氨壓機防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化改造

(河南能源化工集團中原大化公司，河南 濮陽 457004)

河南能源化工集團中原大化公司煤化工裝置共有6大機組，均采用Miconwell公司的ITCC控制系統(tǒng)。其中，氨壓機主要是對甲醇裝置區(qū)生產(chǎn)的氨進行壓縮制冷，為整個冷凍回路和低溫甲醇洗裝置提供冷量，對整個裝置的長周期穩(wěn)定運行有很大的影響。氨壓機ITCC控制系統(tǒng)在投運初期不能夠有效控制其防喘振余量，機組防喘振閥開度較大，且始終不能全關(guān)，造成機組能耗過高，運行極不穩(wěn)定。針對此問題，我們聯(lián)系廠家設(shè)計人員，據(jù)現(xiàn)場實測情況對對氨壓機防喘振控制系統(tǒng)進行了升級改造。

1 控制系統(tǒng)存在的問題及改造方案

1.1 存在的問題

(1)系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取速度慢，防喘振跟蹤不夠迅速；防喘振控制不穩(wěn)定，抗干擾能力差，只能手動控制。

(2)防喘振控制余量過大，機組防喘振閥開度大，從而導(dǎo)致氨壓機能耗過高。

(3)運行性能與防喘振控制功能不完善，防喘振控制缺乏協(xié)調(diào)性，無法直觀有效地調(diào)節(jié)氨壓機。

1.2 改造方案

(1)將氨壓機的入口壓力控制一、二段防喘振控制回路由ICS控制系統(tǒng)升級改造為CCC Vanguard控制系統(tǒng)。對工程師站進行雙回路改造，增設(shè)服務(wù)器，每個操作員站均可獨立運行，不受其他操作臺的影響。

(2)現(xiàn)場精確實測喘振線，以消除計算方式造成的運行區(qū)域的損失。精確定義好喘振線后，據(jù)喘振線的位置分別確定一段和二段喘振線的位置；CCC壓力控制器輸出接入ICS系統(tǒng)，串級控制ICS中的速度控制，ICS中的轉(zhuǎn)速信號輸出模擬量接入CCC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速追蹤。卡邊操作，降低防喘振閥的開度。CCC控制系統(tǒng)之所以節(jié)能，關(guān)鍵在于運行點緊壓防喘振線，這就降低了防喘振閥的開度，減少了回流量，降低了無用功的消耗。

(3)原來在ICS系統(tǒng)中控制的信號經(jīng)一進二出分配器，分一路進CCC控制系統(tǒng)，另一路仍進入原ICS系統(tǒng)。CCC控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)多種調(diào)節(jié)和保護措施，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與氨壓機入口壓力串級操作、防喘振自動調(diào)節(jié)以及二者之間的解耦控制，有利于保證機組的平穩(wěn)運行，同時增加壓力超弛控制。

圖1 氨壓機防喘振曲線及控制參數(shù)畫面

2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造

2.1 CCC控制系統(tǒng)簡介

CCC控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)多種調(diào)節(jié)和保護措施，我們將氨壓機的入口壓力控制一、二段防喘振控制回路由ICS控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到CCC Vanguard控制系統(tǒng)，同時增加壓力超弛控制。CCC Vanguard大型機組控制系統(tǒng)是最先進的開放式實用多任務(wù)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制構(gòu)架為CPCI總線構(gòu)架[1]，有效增加了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；另外，系統(tǒng)軟硬件均采用三重冗余結(jié)構(gòu)，能夠避免隨機故障造成的事故。CCC Vanguard控制系統(tǒng)采用的是全雙工結(jié)構(gòu)并且有明顯的等級優(yōu)先度，可避免系統(tǒng)因增加現(xiàn)場控制IO點而造成內(nèi)部執(zhí)行速度下降的現(xiàn)象，有效實現(xiàn)對機組的迅速而精確的控制。

2.2 氨壓機防喘振曲線及控制參數(shù)簡介

防喘振控制的核心思想是，無論壓縮比是多少，都要保證壓縮機的吸入流量比喘振流量大。只有這樣，才能保證壓縮機的穩(wěn)定工作。

廠家設(shè)計人員據(jù)現(xiàn)場實測后，給出氨壓機綜合喘振線數(shù)據(jù)，作出喘振線(兩點變量連成線段，由多段折線連接成一條曲線)和防喘振線[1]。再采用InTouch 10.1組態(tài)編程，最終得出的氨壓機防喘振曲線及控制參數(shù)畫面如圖1。

3 系統(tǒng)硬件與軟件

3.1 系統(tǒng)硬件

3.1.1機架(S5VANG-D10-03)[1]

