ITCC控制技術(shù)在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)揚(yáng)子石化2#加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)，介紹ITCC控制技術(shù)在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹實(shí)際速度的選擇，升速8模式下目標(biāo)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速給定值的生成，實(shí)際轉(zhuǎn)速PID控制。

關(guān)鍵詞：實(shí)際轉(zhuǎn)速；目標(biāo)轉(zhuǎn)速；實(shí)際轉(zhuǎn)速給定；轉(zhuǎn)速PID

1.引言

芳烴廠2#加氫裂化裝置為揚(yáng)子石化劣質(zhì)油改造項(xiàng)目的核心裝置，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為200萬噸/年。加氫裂化裝置的反應(yīng)系統(tǒng)處于高壓臨氫氣環(huán)境下，氫氣是由循環(huán)氫壓縮機(jī)（GB201101）提升壓力循環(huán)使用的，壓縮機(jī)能力為350000Nm3/h，為沈陽透平機(jī)械股份有限公司設(shè)計(jì)制造的徑向剖分筒型離心式壓縮機(jī)，由杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的積木塊系列多級(jí)工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)與汽輪機(jī)之間采用膜片式聯(lián)軸器?？刂茐嚎s機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行及對(duì)整個(gè)裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)有著舉足輕重的作用，而壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速又取決于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一般構(gòu)成

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般都由轉(zhuǎn)速感應(yīng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速器、傳動(dòng)放大及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)四部分組成。傳統(tǒng)的調(diào)速器采用WOODWARD的505E、501和EG等現(xiàn)場(chǎng)分立儀表并通過彼此間通訊協(xié)同控制，通訊速率較慢，可靠性較差，不利于機(jī)組的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，近年來已逐漸被高可靠和集成化的ITCC系統(tǒng)取代（如TRICONEX的系統(tǒng)），該系統(tǒng)采用獨(dú)特的調(diào)速控制程序取代電子調(diào)速器來控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有高可靠性，功能強(qiáng)大，組態(tài)靈活，容易操作，減少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3、ITCC控制系統(tǒng)的介紹

3.1 硬件

ITCC系統(tǒng)的硬件核心是基于三重模件冗余容錯(cuò)（TMR）結(jié)構(gòu)的控制器，共有3個(gè)主處理器，工作方式為3—2—1—0或3—2—0，所有的I/O信號(hào)都經(jīng)過硬件“三取二”表決（如圖3—1）。數(shù)字量輸入信號(hào)在DI模件中被分成隔離的3路，分布送到3個(gè)CPU中進(jìn)行“三取二”表決，通過3條I/O總線送到DO模件，在DO模件通過“方形表決電路”再次表決后，輸出到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器。模擬量輸入信號(hào)在AI模件中被分成隔離的3路，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，采用選中值的算法糾正分電路的偏差，輸出信號(hào)經(jīng)過選擇器后輸出到控制閥。

3.2軟件

TRICONEX的ITCC系統(tǒng)采用Tristation1131軟件編程，內(nèi)置控制模塊，將機(jī)組性能控制、聯(lián)鎖邏輯控制、防喘振、調(diào)速控制和常規(guī)監(jiān)視調(diào)節(jié)等功能集成于一體，各功能之間的協(xié)調(diào)非常容易，得到了TUV AK6安全認(rèn)證，可用性達(dá)到99.99%，可滿足汽輪機(jī)調(diào)速、防喘振控制、聯(lián)鎖邏輯、過程監(jiān)控等各種工業(yè)應(yīng)用。其控制網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)以太網(wǎng)，操作監(jiān)控軟件采用INTOUCH10.1。該監(jiān)控軟件通過DDE sever從控制器中讀寫過程數(shù)據(jù)，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

3.3汽輪機(jī)調(diào)速控制的實(shí)現(xiàn)

調(diào)速控制是ITCC系統(tǒng)的核心功能，滿足高精度控制和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。從測(cè)速探頭來的頻率信號(hào)進(jìn)入PI卡，通過速度PID控制塊運(yùn)算后，輸出4～20mA的信號(hào)到電液轉(zhuǎn)換器，經(jīng)液壓傳動(dòng)、放大后控制汽輪機(jī)調(diào)速閥的開度，從而改變進(jìn)入透平的蒸汽流量，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

