乙烯制冷壓縮機組防喘振控制系統的改進

李志峰 于麗麗 楊發義 鄒春雨 王永幫

(中國石油遼陽石化公司，遼寧 遼陽 111003)

乙烯制冷壓縮機組防喘振控制系統的改進

李志峰 于麗麗 楊發義 鄒春雨 王永幫

(中國石油遼陽石化公司，遼寧 遼陽 111003)

分析離心式壓縮機組控制方案存在的問題，闡述乙烯制冷壓縮機組防喘振控制系統的改進方案及其實施過程。系統改造投運后，裝置自動化水平、適應性及可維護性等均得到了提高，實現了節能降耗的目的。

乙烯制冷壓縮機組 防喘振控制系統 CCC S5 Duplex Vanguard系統 GE RX7I PLC系統

中國石油遼陽石化公司乙烯裂解裝置是20世紀70年代初從法國引進的，其冷區工段有兩臺制冷壓縮機C-401、C-402用于循環制冷，配套乙烯年產量為9萬噸。為了配合乙二醇/環氧乙烷的擴能改造，將乙烯裂解裝置的年產量擴大到20萬噸，并對關鍵的制冷壓縮機組C-401、C-402進行了更換，但仍采用中壓蒸汽驅動的多段離心式壓縮機。然而在開車調試過程中發現，壓縮機組的防喘振控制系統和調速系統存在缺陷，不能有效保證裝置的安全運行。因此，筆者采用CCC S5 Duplex Vanguard系統和原GE RX7I PLC系統相結合的改造方案，在裝置大檢修期間實施，以實現機組的安全可靠運行。

1 離心式壓縮機組存在的問題

C-401、C-402制冷壓縮機組采用變轉速的方法進行工況調節，即通過改變壓縮機轉速來改變其運行工況點以適應工藝系統的要求。壓縮機不同的轉速均有與之對應的特性曲線，其主要參數如下：

C-401型號 CC30B6SS

透平速度 12 318r/min(NORM)

12 727r/min(RATED)

透平功率 1 266kW(NORM)

1 418kW(RATED)

C-402型號 CC50H6SS

透平速度 5 914r/min(NORM)

6 075r/min(RATED)

透平功率 4 909kW(NORM)

5 467kW(RATED)

C-401、C-402壓縮機組調速控制系統主要由兩個轉速傳感器(霍爾效應傳感類型的DSF探頭)、安全柵、軟件調速器(GE RX7I PLC)、WOODWARD電液轉換器、阻尼器、液壓執行機構(錯油門和油動機)和調節閥組成。防喘振控制系統在隨機組引進的GE RX7I PLC冗余系統內由軟件算法實現。該冗余系統可將調速控制系統和防喘振控制系統合為一個整體，并通過各種控制模塊之間的耦合和解耦運算實現壓縮機的控制功能。壓縮機組控制系統結構示意圖如圖1所示。

在開車調試過程中發現，兩套壓縮機組控制方案均存在如下缺陷：

a. 兩臺制冷壓縮機投運后存在的主要問題是，壓縮機防喘振控制系統在全循環狀態時喘振點工作在非安全區內，機組開工時無法正常關閉防喘振閥，必須人為手動強制關閉，存在極大的安全隱患。另外，在裝置達到95%負荷的情況下，防喘振閥仍有一定開度，增加了機組的能耗。

b. 透平機的電子調速系統存在問題，尤其是剛開車需要盡快將機組穩定下來時，調速系統無法實施自動升速，而一般手動升速一次僅提升5r/min。以C-401乙烯機組為例，從調速器動作(10 182r/min)到壓縮機正常運行(12 318r/min)，需要不間斷增加近2 000r/min，而手動操作在升速過程中至少需要10min以上的時間，在此期間還要不斷地人工對機組喘振閥、噴淋閥等進行調整，制約了機組的穩定操作。而且，每次開車過程中遇到機組波動時，都要花費相當長的時間來調整，造成大量的原料排放火炬，既嚴重浪費能源又對環境造成污染。

