機組，該機組為單軸型離心式壓縮機，它由凝汽式汽輪機驅動。離心式壓縮機具有輸氣量大，易損部件少，運轉平穩，可利用工藝廢熱產生的蒸汽作動力等許多優點，但離心式壓縮機如果控制不好，在某些狀況下運行就會發生喘振。喘振使機組強烈振動，嚴重時可使密封損壞，甚至會使軸瓦、葉輪乃至整個機組損壞。為了使機組安全高效地運行，選用美國壓縮機控制公司的CCC控制系統對機組進行控制，它可以提高壓縮機工作效益，同時，可減少甚至消除喘振事故的發生，還可以延長機組的使用壽命，降低生產成本。

1 3TY壓縮機組工藝流程簡介

3TY壓縮機組利用3．0 MPa過熱蒸汽驅動NH32／02凝汽式汽輪機做功，為離心式壓縮機提供動力。壓縮機轉子葉輪因旋轉所產生的離心力使空氣得到動能，經擴壓管將動能轉化為壓力，使空氣壓力得到提高。

1.1 空氣流程

空氣進入自潔式空氣過濾器除去機械雜質、灰塵后，經導葉裝置進入壓縮機低壓缸。一級壓縮后進入一級中間冷卻器降溫，接著，進入二級壓縮及二級中間冷卻器降溫；然后，進入三、四級壓縮，接著，進入三級中間冷卻器降溫；再然后，進入五、六級壓縮及四級中間冷卻器降溫；最后，進入七、八級壓縮，使空氣壓力達到2．41 MPa，溫度＜130℃。經出口閥和止逆閥送到凈化轉化崗位，富余部分空氣減壓至0．55 MPa，送2＃、3＃空分生產氧氣、氮氣［1］。

1.2 蒸汽流程

過熱蒸汽來自中壓蒸汽管網，經過速關節流閥（2301）、調節汽閥（SV－6801）進入汽輪機做功。做功后的乏汽進入蒸汽冷凝器，與列管內循環冷卻水換熱，變為凝結水。經冷凝液泵加壓進入射汽抽汽器，換熱后送至凝結水管網［1］。

2 控制系統的軟、硬件構成

CCC控制系統是實時、多任務、開放式系統，采用先進的安全型CPCI總線構架、雙重化冗余容錯的硬件體系。CCC控制系統的供電采用雙電源，其中：交流供電系統加裝了兩個浪涌保護器，以提高交流電源的質量；直流供電系統對數字量輸入回路、數字量輸出回路、超速保護系統供電回路、控制器供電回路、隔離器供電回路單獨供電，而且每個回路都是雙電源供電，中間用二極管隔離，以確保兩路供電互不干擾。CCC控制系統主要硬件由一臺雙冗余控制器（Reliant）、一套超速保護系統（Guardian）和一臺操作站組成。其主要軟件由透平機械控制運用軟件、工程師組態維護軟件和人機界面軟件等軟件包組成。應用軟件包中包括防喘振控制、速度控制和性能控制3個模塊，分別實現喘振控制、轉速控制及性能控制。如圖1所示。

圖1 控制器Figure 1 Controller

2.1 喘振控制

喘振控制器（UZ－6010）是通過對壓縮機入口空氣壓力、入口空氣溫度、出口空氣壓力、出口空氣溫度、出口空氣流量等參數的檢測，并進行內部運算后，得出代表壓縮機運行狀態的運行點（OP）。運行點與通過喘振實驗得出的喘振線（SLL）進行比較得到偏差信號（DEV），并在喘振控制器中完成比例、積分、微分響應后，輸出一個信號控制放空閥（V6004），從而避免喘振事故的發生。

2.2 轉速控制

轉速控制器（SIC－6310）是將兩個轉速測量探頭測得的轉速信號送入控制器中作為測量值（PV）并與控制器的設定值（或性能控制器輸出1）進行比較，然后，輸出信號控制調速閥（V6801）對汽輪機入口蒸汽量進行調節，實現轉速控制。

2.3 性能控制

在性能控制器（PIC－6010）中，通過軟件組態將喘振控制線（SLL）向右移一個安全裕度（b），形成一條性能控制線（SCL），如圖2所示。

壓縮機運行點與性能控制線比較后改變控制輸出，確保壓縮機工作在性能控制線上。性能控制器（PIC－6010）有兩個控制輸出（輸出1和輸出2）。輸出2控制導葉開度，當輸出2 為0～8%時，對應導葉開度為30°；當輸出2 在8%～90%時，對應導葉開度為30°～90°；當輸出2為90%～100%時，對應導葉開度為90°。輸出1為轉速控制，當輸出1為0～100%時，對應轉速設定為5500～5700 r／min。當轉速控制器工作在性能設定狀態時，性能控制器的輸出1直接作為轉速控制器的給定信號。通過轉速控制器控制轉速，使整個機組工作在高性能狀態。