ITCC系統(tǒng)使用專用的調(diào)速程序?qū)C(jī)組進(jìn)行多模式控制。共有停機(jī)、復(fù)位、啟動(dòng)、暖機(jī)、升速、運(yùn)行、正常停機(jī)和超速8種控制模式。根據(jù)汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的升速曲線和升速速率，自動(dòng)將汽輪機(jī)從零轉(zhuǎn)速升到最小轉(zhuǎn)速，并迅速越過臨界轉(zhuǎn)速，達(dá)到正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

3.3.1 調(diào)速控制原理

汽輪機(jī)啟動(dòng)后，根據(jù)透平實(shí)際升速曲線和暖機(jī)階段劃分升速模式，確定各模式的速度范圍（即轉(zhuǎn)速目標(biāo)值）以及升速速率，再按照各升速模式包括臨界區(qū)時(shí)的升速速率向目標(biāo)轉(zhuǎn)速爬坡進(jìn)而產(chǎn)生實(shí)際轉(zhuǎn)速給定值，該值與實(shí)際轉(zhuǎn)速（經(jīng)過轉(zhuǎn)速探頭選擇計(jì)算產(chǎn)生）的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)運(yùn)算后輸出去控制調(diào)速閥。

圖3-2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理圖

汽輪機(jī)的調(diào)速控制主要由如下幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：

1、目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定模塊：TARGET_U

圖3-3 汽輪機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的生成

圖3-4 汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速給定值的生成

TARGET_U功能塊的作用是產(chǎn)生與汽輪機(jī)升速曲線相對(duì)應(yīng)的各調(diào)速模式下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。該功能塊和SRAMP04配合使用，用于向SRAMP04輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)速和FLG_RAMP控制字。目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值不允許停留在任一臨界區(qū)里，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)入臨界區(qū)內(nèi)，會(huì)立即從臨界區(qū)另一端出來。

2、實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)定值爬坡模塊SRAMP04

SRAMP04功能塊的作用是接受目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定模塊的目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)及組態(tài)標(biāo)志，產(chǎn)生實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)定值去作為轉(zhuǎn)速PID控制塊的給定值。實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)定值不允許越出MINLIM 和MAXLIM的設(shè)定限值。

3、實(shí)際轉(zhuǎn)速選擇（SPD_SEL）

SPD_SEL功能塊的作用是從多達(dá)4只測(cè)速探頭中選擇實(shí)際轉(zhuǎn)速，報(bào)告探頭轉(zhuǎn)速故障及速度丟失。2#加氫裂化裝置從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速探頭來的頻率信號(hào)SSA20163201A～E（如圖3-6）進(jìn)入PI卡經(jīng)過處理后，SSA20163201A＼B進(jìn)入該功能塊兩者高選計(jì)算透平轉(zhuǎn)速（r1SPEED）。另外SSA20163201C～E“三取二”進(jìn)行聯(lián)鎖報(bào)警。FAILSPD是故障轉(zhuǎn)速設(shè)定值，一般為200轉(zhuǎn)。任何轉(zhuǎn)速低于FAILSPD（200RPM）的探頭將被判定為FAIL，相應(yīng)的PUFL輸出置1，當(dāng)所有探頭轉(zhuǎn)速故障或者被禁止時(shí)，LOSTSPD輸出置1，速度丟失報(bào)警。

圖3-5 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速探頭配置

圖3-6 實(shí)際轉(zhuǎn)速選擇及故障判斷功能

4 速度PID 模塊（VPID02_01）

圖3-7 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)

VPID02_01功能塊的作用是將前述SRAMP04功能塊輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)定值作為PID運(yùn)算的給定值，將SPD-SEL模塊輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速作為測(cè)量值，經(jīng)內(nèi)部固化的PID算法運(yùn)算后，輸出4～20mA信號(hào)去調(diào)節(jié)透平調(diào)速閥門。該功能塊可設(shè)置控制器的正反作用；比例項(xiàng)作用可設(shè)置根據(jù)偏差（fERROR 置1）或根據(jù)測(cè)量的變化來計(jì)算；比例積分微分作用的使能以及多組P/I 參數(shù)設(shè)置的調(diào)整；根據(jù)所設(shè)置的不同模式，輸入的設(shè)定值及輸出值受最大最小范圍控制。此外，具備手自動(dòng)無擾動(dòng)切換功能，自動(dòng)時(shí)rMANUAL跟蹤rOUTPUT，手動(dòng)時(shí)rOUTPUT跟蹤rMANUAL。

4 調(diào)試

2#高壓加氫裝置壓縮機(jī)機(jī)組操作監(jiān)控軟件采用INTOUCH10.1。該監(jiān)控軟件通過DDE sever從控制器中讀寫過程數(shù)據(jù)，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和控制。下圖為調(diào)速監(jiān)控畫面。

