ITCC系統在裂解氣壓縮機防喘振控制中的應用

杜 勇 薛軼明 東立明

(中國石油蘭州石化公司電儀事業部，蘭州 730060)

傳統的裂解氣壓縮機控制系統采用的是PLC聯鎖保護，Woodward 505E機組調速控制，本特利機組狀態檢測，以及現場智能儀表與智能調節器組成的防喘振控制系統。

隨著自控技術的不斷發展，控制復雜、安全程度更高，而且聯鎖動作更可靠的透平壓縮機綜合控制系統(Integrated Turbine & Compressor Control System，ITCC)應用而生。在壓縮機防喘振控制方面，與傳統控制系統相比，ITCC具有滿足化工生產需要、確保工藝生產平穩、有效避免能源浪費、減少工藝生產波動、降低設備和維護成本、減少各種單功能控制器之間通信時間延遲和繁瑣連接的特點，具有較好的技術優勢。

筆者以某裂解氣壓縮機控制系統的改造項目為背景，介紹ITCC系統在防喘振控制中的應用實施。

1 ITCC防喘振控制理論①

ITCC將傳統的多個獨立控制單元(如負荷調節、聯鎖保護、電子調速、防喘調節及超速保護等系統)集成在一套可靠的三重化模件冗余容錯控制系統中，并提供了先進的控制方案和方便的操作監控畫面。

喘振是離心壓縮機的固有特性，通常情況下是由系統負荷減少引起的。為避免壓縮機的喘振現象，需要控制任何轉速下，通過壓縮機的實際流量Q不小于多變壓頭Hp喘振極限的最小流量如圖1所示。

圖1 典型的壓縮機曲線

多變壓頭Hp和實際流量Q的計算公式如下：

式中Hp——多變壓頭；

h——孔板壓縮比；

K——絕熱系數；

Mw——氣體分子量，kg/kmol；

p1——進氣絕對壓力，kPa；

p2——出氣絕對壓力，kPa；

Q——流量，t/h；

T1——絕對溫度，℃；

Z——壓縮系數；

η——效率。

ITCC采用可變極限流量法實現壓縮機的防喘振控制。可變極限流量法需要控制入口流量并排除壓力(圖2)，也即實際只控制一條喘振線，這樣可以使開始回流的流量為對應于每一個工作轉速規定的一個最小流量，只有當壓縮機流量不大于此值時才打開防喘振閥，即通過減少壓縮機的能耗在壓縮機負荷有可能經常波動的區域采用調節壓縮機的回流量來保證壓縮機負荷滿足工藝要求。在不同轉速下，其喘振極限流量是一個變數，它隨轉速的下降而減小。

圖2 可變極限流量法控制原理

ITCC的防喘振控制方案是在整個壓縮機負荷變化范圍內的，使其工作點沿著喘振安全操作線變化，即只要保證安全操作線公式等號右邊大于左邊就可以防止壓縮機發生喘振。通過Ao簡化系數的引入，將多變壓頭Hp和實際流量Q的曲線(圖1)轉化為p2/p1排出吸入壓力比與h/p1的壓縮機簡化工作曲線。簡化公式如下：

2 ITCC防喘振控制應用

ITCC防喘振控制系統利用各種模塊的計算功能繪制如圖3所示的喘振線(p2/p1與h/p1的壓縮機簡化工作曲線)，如果壓縮機發生喘振，工作點快速移向喘振區間，喘振設定值控制打開防喘振控制閥，機組喘振控制方案有快速打開和慢速關閉的功能，比例控制作用可直接打開防喘振控制閥。速度控制系統與防喘振控制系統進行復雜控制，必要時進行簡單控制功能；通過手動、半自動和自動控制方式，有利于機組故障處理檢測和控制方案的調試運行，當工作狀態點靠近喘振區間時，防喘振控制閥按照預期算法開啟閥門進行回流量自動調節；如果出現突然喘振或聯鎖動作停車，用電磁閥控制防喘振閥氣路，快速打開閥門。ITCC系統自動計算工作點，自動增加安全裕度；利用獨立的比例控制功能，實現回流閥快開-慢關控制功能，確保壓縮機穩定高效運行。

圖3 壓縮機工作特性曲線

2.1 裂解氣壓縮機喘振控制線的生成

裂解氣壓縮機的通用防喘振線可由排出吸入壓比(p2/p1)和吸入流量計算得出。圖2中的其他相關參數由壓縮機固有特性得出，具體如下：

入口壓力儀表PIA-1100 0～200kPa(正常值45kPa)

入口溫度儀表TIA-1100 0～100℃(正常值42℃)

