膨脹壓縮機(jī)組冗余型安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡佳琦

（中海油上海分公司西湖作業(yè)公司，上海 200030）

隨著天然氣工業(yè)和制冷技術(shù)的發(fā)展，膨脹壓縮機(jī)組得到廣泛應(yīng)用。中海油上海分公司天然氣處理廠采用由美國(guó)MAFI公司制造的EC3.0型透平膨脹壓縮機(jī)。該機(jī)組為徑向反作用開(kāi)式葉輪透平膨脹制冷機(jī)，并驅(qū)動(dòng)同軸的離心式壓縮機(jī)，是天然氣液化分離獲取冷量所必需的關(guān)鍵設(shè)備。因此，2011年設(shè)計(jì)并投用專門的機(jī)組保護(hù)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。

1 膨脹壓縮機(jī)組工作原理簡(jiǎn)介

透平膨脹機(jī)利用絕熱等熵膨脹原理，當(dāng)氣體通過(guò)葉輪周圍的可調(diào)噴嘴進(jìn)入膨脹機(jī)，均勻吹動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪做功時(shí)，氣體原有壓力能經(jīng)不可逆絕熱膨脹變?yōu)閯?dòng)能，實(shí)現(xiàn)氣體能量轉(zhuǎn)換[1]，氣體壓力和溫度降低而被冷卻，達(dá)到制冷目的。葉輪獲得的動(dòng)能通過(guò)軸轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作。

2 膨脹壓縮機(jī)組安全控制系統(tǒng)概述

機(jī)組安全控制系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng)：一是冗余型機(jī)組軸振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。采用本特利3500設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超過(guò)安全值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員檢查流程、設(shè)備，查找故障；當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超過(guò)極限值時(shí)，系統(tǒng)按控制程序輸出關(guān)斷信號(hào)，關(guān)停機(jī)組，避免損壞機(jī)組設(shè)備。二是防喘振控制系統(tǒng)。采用Moore353控制器實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)喘振控制。

機(jī)組安全控制系統(tǒng)通過(guò)RS485接口以Modbus協(xié)議與DCS系統(tǒng)建立通訊，將機(jī)組運(yùn)行參數(shù)傳送到DCS操作站，通過(guò)操作站設(shè)定報(bào)警和歷史趨勢(shì)記錄，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上位監(jiān)控。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膨脹壓縮機(jī)組安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the expander-compressor safety control system

3 膨脹壓縮機(jī)組信號(hào)檢測(cè)

3.1 機(jī)組軸振動(dòng)檢測(cè)

旋轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備軸振動(dòng)檢測(cè)，采用非接觸式直接測(cè)量，通過(guò)電渦流位移傳感器實(shí)現(xiàn)軸振動(dòng)檢測(cè)。電渦流傳感器能高線性度、高分辨率地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離，反映被測(cè)體與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化，具有可靠性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

3.1.1 電渦流傳感器工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的被測(cè)金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流，如圖2所示。電渦流i2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2；H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，導(dǎo)致探頭線圈的等效電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電阻率ρ，磁導(dǎo)率μ，線圈與金屬導(dǎo)體的距離x，以及線圈激勵(lì)電流頻率f等參數(shù)。

圖2 電渦流工作原理Fig.2 Principle diagram of eddy current

可將探頭線圈的等效阻抗Z表示為

式中：x為檢測(cè)距離；μ為被測(cè)體磁導(dǎo)率；ρ為被測(cè)體電阻率；f為線圈中激勵(lì)電流頻率。

如果只改變上述參數(shù)中的一個(gè)，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗Z就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定該參數(shù)的大小[3]。

3.1.2 電渦流傳感器選型

由于探頭線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)范圍與被測(cè)體表面形成渦流均是一定的，因此對(duì)探頭直徑有一定要求。當(dāng)被測(cè)體為圓軸且探頭中心線與軸心線正交時(shí)，要求被測(cè)軸直徑為探頭頭部直徑3倍以上，否則傳感器的靈敏度會(huì)下降。根據(jù)機(jī)組軸直徑，選擇本特利3300-8 mm proximitor電渦流傳感器。

