透平壓縮機組控制系統(tǒng)在尿素CO2壓縮機控制中的應用

李杰春

(中國石油大慶石化公司化肥廠,黑龍江 大慶 163714)

中國石油大慶石化公司化肥廠是全國首批引進先進技術的13套大型化肥生產(chǎn)企業(yè)之一，經(jīng)過擴能改造后，年生產(chǎn)能力達到合成氨45萬t、尿素80萬t。然而原有的控制系統(tǒng)老化、技術落后且故障頻發(fā)，為此該廠組織技術力量，將ITCC系統(tǒng)應用于尿素CO2壓縮機組串聯(lián)控制與防喘控制中，改造后尿素增加一臺增壓機K103，與原CO2壓縮機3102J串聯(lián)，CO2壓縮機采用CCC3+控制器，增壓機采用GE FANUC(90-30)PLC控制，緊急停車仍使用ICS-ESD系統(tǒng)控制。筆者著重介紹ITCC系統(tǒng)的配置、負荷分配控制策略的設計和壓縮機防喘振控制功能的實現(xiàn)。

1 原壓縮機組控制策略①

中國石油大慶石化公司化肥廠的尿素裝置有兩大機組：一臺是CO2壓縮機3102J，其控制原理如圖1所示；另一臺是CO2增壓機K103，其控制原理如圖2所示，K103是為了滿足化肥裝置50%增容改造而新增的電機驅(qū)動機組。原蒸汽透平驅(qū)動機組3102J也經(jīng)過了內(nèi)件改造更新，并更換了機組的防喘振閥FV111，增加了一臺回流閥PV111用于機組的防喘振/負荷控制，兩閥采用分程控制，分程點為20%。

圖1 CO2壓縮機3102J的控制原理

圖2 CO2增壓機K103的控制原理

3102J的汽輪機的調(diào)速控制與抽汽控制由電子調(diào)速和抽汽控制(CCC3+控制器)實現(xiàn)，汽輪機的注汽控制由手操器實現(xiàn)。壓縮機組的整體控制原理如圖3所示。

圖3 壓縮機組整體控制原理

2 ITCC系統(tǒng)配置與功能

2.1 系統(tǒng)配置

ITCC系統(tǒng)采用了TMR微處理硬件技術和TS 1131軟件，具有完整的機組控制功能、系統(tǒng)自診斷功能與專家系統(tǒng)功能。ITCC系統(tǒng)的掃描時間均小于50ms，可用性不小于99.999%，系統(tǒng)達到TUV AK6/IEC SIL-3，其主要特點是：CPU與I/O卡均為三重冗余；若單通道出現(xiàn)故障，不會造成裝置聯(lián)鎖停車；物理槽位設計(左右互為備兩槽位)，可在線切換系統(tǒng)卡件；卡件主板上的光電隔離電路也都是三重化設計。系統(tǒng)配置如圖4所示。

圖4 ITCC系統(tǒng)配置示意圖

2.2 系統(tǒng)功能

機組在正常轉(zhuǎn)速下性能控制器以流量FI101為主回路參數(shù)，由FI101引起增壓機出口壓力PI105變化，進行壓力串級控制來調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速。

性能控制器通過對壓縮機入口壓力或4段出口流量的控制，使CO2符合化肥生產(chǎn)中的氨碳比，滿足工藝要求。在機組控制中，出于節(jié)能、效益及機組安全等方面的考慮，將喘振控制、速度控制及抽汽控制等結合并協(xié)調(diào)，實現(xiàn)負荷分配控制。

Tricon系統(tǒng)針對機組防喘振控制研發(fā)了多種標準程序功能模塊，如喘振檢測、控制及輸出等，通過TriStation1131軟件進行組態(tài)連接，用戶可根據(jù)工況與工藝需求編寫程序，實現(xiàn)機組的防喘振控制。Tricon防喘控制器工作時，所需現(xiàn)場儀表回路：入口壓力ps(AI)，出口壓力pd(AI)，入口溫度Ts(AI)，壓縮機入口或出口流量(或主風機入口喉部壓差)FT(AI)和防喘閥PV(AO)。Tricon防喘振控制器的工作原理如圖5所示。