圖1 壓縮機組控制系統結構示意圖

c. 防喘振控制系統不穩定，抗干擾性差，經常出現階梯開閥響應，引起工藝出現較大擾動，尤其對段間溫度變化非常敏感，影響了裂解裝置的平穩運行。

d. GE RX7I PLC系統的人-機界面HMI防喘振控制面板為英文界面，操作人員操作困難，缺少人性化。

e. 性能控制與防喘振控制功能不夠清晰，兩者相互關聯，無法有效調節壓縮機性能。

2 改進的防喘振控制系統控制方案

2.1總體思路

針對壓縮機組投運過程中存在的問題，儀表技術人員和壓縮機廠家技術人員經過多次反復交流論證，在確保前期投資和施工時間的基礎上，盡量簡化現場施工量，確定的改進方案如下：

a. 在保持原GE RX7I PLC硬件系統和開車聯鎖邏輯不做較大改動的前題下，增設兩套CCC S5 Duplex Vanguard系統，分別實現乙烯和丙烯機(C-401、C-402)的速度控制、喘振控制與入口壓力控制，優化每臺機組的控制操作。確保CCC S5 Duplex Vanguard系統在機組達到最小轉速后，防喘振控制在PID作用下能夠自動投運。

b. 參與速度、性能和喘振控制的信號通過信號分配器在端子柜分為兩路，然后分別進入CCC S5 Duplex Vanguard系統和原GE RX7I PLC系統并參與相關的控制功能。CCC S5 Duplex Vanguard與GE RX7I PLC之間的停車、啟動及系統故障等關鍵信號則通過硬接線連接。

c. 保留原GE RX7I PLC系統在開車階段的全部功能，在暖機升速正常后，再將乙烯制冷壓縮機C-401、C-402的速度控制、入口壓力控制和一、二段防喘振控制回路由GE RX7I PLC系統無擾動切換到CCC S5 Duplex Vanguard系統，實現同時在兩個系統中的C-401、C-402機組速度控制、入口壓力控制一、二段防喘振控制，確保CCC S5 Duplex Vanguard系統具有單獨暖機升速的能力[1]。

d. 配置兩臺CCC TrainView II操作站，用于操作C-401、C-402機組，兩者具有互備功能，且其中一臺可作為工程師站使用。通過同時在CCC S5 Duplex Vanguard系統內進行現場實測乙烯/丙烯制冷壓縮機各段喘振曲線，對制冷壓縮機組實施安全、高效的防喘振和性能控制。

2.2改造實施過程

在2010年裝置大檢修期間完成的主要改造調試工作有以下幾點：

a. 原GE RX7I PLC系統中顯示的模擬輸入AI信號(段間壓力、流量、溫度信號)經過P+F一進二出安全柵分配器后，分出一路信號進入CCC S5 Duplex Vanguard系統。同時保留GE RX7I PLC系統原有的控制機柜、聯鎖邏輯功能和相應的操作畫面，對現場變送器的供電方式和控制室內的接線做相應的變更和調整。

b. 原機組的現場轉速傳感器(霍爾效應傳感類型的DSF探頭)保持不變，兩路速度檢測信號轉換成高速頻率信號后進入原GE RX7I PLC系統的高速脈沖輸入卡IC697HSC700和CCC S5 Duplex Vanguard系統的頻率輸入卡。采用將安全柵MTL5032的11(-)、12(+)端子并接的方式實現信號分配。

c. 原GE RX7I PLC系統的速度控制、喘振控制模擬輸出信號分別以硬連接的方式先接入CCC Vanguard系統的模擬輸入卡，與CCC S5 Duplex Vanguard系統內相應軟件控制器的輸出信號進行追蹤處后再通過CCC S5 Duplex Vanguard系統的模擬輸出卡以4～20mA模擬信號進入輸出電隔離安全柵，經驅動后輸出到現場執行機構(WOODWARD電液轉換器等)。

d. 壓縮機組在開車暖機升速過程中，仍以GE RX7I PLC系統為主，CCC S5 Duplex Vanguard系統僅監視運行信號是否干預GE RX7I PLC系統的開車過程。當機組達到最小轉速后，通過輔助操作臺上的手動按鈕來實現CCC S5 Duplex Vanguard系統控制器對過程輸出信號的接管，以軟件切換的方式實現模擬輸出信號的單向無擾動切換。

e. GE RX7I PLC系統負責機組的啟動，在啟動前GE RX7I PLC系統的防喘振和性能控制器應投在“手動”狀態，操作臺上的硬切換開關全部打在“GE控制”位置，操作員需要確認此時防喘振閥全開。同時，操作員需要復位CCC S5 Duplex Vanguard系統，確保從CCC S5 Duplex Vanguard系統輸出到GE RX7I PLC系統的ESD信號已復位，GE RX7I PLC系統所有啟動允許條件均處于OK狀態。從GE HMI上啟動壓縮機，當機組升速到最小控制轉速后，喘振閥仍全開，此時操作員需要啟動CCC S5 Duplex Vanguard系統，驗證CCC S5 Duplex Vanguard系統的速度控制器跟蹤GE速度信號，然后操作員把操作臺上的硬切換開關切換到“CCC控制”位置，由CCC S5 Duplex Vanguard系統進行機組的性能和防喘振控制。