采用最先進的雙重化CPCI 總線技術(shù)的10slots 機架，單架容量為1對冗余MPUE和3對冗余IOC，以及1對擴展卡，可帶2個擴展機架，可靠性高、運算速度快；最多可配置4個電源卡件(PSMU)構(gòu)成靈活的冗余供電配置，支持熱插拔。

3.1.2三重化處理器

三重化處理器是系統(tǒng)的核心部分，其作用是實現(xiàn)全面的系統(tǒng)控制功能。系統(tǒng)采用功能強大的64位Power PC 603 100 MHz處理器，通過三重化內(nèi)部通訊總線，能高速處理各種模擬量和數(shù)字量信息。三重化處理器由5塊電路板構(gòu)成：3塊完全獨立的處理器電路板，每塊電路板上有1塊 64位RISC 100 MHz處理器，以及相應(yīng)的內(nèi)存、電路等；1塊接口電路板，包括模塊內(nèi)部總線和前面板控制電路；1塊基板，用于電路板的連接。這三類處理器主板構(gòu)成了三重化處理器模塊的基礎(chǔ)。3個處理器完全同步地工作，確保處理器所有數(shù)據(jù)的一致。每個處理器獨立地完成數(shù)據(jù)存儲、程序執(zhí)行、I/O 掃描以及系統(tǒng)故障診斷等工作。支持在線熱插拔。

3.1.3I/O卡件

氨壓機控制專用的Local I/O，高集成度的三重化容錯I/O卡件最多可接收40個現(xiàn)場信號輸入。每個通道的信號均通過獨立的三重化線路實現(xiàn)容錯：全面的自診斷；1 ms的SOE分辨率，每個通道可選擇；支持在線更換。由于SOE記錄在輸入模塊上完成，因此SOE不再像過去那樣依賴于系統(tǒng)掃描，而和系統(tǒng)掃描時間沒有關(guān)系，并且大大減輕了三重化處理器的負擔(dān)。三重化容錯型I/O模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的30 mm寬、6U高外型，可以放置在處理器機架或者擴展機架中。一旦I/O組態(tài)被確定，可以通過獨特設(shè)計的機械開關(guān)，防止模塊被插入不正確的槽位中。

3.2 系統(tǒng)操作軟件

氨壓機下位控制軟件采用的是Miconwell公司提供的基于Windows NT的IEC1131 Toolset組態(tài)軟件，上位控制軟件采用的是Wonderware公司提供的InTouch10.1組態(tài)軟件。系統(tǒng)支持開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)間的通訊實現(xiàn)分散的控制和監(jiān)測。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通訊，網(wǎng)絡(luò)底層采用UDP結(jié)構(gòu)，并支持網(wǎng)關(guān)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3.2.1Peer-Link同級通訊

Peer-Link同級通訊，即不同的系統(tǒng)之間通過單獨或者冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)建立通訊。通過這種方式，不同的系統(tǒng)之間可以實現(xiàn)與安全應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的交換。這種同級通訊最多可以讓40套獨立的系統(tǒng)連接在一起。

3.2.2工程師工作站

工程師工作站是系統(tǒng)組態(tài)軟件以及相關(guān)硬件(通常是一臺式PC 或者一臺便攜式PC)的總稱。基于Windows NT的IEC1131 Toolset組態(tài)軟件和計算機組成了系統(tǒng)的工程師工作站。運行IEC1131 Toolset的工程師工作站(中心站)可以通過RS485或以太網(wǎng)(TCP/IP)連接到多個控制器。運行IEC1131 Toolset的就地便攜式工程師工作站，可以直接連到三重化處理器模塊上的RS232診斷口，進行系統(tǒng)日常維護等工作。

3.2.3操作員工作站

安全系統(tǒng)通常設(shè)有一個操作員工作站。系統(tǒng)可以通過OPC、內(nèi)部協(xié)議或MODBUS協(xié)議連接多臺操作員工作站。通訊模塊提供的MODBUS通訊非常靈活。組態(tài)I/O卡件時，采用網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)定，即可建立用MODBUS協(xié)議通訊的點。

3.2.4過程歷史

過程歷史采用應(yīng)用程序中的一個標(biāo)準(zhǔn)格式來記錄，把相關(guān)的變量記錄成一個表格。基于Windows的過程歷史采集軟件以圖形化的方式顯示這些數(shù)據(jù)。

3.2.5報警記錄

所有的報警均被記錄在三重化處理器中，每條報警信息都包括報警發(fā)生的位置和發(fā)生的時間。處理器模塊中的報警記錄可以通過處理器前面板上的診斷口，使用基于Windows的超文本(HTML)終端進行讀取。