圖2 性能曲線圖Figure 2 Performance curves

2.4 超速保護系統

超速保護系統通過3個轉速探頭的信號值，實現3選2控制。3個轉速信號中，若有兩個信號超過設定值，就發出跳車信號，這樣，既保證了機組的安全，又避免了因某一轉速測量探頭故障而造成的誤動作。

2.5 操作站

操作站上完成了控制系統（風機系統圖、空壓機I／O表）、趨勢、性能曲線圖、事件、報警、控制器、打印屏幕等界面顯示，為操作人員提供了必要的操作、監視和控制畫面。

3 CCC控制系統亮點分析

控制系統的關鍵是喘振線的確定以及壓縮機運行點的運算程序。如果喘振線或運行點不準確，將影響控制質量，甚至造成誤跳車。CCC控制系統對壓縮機多項參數進行分析控制，具有特殊的控制響應，使壓縮機安全、穩定、高效地運行。

3.1 喘振線的確定

喘振線是CCC工程師現場測試后計算出來的。用1臺計算機與控制系統相連，在壓縮機入口導葉開度保持不變時，緩慢關小放空閥，使運行點接近喘振線。檢測到初始喘振時，用快速記錄軟件記錄壓縮機參數（此時防喘振控制器中設定的階梯響應（RT）功能會快速打開放空閥，使壓縮機快速遠離喘振狀態），此時記錄的初始喘振點就是這一導葉開度對應的喘振點。改變導葉開度進行另一點的喘振實驗。在透平機導葉全行程范圍內進行3點以上喘振實驗。根據喘振點，描繪出壓縮機實際的喘振線，并通過人為模擬工藝過程的擾動對防喘振控制系統進行精調。實驗完成后，CCC現場服務工程師計算出實際的喘振線，并輸入到防喘振控制器中，形成喘振線（SLL）［2］。如圖3所示。

圖3 喘振控制曲線圖Figure 3 Surge control graph

3.2 基本控制功能

把空壓機運行點與喘振線之間的關系用喘振接近度（S）變量表示。S是壓縮機喘振線上喘振點與坐標原點連線的斜率和壓縮機運行點與坐標原點連線的斜率之比。

S約等于喘振流量與實際流量之比，即：S＝Q喘振／Q實際。當S＝1時，運行點在喘振線上；當S＞1時，實際流量小于喘振流量，壓縮機發生喘振；當S＜1時，實際流量大于喘振流量，壓縮機不會喘振。

要防止壓縮機發生喘振，必須在運行點到達喘振線之前就開始動作，即增加壓縮機的流量。CCC控制系統開發了一個性能控制功能，即將喘振線右移一個安全裕度（b），形成一條喘振控制線，也稱性能控制線（SCL）。安全裕度（b）的值可用下列公式計算［3－4］。

式中：b為安全裕度，是SCL與SLL之間的距離；b1為初始安全裕度，是SCL與SLL之間的最小距離；b2為安全響應偏值，即每次探測到喘振時，SCL右移的距離；n為喘振次數累積值；b3為微分響應系數；Td0×dS／dt為喘振接近度S的微分作用。

壓縮機運行點在性能控制線上是壓縮機的最佳工作狀態，此時：運行點與性能控線之間的距離，即偏差（DEV）為0。偏差的數學表達式為：DEV＝1－bf4（Z）－S。當運行點在壓縮機性能控制線上時DEV＝0，此時性能控制器輸出不變；當工藝出現擾動，至使運行點移到性能控制線左側時，DEV＜0，性能控制器將根據DEV值的大小打開導葉閥，增加出口流量，使運行點右移，同時喘振控制器將根據S的大小調整防喘振控制閥，使運行點回到性能控制線上；當運行點在性能控制線的右側時，DEV＞0，此時在性能控制器和喘振控制器的作用下，朝相反方向調整導葉閥和防喘振閥，保證運行點工作在性能控制線上［3－4］。