入口流量儀表FIA-1100 0～60t/h

出口壓力儀表PIA-1101 0.0～3.5MPa

氣體分子量Mw30.4kg/kmol

絕熱系數K1.166

效率η0.77

壓縮系數Z1

音速轉換系數c12.644

根據上述參數計算所得的壓縮機性能數據見表1。

表1 壓縮機性能數據

壓縮機防喘振控制邏輯如圖4所示。ITCC系統依據表1中的數據，利用防喘振擴展函數模塊1(SRG-LINE)將相關參數設定到SRG-LINE模塊相應的參數點，即可通過模塊內部計算喘振線。SRG-LINE選定pd/ps～h/ps喘振算法。在喘振線的基礎上利用喘振裕度計算模塊3 (Recalibrate)計算出喘振安全裕度，即喘振控制曲線與喘振曲線之間的間距。喘振控制生成模塊4(Control Line)生成喘振控制曲線，即喘振曲線加喘振安全裕度得到喘振控制曲線，右移10%的控制裕度則生成喘振控制線——圖3所示的壓縮機工作特性曲線。

圖4 壓縮機防喘振控制邏輯

2.2 工作狀態點的測量

ITCC將入口流量FIA-1100所對應的差壓與入口壓力PIA-1100之比(pd/ps)引入工作點計算模塊2(Surge-Detect )計算出壓縮機當前的工作點。檢測工作點離喘振控制曲線的距離，也是判斷壓縮機是否發生喘振的重要數據依據。

ITCC上位畫面中包括喘振線、喘振控制線和工作狀態點，當壓縮機工作狀態點不在喘振區域時，喘振標志綠色，壓縮機工作狀態點在喘振線右部；當壓縮機工作狀態點在喘振區域時，喘振標志為紅色，壓縮機工作點在喘振線左部。

ITCC將壓縮機工作狀態點與對應喘振點進行比較，然后把輸出信號送給喘振標志模塊計算，如果工作狀態點不小于對應喘振點，表明機組未發生喘振。反之，機組發生了喘振。ITCC系統的喘振控制設定模塊5(Controller Setpoint)計算出喘振控制系統的設定值。ITCC系統的設定值根據工作狀態點的變化而實時改變，若工作狀態點位于喘振控制線右部，該工作狀態點與對應設定值的距離為固定值(一般設為2%)。如果工作狀態點位于喘振控制線左部，則與防喘振控制線高選表決，確定輸出至設定值的參數。通常情況下，壓縮機不能在喘振線上長時間運行。當工作狀態點以小幅、快速向喘振線波動時，防喘振控制閥會快速打開一定開度的閥位，促使喘振控制線向右移動，直到防喘振控制閥關閉。當機組工況平穩地脫離喘振區域后，可按操作畫面上的復位按鈕，恢復原有的防喘振控制線。

2.3 喘振控制

ITCC系統通過啟動模塊8(Startup)，在壓縮機啟動時控制邏輯保證防喘振控制閥100%開度，保證壓縮機可以安全穩定啟動。壓縮機正常運行時，通過PID控制模塊6(Controller)實現喘振快速PID控制，依據當前的入口流量和喘振控制器的設定值來計算喘振器的輸出結果。

ITCC系統有純比例調節模式，該模式獨立于正常的PID控制模式。純比例調節模塊7(Proportional Function)判斷當壓縮機工作狀態點移動至喘振控制線左部時，通常的PID控制模式已無法滿足機組的控制要求，此時ITCC系統的模塊7控制工作狀態點進入喘振比例快速控制調節模式，在喘振控制線左部生成特定的裕度范圍(系數為0.7)。當喘振線與工作狀態點相距70%時，系統強制打開防喘振控制閥。當喘振線與工作狀態點重合時，防喘振控制閥全開。即便是喘振控制無效的情況下，喘振比例控制仍可繼續保護機組安全穩定運行。

多種控制方式由防喘振選擇模塊9(Valve Singal Selector)實現防喘振控制程序的選擇輸出，即壓縮機啟動時邏輯控制器的輸出值、比例項的輸出值和快速PID控制器的輸出值之間進行高選表決。

ITCC系統還可以實現速度與喘振的耦合控制，利用速度偏差計算模塊10(Speed Bias)計算速度與喘振耦合控制器的輸出值的偏差。若機組發生喘振，控制邏輯自動使速度控制器的設定值增加，保證機組轉速升高，進而增加入口流量，防止機組喘振發生。若機組轉速升高，壓縮機的出口壓力提升過高，有可能繼續引起喘振，這時就應該解除耦合，實現解耦控制。

2.4 防喘振閥輸出模塊

防喘振閥輸出模塊接收來自喘振控制的輸出值，通過模式選擇模塊11(Auto/Man)設定喘振控制邏輯的手動、半自動和自動控制方式。手動模式下，快速PID控制器的輸出值無效；半自動和自動模式下，快速PID控制器的輸出值有效。

防喘振閥輸出通過預置模塊12(Valve Prepare)，實現防喘振控制閥預置功能，儀表加快閥門的響應速度。利用線性化模塊13(Valve Linearize/Reverse)進行防喘振閥線性輸出。

3 結束語

ITCC在裂解氣壓縮機防喘振控制中的應用，較好地滿足了壓縮機控制的要求，提高了系統的可靠性，確保不會因為控制系統的故障影響機組的正常運行，同時也提高了故障分析的水平。