3.2 機(jī)組軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)

機(jī)組軸轉(zhuǎn)速采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行檢測(cè)。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成，測(cè)量對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會(huì)產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)[4]。傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)軸上檢測(cè)齒輪的齒頂端。當(dāng)齒輪由軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒頂和齒谷交替經(jīng)過(guò)傳感器，使傳感器與齒輪頂部之間的空氣間隙交替變化，引起傳感器磁路的磁阻交替變化，從而使線圈的磁通量交替變化，線圈感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，輸出信號(hào)，信號(hào)頻率為

式中：Z為齒輪齒數(shù)；n為軸轉(zhuǎn)速。

測(cè)出頻率，即可計(jì)算出機(jī)組軸轉(zhuǎn)速。

3.3 機(jī)組軸溫度檢測(cè)

機(jī)組軸溫度采用pt100熱電阻進(jìn)行測(cè)量，接入本特利3500系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)卡，作為機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控和報(bào)警的信號(hào)。

4 本特利3500設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)探頭檢測(cè)的信號(hào)，送入本特利3500系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)控制程序輸出報(bào)警和關(guān)斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)機(jī)組的目的。

4.1 冗余設(shè)計(jì)

本特利3500設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)是保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行的核心，系統(tǒng)自身的安全性和可靠性必須達(dá)到更高要求，避免出現(xiàn)誤報(bào)警、誤動(dòng)作造成機(jī)組非正常停機(jī)。因此，采用三冗余設(shè)計(jì)。三冗余系統(tǒng)簡(jiǎn)稱TMR（triple modular redundancy），結(jié)構(gòu)如圖3所示。3個(gè)控制模塊同時(shí)執(zhí)行相同的操作，以多數(shù)相同的輸出作為表決系統(tǒng)的正確輸出，通常稱為3取2。3個(gè)模塊中只要不同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)相同的錯(cuò)誤，就能掩蔽掉故障模塊的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)正確的輸出。系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)表決面，分別為輸入表決面、計(jì)算輸出表決面和表決器表決面。輸入表決面在計(jì)算前對(duì)3個(gè)信號(hào)采集模塊的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行3取2表決，屏蔽掉單個(gè)模塊的輸入故障。計(jì)算輸出表決面在計(jì)算后對(duì)3個(gè)計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行3取2表決，通過(guò)2個(gè)模塊的正確結(jié)果屏蔽掉另一個(gè)模塊的計(jì)算錯(cuò)誤。表決器表決面在輸出前對(duì)將要輸出的信號(hào)進(jìn)行一次3取2表決，選取正確的結(jié)果輸出。

圖3 三冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of TMR

4.2 硬件設(shè)計(jì)

本特利3500設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)、框架式安裝。根據(jù)不同檢測(cè)要求，選擇不同功能模塊，插入機(jī)架對(duì)應(yīng)槽即可。本模塊選型及功能如下：