如果工藝擾動較大，使比例積分（PI）和特殊微分（D）響應不足以消除干擾，CCC控制系統的階梯響應功能可以快速調整防喘振閥，防止喘振。階梯響應線位于性能控制線與喘振線之間，它與性能控制線之間的距離為RT。其數學表達式為：

式中：C1為最大階梯響應；Td1為階梯響應時間常數；dS／dt為運行點的變化率；C0為階梯響應增益；DEVRT為階梯響應偏差［3－4］。

3.3 特殊響應功能

CCC控制系統具有完善的控制保護功能，控制系統中喘振線、性能控制線、階梯響應線等曲線是動態指標，機組發生喘振時，曲線會自動右移，以確保機組的安全運行。除圖3中的喘振線（SLL）、性能控制線（SCL）、階梯響應線（RTL）外，還有自增益響應線（SOL）、閥門緊關線（TSL）等響應線。SOL線位于SLL左側，TSL位于SCL右側，共有4個響應以完成機組的控制和保護。

3.3.1 PI控制響應

當系統出現較小較平緩的擾動時，運行點緩慢越到性能控制線的左側，PI響應開始動作：將回流閥打開，直至運行點回到性能控制線上，防喘振閥關死。PI響應對于輕微工藝擾動能夠給以足夠的保護和控制［5］。

3.3.2 階梯（RT）響應

當出現較快的工藝擾動，且PI響應不足以消除時，造成運行點越過RTL線。此時，RT開始動作：快速打開防喘振閥，使運行點右移，從而避免喘振的發生［5］。

3.3.3 SOL自增益響應

在機組發生喘振，運行點越過自增益響應線SOL時，性能控制線和RT響應線自動向右移動：增加安全裕度，保護機組。在查明原因后可以手動復位，各曲線恢復原位［5］。

3.3.4 TSL線響應

當運行點在閥門緊關線（TSL）右側時，喘振控制器輸出為零，防喘振閥完全關閉；當運行點位于閥門緊關線左側、性能控制線右側時，喘振控制器輸出一固定數值，防喘振閥保持一定開度。這一提前開啟量能夠消除防喘振控制響應的死區時間，同時又防止因閥門內部卡滯而造成的影響，提高防喘振保護的能力和速度［5］。

4 應用效果

CCC控制系統是國際上成功應用于旋轉設備的控制系統，它減少甚至消除了喘振、超速及相關危害事故的發生；既可延長機組的使用壽命，降低了生產成本，又提高了壓縮機的工作效率。CCC控制系統使機組在任何狀態下不發生喘振，保護了機組的安全，同時，也在低負荷下節省了動力蒸汽。使用CCC控制系統后，開車、停車實現了全自動完成，既提高了壓縮機組運行的可靠性，又降低了勞動強度。CCC控制系統從2009年1月投運，到現在4年多的時間里，運行安全、穩定，轉速波動不超過3 r／min。CCC控制系統增強了設備和工藝的運行效率，減少了回流量、放空量，優化了壓縮機的運行，避免了各種原因引起的跳車事故。

［1］解化化工分公司空分組．Q／JH J3．SCB015－2010空分壓縮機崗位工藝操作法［M］．云南：解化化工分公司，2010．

［2］美國壓縮機控制公司北京代表處．CCC公司壓縮機喘振試驗規程［M］．北京：美國壓縮機控制公司北京代表處，2006．

［3］美國壓縮機控制公司．防喘振控制器培訓參考資料快易卡［M］．美國壓縮機控制公司，2004．

［4］王飛．壓縮機喘振與3C防喘振控制器在壓縮機上的設計策略［J］．工業儀表與自動化裝置，2013，231 （3）：52－49．

［5］鄭愛國，孫立德．CCC防喘振控制系統在延遲焦化富氣壓縮機節能方面上的運用［J］．GM通用機械：流體輸送及煉化技術專題，2012（2）．

Application of CCC Control System in Air Separation 3TY Compressor

ZHAO Li-yun

（Jiehua Clean Energy Development Co．Ltd．，Jiehua Chemical Branch，Kaiyuan 661699，China）

The composition of the soft and the hardware of CCC control system was introduced；By analyzing and introducing the determining method of surge line and the basic control function and special response of control system，the control function and the control effect of CCC control system was introduced．

CCC Control System；Air separation；3TY compressor；Surge；Overspeed protection system．

TQ056

A

1004-275X（2014）02-0061-04

12．3969／j．issn．1004-275X．2014．02．018

收稿：2014-01-13

趙麗云（1962-），女，云南建水人，工程師，主要從事化工自動化儀表工作。