圖5 Tricon防喘振控制器工作原理方框圖

在對機組各段的入口流量、出/入口壓力與出入口溫度的控制中，首先對流量進行基本的溫、壓補償，然后采用Tricon喘振功能模塊計算當前機組的工作點，再由機組出廠時廠家提供的性能曲線計算出對應的喘振線，最終通過工作點和喘振線(圖6)的相對位置判定喘振發(fā)生與否。值得注意的是：在Tricon算法中，根據(jù)物質(zhì)守恒原理，氣體的分子量變化不會影響喘振檢測。

圖6 通用喘振線

在實際項目實施中，機組喘振線與當前機組的工作點還可以根據(jù)需求，選擇壓比(出口壓力/入口壓力，pd/ps)或壓差(出口壓力-入口壓力，pd-ps)計算法。若控制系統(tǒng)檢測到機組當前工作點越過喘振線，表明已經(jīng)發(fā)生喘振，控制系統(tǒng)立即打開喘振閥，并將喘振控制線按組態(tài)參數(shù)自動向右平移一定裕度，作為新的控制線。引起喘振的主要原因是變送器基點調(diào)校不準和工藝條件突變。

控制線安全裕度的重新校正在組態(tài)方法：等比例增加(如每次校正增加2%裕度)；累加量(如1%、2%、4%、8%等)。

重新校正的最大次數(shù)可在程序組態(tài)上限定，重新校正的安全裕度可以通過復位回零(即將每次喘振發(fā)生時累加的裕度清零)使控制器回到初始狀態(tài)的預設值。

通常工況下，機組的工作點不會在喘振線上持續(xù)或時間過長地運行，當工作點在喘振坐標系中控制線的右側(即安全區(qū)域)時，控制器的設定值(即盤旋點)將在工作點的左側，兩點之間的距離始終保持在組態(tài)時的設定值上。如果盤旋點與控制線重合，則保持不動，不會繼續(xù)左移；如果此時工作點由于工藝或現(xiàn)場原因繼續(xù)左移，則系統(tǒng)將會打開喘振閥抑制喘振的發(fā)生。當機組運行的工作點向喘振線方向靠攏移動時，其運動速率如果大于預先設定值，則控制器將會判定機組有突發(fā)喘振的趨勢，并迅速打開防喘振閥。設定徘徊點將按相同的速率迅速減小，直至防喘閥打開，新工作點建立，如圖7所示。

圖7 控制器設定值徘徊線

Tricon喘振控制器定義了一種適應性增益特性。若當前機組工作點在喘振控制線右側，即在安全區(qū)域運行時，該特性會減少比例動作。反之，若工作點在控制線右側的操作裕度超過預先設定值，則調(diào)用該特性，并根據(jù)喘振PID的比例或積分響應，使喘振閥在該特性的控制下快速打開，使工作點重新回到安全區(qū)域。當工作點進入安全區(qū)域后，根據(jù)該特性，喘振閥會緩慢關閉，保證機組調(diào)整到新的工況下。

喘振控制器還設有純比例調(diào)節(jié)階段，該功能獨立于喘振控制器的PI控制。當工作點運動到喘振線左側，而正常的PI控制無法提供足夠快的響應時，系統(tǒng)會進入純比例調(diào)節(jié)階段，即在控制線與喘振線之間達到某一特定裕度，則會按比例開啟喘振閥，直至工作點與喘振點重合，喘振閥全開。該純比例調(diào)節(jié)階段的輸出經(jīng)過高選器后輸出至喘振閥的AO控制點，起到保護機組的作用。

在手動控制下，喘振閥由操作人員手動輸出控制，與喘振控制器的自動輸出無關，這種操作模式適用于安裝與靜態(tài)測試，便于儀表維護。但正常生產(chǎn)中，不能選擇該模式，否則系統(tǒng)會屏蔽控制器的自動輸出，增加安全隱患。

在半自動控制方式下，手動輸出值和控制器自動運算值經(jīng)過高選，最后輸出至防喘閥。

喘振閥控制切換界面如圖8所示。

圖8 喘振閥控制切換界面

當利用壓力串級控制調(diào)節(jié)機組的轉(zhuǎn)速或入口調(diào)節(jié)閥的開度來滿足工藝負荷需求時，若壓縮機進入喘振調(diào)節(jié)，但性能控制器要求減小流量，將導致兩控制回路的輸出產(chǎn)生反作用，造成系統(tǒng)波動，加劇喘振發(fā)生。針對這種工況，性能控制器與喘振控制器會將各自的輸出加權到對方的控制響應中去，從而實現(xiàn)解耦控制，來使兩個控制回路協(xié)調(diào)動作，迅速穩(wěn)定系統(tǒng)。