3500/15電源模塊。電源模塊能接受175～264 VAC大范圍的輸入電壓，并把該輸入電壓轉(zhuǎn)換成其它3500模塊所需電壓，為整個(gè)框架卡件供電。電源模塊必須安裝在框架左邊特殊設(shè)計(jì)的槽口內(nèi)。本系統(tǒng)采用雙電源供電，當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)切換到備用電源，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。3500/20框架接口模塊。框架接口模塊必須安裝在框架中的第一個(gè)槽位。該模塊是3500框架的基本接口，通過(guò)模塊上的RS232接口，可與組態(tài)計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行程序上傳、下裝，以及系統(tǒng)功能組態(tài)等操作。三冗余型模塊具有“監(jiān)測(cè)器通道比較”功能，根據(jù)監(jiān)測(cè)器選項(xiàng)中規(guī)定的設(shè)置執(zhí)行監(jiān)測(cè)表決，連續(xù)比較來(lái)自3個(gè)互為冗余監(jiān)測(cè)器的輸出。如果檢測(cè)到其中一個(gè)監(jiān)測(cè)器的信息與其它2個(gè)不相等，它將把監(jiān)測(cè)器標(biāo)記為錯(cuò)誤狀態(tài)，并且在系統(tǒng)事件列表中生成一個(gè)事件。3500/40M四通道位移監(jiān)測(cè)模塊。該模塊接收位移傳感器的輸入，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后生成各種振動(dòng)和位移測(cè)量值，并將處理后的信號(hào)與用戶可編程的報(bào)警設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行比較。可使用3500框架組態(tài)軟件對(duì)該模塊每個(gè)通道進(jìn)行組態(tài)，使其具有測(cè)量徑向振動(dòng)、軸向位移、差脹、軸偏心、REBAM功能。3500/50轉(zhuǎn)速模塊。接收來(lái)自渦流傳感器或電磁傳感器信號(hào)，計(jì)算軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子的加速度。它將這些測(cè)量值與已編程的報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)報(bào)警點(diǎn)時(shí)發(fā)出報(bào)警。3500/61溫度監(jiān)測(cè)模塊。該模塊可接受熱電阻、熱電偶傳感器信號(hào)，利用這些輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置。3500/32TMR三冗余繼電器輸出模塊。該模塊可提供四通道繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、關(guān)斷功能。通過(guò)三冗余表決，可避免誤動(dòng)作。3500/92通訊網(wǎng)關(guān)。該模塊通過(guò)TCP/IP和RS232/RS422/RS485通訊協(xié)議將所有框架的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)與過(guò)程控制和其它自動(dòng)化系統(tǒng)集成，支持與3500框架組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)采集軟件的以太網(wǎng)。

4.3 軟件組態(tài)

硬件安裝完畢以后，必須通過(guò)3500組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，定義每個(gè)插槽卡件類型、設(shè)置卡件控制參數(shù)、編寫關(guān)斷報(bào)警控制程序、設(shè)置通訊接口。軟件組態(tài)按如下步驟進(jìn)行：

（1）定義每個(gè)插槽卡件類型。3500組態(tài)軟件中，除第1、第2插槽默認(rèn)為電源和框架接口模塊，其余插槽均需定義卡件類型。通過(guò)鼠標(biāo)單擊空白插槽，從彈出菜單中選擇與實(shí)際安裝對(duì)應(yīng)的控制卡件，即完成對(duì)插槽卡件的定義。

（2）設(shè)置電源卡件參數(shù)。3500系統(tǒng)電源有高壓交流、低壓交流、高壓直流、低壓直流4種，根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際，選擇“高壓交流”。

（3）設(shè)置框架接口模塊參數(shù)。選擇安裝方式為“Panel Mounted”，選擇電源為“高壓交流”，激活插槽為2～7槽。

（4）設(shè)置四通道位移監(jiān)測(cè)模塊參數(shù)。由于測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，所以信號(hào)通道類型選擇“Radial Vibration”，并將4個(gè)通道激活，設(shè)置每個(gè)通道探頭類型為“3300-8 mm Proximitor”，設(shè)置報(bào)警值為 1.0 mil，關(guān)斷值為 1.6 mil。

（5）設(shè)置轉(zhuǎn)速模塊參數(shù)。通道使能，測(cè)量參數(shù)選擇“Speed”，量程范圍“0～30000 r/min”，低報(bào)警值17800r/min，高報(bào)警值 21000r/min，關(guān)斷值 23700r/min。

（6）設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)模塊參數(shù)。通道類型設(shè)置為溫度，探頭類型設(shè)置為RTD，激活需要使用的4個(gè)通道，每個(gè)通道設(shè)定報(bào)警值88℃，關(guān)斷值93℃。