3.3 CCC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

系統(tǒng)控制站安裝于壓縮控制室的機柜室，4臺操作臺安裝于壓縮操作臺上，各操作員站對應(yīng)為獨立的工程師站，相互之間不再受影響。兩個操作系統(tǒng)之間的IO信號傳遞皆有硬線相連接或者用數(shù)據(jù)接口傳遞。另外，系統(tǒng)采用了處于透平機械控制領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者地位的渦輪機組控制專業(yè)解決方案的透平機械控制應(yīng)用軟件包TrainWare，在保證機組最大運行可靠度的同時，優(yōu)化機組運行和工藝操作，實現(xiàn)節(jié)能和擴大機組運行區(qū)域，從而適應(yīng)裝置負荷的大幅變動；在人機交互界面組態(tài)方面，采用了可實現(xiàn)在線上裝/下裝的工程師組態(tài)維護工具軟件包Configurator以及全面采用OPC技術(shù)的壓縮機專用的人機界面軟件TrainView Ⅱ。

CCC控制系統(tǒng)過程狀態(tài)數(shù)據(jù)(開關(guān)位置，傳送讀入等)由輸入模塊檢測。過程狀態(tài)數(shù)據(jù)被存在每一個輸入模塊緩存中，然后信息被傳送到三重化冗余模塊的內(nèi)部總線IMB上。TMR處理器讀入并且表決過程狀態(tài)信息，然后處理器執(zhí)行保存在內(nèi)存中的應(yīng)用程序。處理器運行為三重化，彼此之間共享信息，并且以同步方式運行。TMR處理器計算得到輸出指令并將其發(fā)送到輸出模塊，三重化輸出命令被發(fā)送回IMB總線，再到輸出模塊上；輸出模塊接受命令并且表決數(shù)據(jù)，經(jīng)多數(shù)表決后的命令驅(qū)動輸出電路。系統(tǒng)以非常高的速度連續(xù)地重復(fù)這種掃描順序，并提供連續(xù)的容錯控制。如果一個內(nèi)部電路在系統(tǒng)內(nèi)失效，輸出表決通過，故障將被通告，處理器繼續(xù)運行而不會有任何中斷。CCC控制系統(tǒng)配置框圖如圖2。

圖2 CCC控制系統(tǒng)配置框圖

3.4 模塊通用設(shè)計參數(shù)(表1)

表1 模塊通用設(shè)計參數(shù)一覽表

3.5 操作環(huán)境要求(表2)

表2 操作環(huán)境要求

4 控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

為了不影響整個裝置的安全生產(chǎn)，我們把氨壓機的這次改造定在機組大修期間進行。首先，聯(lián)系廠家及工藝工程師協(xié)同對改造系統(tǒng)進行整體規(guī)劃；工藝系統(tǒng)有特殊要求的聯(lián)鎖，要采取相應(yīng)的安全措施。在系統(tǒng)升級改造過程中，遵照規(guī)范進行，做好接地防護，避免因施工對機柜間的硬件及線路造成損壞。另外，據(jù)工藝設(shè)備人員提出的聯(lián)鎖和控制步驟進行逐級改造，彼此之間進行方案確認；針對改造的控制回路進行回路聯(lián)校，IO控制點逐一排查確認，確保改造順利完成。

完工后，我們聯(lián)系人員進行試車，由工藝工程師親自監(jiān)護運行。在升速完成后，機組防喘振閥逐一投用，進行自動控制試驗。

5 改造效果

改造后，氨壓機運行穩(wěn)定，所有防喘振閥均可投運于自動狀態(tài)。同時，機組滿負荷運行狀況下，防喘振閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，極大地降低了能耗；防喘振閥動作迅速，保證了機組投運初期防喘振閥也能投運于自動狀態(tài)，這更加有利于減少回流量，減少不必要的放空，從而達到節(jié)能減排的目的。而且，優(yōu)化了喘振控制、性能控制和回路間的解耦控制，消除了氨壓機的喘振威脅，尤其是防喘振閥的自動控制，能有效地保證機組始終處于最優(yōu)控制狀態(tài)，從而避免隨機事件造成的事故停車。此外，氨壓機防喘振控制系統(tǒng)升級改造后，更能夠保證機組運行的可靠性，減輕了工藝人員的負擔(dān)，也保障了整個裝置的穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]張亞停.CO2壓縮機防喘振控制系統(tǒng)技術(shù)改造[J].化工設(shè)計通訊，2014，40(3)：61～64.