3 ITCC系統(tǒng)控制策略實施

中國石油大慶石化公司化肥廠采用ITCC系統(tǒng)替代原ICS+GE PLC+CCC3+控制系統(tǒng)，實現(xiàn)K103和3102J原有的全部控制功能，包括調(diào)速、抽汽、注汽、3102J出口壓力/流量控制、K103入口壓力控制(入口導葉控制)、兩臺機組的防喘振控制及負荷分配控制等，并把全部監(jiān)控功能納入一個統(tǒng)一的硬件平臺和操作界面，實現(xiàn)綜合透平壓縮機組控制。

3.1 3102J防喘振控制

在保證防喘振控制的同時，接受工藝控制器MPIC101的限制和協(xié)調(diào)控制。低壓缸防喘振控制回路UIC1所需參數(shù)為壓縮機一段入口壓力PT112、一段入口溫度TE111-1、一段出口流量FT103、一段出口壓力PT113和一段出口溫度TE111-2。高壓缸防喘振控制回路UIC2所需參數(shù)為壓縮機四段出口流量FT111、四段入口壓力PT117、四段入口溫度TE112、四段出口壓力PT121和四段出口溫度TE111-7。其中壓縮機一段和四段防喘振控制如圖9所示。

圖9 喘振控制畫面

控制方法采用Tricon防喘振控制算法，與原控制算法相似。性能曲線可參考原喘振極限線(SLL)。需要時在調(diào)試階段進行現(xiàn)場喘振試驗以驗證性能曲線中喘振線的位置。現(xiàn)場喘振試驗需要在8h內(nèi)完成。在喘振試驗實施之前，雙方將對喘振測試的方法和用戶所需要的配合工作進行討論并落實喘振試驗的詳細步驟，制定詳實的防喘振試驗方案，經(jīng)用戶批準后在現(xiàn)場條件滿足的情況下實施。控制原理如下：

a. 機組高壓段與低壓段的喘振控制器采用高選輸出原則，即任何一段先發(fā)生喘振或有喘振趨勢，則控制器會按該段控制器的輸出控制四回一閥打開，消除喘振；

b. 四回一閥由FV111和PV111組成，采用分程控制，開閥時先開小閥PV111，達到分程點全開后，再繼續(xù)開FV111，當喘振控制器輸出為零時，兩閥全部關閉，PV111的作用是防止喘振和出口壓力超馳控制(即當出口壓力超過預先設定的超壓值，正常操作14.9MPa，額定15.2MPa)。

3.2 K103防喘振控制

此防喘振控制回路UIC101所需參數(shù)為增壓機入口壓力PT2330、增壓機入口溫度TT2326、增壓機入口流量FT2327、增壓機出口壓力PT2331和增壓機出口溫度TT2327。

控制方法采用Tricon防喘振控制算法，與原控制算法相似。

3.3 CO2機組汽輪機速度控制

現(xiàn)場轉(zhuǎn)速探頭信號ST112/1/2/3作為轉(zhuǎn)速PID控制器的PV值，轉(zhuǎn)速目標值為SP值，OP輸出至調(diào)速-抽汽解耦程序，最終輸出至V1閥。通過調(diào)節(jié)V1閥的開度，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，程序中利用Tricon功能塊實現(xiàn)SP值的爬坡給定，防止由于SP值的跳變引起V1閥的調(diào)節(jié)不穩(wěn)。

機組升速過程如圖10所示。

圖10 機組升速過程

3.4 CO2機組汽輪機抽汽控制

抽汽控制由PID實現(xiàn)，PV為抽汽壓力PT920，SP由DCS給定，OP輸出至調(diào)速-抽汽解耦程序，最終輸出至V2閥，通過V2閥的開度調(diào)節(jié)抽汽壓力。

調(diào)速-抽汽解耦程序的輸入值為調(diào)速PID與抽汽PID的OP值，通過Tricon專用解耦功能塊，結合汽輪機的抽汽曲線進行解耦計算，最終輸出調(diào)節(jié)V1、V2閥，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或抽汽壓力時互不影響的目的，使抽汽壓力和轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定。