（7）編寫繼電器模塊控制程序。當(dāng)軸溫度、軸振動(dòng)、轉(zhuǎn)速超過(guò)關(guān)斷值，各自的測(cè)量模塊會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)，此關(guān)斷信號(hào)為系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)，必須經(jīng)繼電器控制模塊通過(guò)程序進(jìn)行調(diào)用和邏輯運(yùn)算后，才能由繼電器控制模塊輸出繼電器信號(hào)，關(guān)停機(jī)組。

（8）設(shè)置通訊網(wǎng)關(guān)參數(shù)。首先設(shè)定接口信息，設(shè)置波特率為9600 bit/s，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)范圍0～65535；然后通過(guò)組態(tài)寄存器，選擇需要傳送給DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的Modbus寄存器地址，便可按照地址向DCS系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)上位監(jiān)控。

組態(tài)完成，進(jìn)行下裝，即可開(kāi)始監(jiān)控機(jī)制狀態(tài)。

5 壓縮機(jī)喘振控制

喘振是離心壓縮機(jī)在入口流量小于喘振流量時(shí)離心壓縮機(jī)出現(xiàn)的流量脈動(dòng)現(xiàn)象，造成周期性的氣流倒流和排出氣體壓力時(shí)高時(shí)低，并產(chǎn)生巨大噪聲和急劇的溫升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞[5]。要防止離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振，需工作轉(zhuǎn)速下的吸入流量大于喘振點(diǎn)的流量。因此，當(dāng)入口流量小于喘振點(diǎn)流量時(shí)，需將出口流量旁路返回到入口，以增加入口流量。防喘振線是一個(gè)動(dòng)態(tài)折線，壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下喘振點(diǎn)也不同，本文喘振控制系統(tǒng)選擇壓縮機(jī)出口流量與轉(zhuǎn)速的比值即流速比，作為控制對(duì)象，針對(duì)實(shí)際流速比與設(shè)計(jì)正常工作流速比的偏差進(jìn)行調(diào)控。將壓縮機(jī)工況壓力、進(jìn)出口差壓信號(hào)接入控制器，則壓縮機(jī)標(biāo)況流量可通過(guò)下式計(jì)算：

式中：P1為壓縮機(jī)工況壓力；dp為壓縮機(jī)進(jìn)出口差壓；T1K為工況溫度；K 為流量因子，K=0.146；Z 為壓縮因子，Z=0.95；mw為氣體摩爾質(zhì)量。再將轉(zhuǎn)速信號(hào)接入控制器，則可計(jì)算過(guò)程PV值為

式中：PV為壓縮機(jī)實(shí)際流速比；Qp為實(shí)際流量；Np為實(shí)際轉(zhuǎn)速。

將實(shí)際流速比作為PV值，設(shè)計(jì)正常工作流速比作為SP值，通過(guò)Moore353就地控制器采用單回路PID控制即可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)喘振控制，如圖4所示。

圖4 單回路PID原理圖Fig.4 Principle diagram of single-loop PID control

6 上位監(jiān)控

DCS上位機(jī)接收并調(diào)用機(jī)組安全控制系統(tǒng)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)組態(tài)操作面板和顯示畫面，監(jiān)控整個(gè)膨脹壓縮機(jī)組運(yùn)行狀況。當(dāng)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障或運(yùn)行參數(shù)超限時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)聲光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)采取措施排除故障。同時(shí)，DCS系統(tǒng)還對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)記錄，便于查看分析機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行狀況。

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)試運(yùn)，膨脹壓縮機(jī)組冗余型安全控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)組運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)控制程序輸出保護(hù)信號(hào)。采用三冗余設(shè)計(jì)，可最大限度提高系統(tǒng)自身穩(wěn)定性，避免誤動(dòng)作。系統(tǒng)自2011年投運(yùn)至今，未出現(xiàn)過(guò)故障，保障了該機(jī)組的安全運(yùn)行。

[1] 黃鐘岳，王曉放，王巍.透平式壓縮機(jī)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2] 徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 永遠(yuǎn).傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[4] 余成波.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 靳伍銀，劉飛躍，剡昌鋒，等.離心壓縮機(jī)的防喘振控制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（3）：42-45.