圖4-1 汽輪機(jī)調(diào)速畫面

在該調(diào)速畫面根據(jù)不同用戶權(quán)限可以進(jìn)行手自動(dòng)控制切換、CCS＼就地盤切換、冷態(tài)＼熱態(tài)切換、超速＼運(yùn)行切換、手動(dòng)升降速、啟動(dòng)汽輪機(jī)軟按鈕、正常停機(jī)軟按鈕、PID參數(shù)設(shè)置、調(diào)整一級(jí)二級(jí)暖機(jī)時(shí)間、各個(gè)臨界區(qū)轉(zhuǎn)速上下限及爬坡速率、目標(biāo)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)際設(shè)定轉(zhuǎn)速以及實(shí)際轉(zhuǎn)速顯示等。該監(jiān)控軟件操作簡(jiǎn)易安全，調(diào)試方便人性化。

2#加氫壓縮機(jī)機(jī)組試車過程中總的來說比較順利，但是也出現(xiàn)了如下故障：

1.剛試車時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速探頭來的頻率信號(hào)SSA20163201A～E中，SSA20163201A轉(zhuǎn)速到4000多轉(zhuǎn)時(shí)突然飛升至13000多，導(dǎo)致超速停車，而SSA20163201B～E轉(zhuǎn)速正常。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是信號(hào)干擾導(dǎo)致，在PI端子板接線端增加一250歐姆的電阻抗干擾并且遠(yuǎn)離通訊工具后故障消除。

2.試車時(shí)感覺轉(zhuǎn)速偏高，用TK—3調(diào)校發(fā)現(xiàn)顯示轉(zhuǎn)速確實(shí)比實(shí)際轉(zhuǎn)速高，經(jīng)檢查是PI卡中齒輪比設(shè)置錯(cuò)誤，由30改為60后投用正常。

3.試車調(diào)速階段，二級(jí)怠機(jī)暖機(jī)時(shí)間已經(jīng)超過設(shè)定時(shí)間但未按程序進(jìn)入加速模式，經(jīng)檢查是工藝升速時(shí)儀表人員正在修改并整體下裝程序，各個(gè)模式轉(zhuǎn)速上下限恢復(fù)至“初始值”，重新按工藝實(shí)際要求填寫轉(zhuǎn)速范圍后恢復(fù)正常。

4.試車過程中，因參與調(diào)試和組態(tài)的儀表技術(shù)人員較多，常常出現(xiàn)不受控的程序下裝，卻不清楚誰更改了程序哪些內(nèi)容。為了杜絕安全隱患，對(duì)程序進(jìn)行分級(jí)管理。有效避免不受控的程序更改，提高了控制系統(tǒng)的安全性能。

5.試車階段，需要對(duì)設(shè)定值和邏輯不斷完善和修改，不可避免地要多次在線下裝程序，導(dǎo)致內(nèi)存碎片增加，使CPU運(yùn)行時(shí)間增長，在發(fā)生突發(fā)狀況或者下裝程序時(shí)，由于CPU占用大量資源，可能發(fā)生運(yùn)行錯(cuò)誤、死機(jī)等故障，因此在多次在線下裝后，就需要整體下裝一次。而裝置正常運(yùn)行時(shí)整體下裝會(huì)導(dǎo)致裝置失控，所以平時(shí)裝置正常運(yùn)行時(shí)盡量不修改設(shè)定值和程序，等待機(jī)組停車檢修時(shí)一并修改。

5 結(jié)論

ITCC控制技術(shù)在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用使得機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，提高了自動(dòng)化控制程度。各調(diào)速模式下速度上下限、PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置方便靈活，滿足了各種生產(chǎn)工況的要求。同時(shí)，其界面操作簡(jiǎn)單，易于工藝人員接受掌握。但是在系統(tǒng)維護(hù)和使用過程中也出現(xiàn)了各種各樣的問題，這就要求我們必須加強(qiáng)學(xué)習(xí)和溝通，以提高對(duì)ITCC系統(tǒng)的維護(hù)能力，使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定和可靠的環(huán)境下，為裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郎奎發(fā) ITCC機(jī)組控制系統(tǒng)培訓(xùn)材料

[2] 王學(xué)義 工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)問答 中國石化出版社

作者簡(jiǎn)介：

張玉梅（1975—），女，漢族，工程師，現(xiàn)就職揚(yáng)子石化電儀分公司。