CO2壓縮機組汽輪機的抽汽與調(diào)速控制如圖11所示。

圖11 抽汽與調(diào)速控制界面

3.5 CO2機組汽輪機注汽控制

根據(jù)汽輪機注汽壓力PT915和注汽壓力設定點調(diào)節(jié)V3，保持注汽壓力穩(wěn)定，最大限度地將裝置副產(chǎn)低壓蒸汽注入汽輪機實現(xiàn)節(jié)能。此功能在DCS中操作和實現(xiàn)。

3.6 K103和3102J的負荷控制與兩臺機組的負荷分配控制

由于增壓機與壓縮機的驅(qū)動方式不同(增壓機為電機驅(qū)動，壓縮機為透平驅(qū)動)，因此在調(diào)節(jié)負荷時，增壓機靠導葉與回流閥進行調(diào)整，壓縮機靠轉(zhuǎn)速與四回一閥進行調(diào)整。兩臺機組串聯(lián)時，流經(jīng)兩機組的介質(zhì)質(zhì)量是相同的，所以負荷分配的手段在于調(diào)節(jié)兩臺機組的壓縮比，使任意機組都在最佳效率狀態(tài)下運行，避免運行時，一臺機組高負荷運行，而另外一臺機組卻有回流情況的發(fā)生。

K103和3102J機組負荷分配控制方案：ITCC系統(tǒng)主負荷分配控制功能塊MPIC101根據(jù)每臺壓縮機運行點與其喘振控制線的相對距離及其他限制條件，規(guī)定了汽輪機正常操作轉(zhuǎn)速的高限和低限、K103出口壓力PT2331高限、K103入口壓力PT106低限、3102J出口壓力PT121高限和壓力的限制均由超馳控制器實現(xiàn)。負荷控制界面如圖12所示。

圖12 K103和3102J負荷控制界面

調(diào)整兩臺機組的負荷時，所需參數(shù)為入口導葉K103的LSIC101和機組轉(zhuǎn)速3102J的LSIC105兩個。

在高于限制條件時通過打開FV2327和PV111的方式降低K103和3102J的出口壓力以避免壓力超限(壓力超馳控制POC)。MPIC101的控制功能在低負荷時是控制3102J的出口壓力以保證系統(tǒng)的壓力需求(此時防喘振閥處于開啟狀態(tài))。當兩臺機組的防喘振閥FV2327和FV111/PV111均關閉后，可以通過控制尿素裝置CO2流量FT101的方式來保證合成裝置產(chǎn)出的CO2，并根據(jù)需要進入尿素裝置生產(chǎn)尿素，此時工藝控制要保證有足夠量的氨進入系統(tǒng)，滿足氨碳比。

相應的改造在TS3000系統(tǒng)上組態(tài)實施。TS3000系統(tǒng)配置如下：

1.01 主處理器CPU3008

1.02 通信模件4351B

1.03 高密度主機架8110

1.04 高密度擴展機架8111

1.05 9000電纜

1.06 電源模件8312

1.07 空槽蓋板8105

1.08 數(shù)字量輸入模件3503E

1.09 數(shù)字量輸入端子板9563-810

1.10 模擬量輸入模件3721

1.11 模擬量輸入端子板9771-210

1.12 PI輸入卡3511

1.13 脈沖量輸入端子板9753-110

1.14 AO輸出卡3805E

1.15 模擬量輸出端子板9853-610

1.16 DO輸出卡3664

在調(diào)試過程中，技術人員根據(jù)實際工藝條件對機組控制系統(tǒng)進行調(diào)試和精調(diào)。系統(tǒng)調(diào)試需要至少24h的精調(diào)時間以保證機組控制系統(tǒng)達到最佳效果。在控制系統(tǒng)精調(diào)階段，允許工藝系統(tǒng)的參數(shù)有人為參與的小幅波動(5%內(nèi))，以調(diào)試控制系統(tǒng)對工藝擾動的適應性。

4 結束語

ITCC系統(tǒng)成功地應用于中國石油大慶石化公司化肥廠尿素CO2壓縮機組串聯(lián)控制與防喘振系統(tǒng)中，開創(chuàng)了同類化肥廠尿素串聯(lián)機組控制的先河,使原有落后的控制系統(tǒng)得以升級改造，消除了原有系統(tǒng)老化、技術落后和故障頻發(fā)的缺陷，為生產(chǎn)的安穩(wěn)運行提供了保障。實際運行表明，控制效果良好，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。