f. CCC S5 Duplex Vanguard系統負責機組的正常停機，按照原GE RX7I PLC系統設計的停機參數來組態速度控制器，確保機組能安全停機，避免機組在臨界轉速區產生振動。當機組轉速下降到暖機轉速1 500r/min(1st暖機速度)時，CCC速度控制器產生一個跳閘信號，通過ESD信號輸出到GE RX7I PLC系統進而跳閘停機。

g. GE RX7I PLC系統全面負責所有的安全聯鎖停機(如超速保護、振動/位移等)，生產過程異常發出緊急跳閘停機信號的同時輸出硬線連接的ESD信號(通斷信號)到CCC S5 Duplex Vanguard系統，進而跳閘CCC速度控制器并全開防喘振閥(軟件實現，非電磁閥硬件實現)，通過ESD信號來確保兩套系統的協調工作。需要注意的是，在開車過程中必須在30s之內達到100r/min以上，否則系統速度控制器將啟動停機聯鎖。

3 使用效果

針對開車期間工藝的復雜性，CCC S5 Duplex Vanguard系統優化了喘振控制、性能控制和回路間的解耦控制，消除了壓縮機的喘振威脅。尤其對于工藝裝置開工初期的喘振，減少了低負荷下壓縮機的回流量，消除了劇烈工藝擾動造成的壓縮機入口流量突變和裝置波動或停工。同時，為了克服裝置運行中的工藝生產擾動，使用了入口壓力限制控制、POC控制和出口壓力POC控制，以防止由于工藝擾動造成入口分液罐和壓縮機損壞，防止出口超壓造成的工藝波動或停車[2]。CCC S5 Duplex Vanguard系統在確保透平機組與工藝流程可用性的同時，還可以將計劃外的停車時間降至最小，即使在工藝擾動下，CCC S5 Duplex Vanguard系統的解耦控制、前饋控制及壓力超馳控制等先進控制亦可增加工藝流程的穩定性。

原壓縮機組防喘振控制系統在全循環狀態時喘振點工作在非安全區內，開工時無法正常關閉防喘振閥，即使正常全負荷工作時，多數防喘振閥也無法全關，部分防喘振閥甚至有20%左右的開度，極大地消耗了裝置的能源。為解決此問題，在查閱壓縮機廠家基礎設計文件的基礎上，重新核算了每個流量測量元件的性能曲線、防喘振閥性能曲線和壓縮機喘振線，對原曲線增加了折線點，保留了適當的控制裕度，并在確保機組設備安全的情況下，現場進行了實測喘振曲線，最終達到了全部關閉喘振閥和節能降耗的設計目標。

硬件開路檢測功能能夠判斷現場回路是否故障，同時每個Conditioning Module中設有熔斷器，使得每個信號回路都能夠在線維護。由于系統采用的是在變送器輸入失常后仍可繼續運行的保退控制策略，因而可使系統的可用性和可靠性得到提高，降低了故障停機率。同時，在現場實踐中每個I/O通道都可以進行仿真模擬(無現場信號時可由計算機輸入仿真信號)，即當機組運行過程中有現場信號故障而該信號未設置旁路開關時，模擬功能可以將該信號旁路維持機組運行，從而在線維修現場故障。在實際運行中維護現場儀表時，經常發生因測量孔板結焦而導致的流量下降，此時必須現場排放處理引壓系統，以保證機組的正常運行。

制冷壓縮機組控制系統改造投運后，全面提高了裝置的自動化操作水平，實現了機組轉速全自動升速控制，縮短了開工時間，減少了開車過程中的火炬放空。防喘振閥可以隨工藝負荷和條件做自動調整，能夠在開車初期即投入自動運行，并最終關閉，縮短了裝置開工穩定的過渡時間，極大地減少了操作員的工作量。同時，全面提高了壓縮機運行的可靠性，降低了機組和工藝的停車率。

4 結束語

制冷壓縮機組防喘振控制系統自改造投運后一直運行平穩，該方案既充分利用了原GE RX7I PLC系統的硬件優勢，節省了成本，又充分發揮了CCC S5 Duplex Vanguard系統在壓縮機組防喘振控制技術方面的技術先進性。在工藝多次出現較大波動的情況下，系統能夠自動開關防喘振閥門，無需人工介入，避免了裝置非計劃停車，且調試時間較短，簡化了現場接線，提高了可靠性。實踐證明，該系統改造方案功能完整、安全實用。

[1] 翁剛,李志峰,鐘相奎.兩臺不同功率裂解氣壓縮機并聯控制系統研究[J].石油和化工設備,2009,12(3):27～28.

[2] 于慶紅.裂解氣壓縮機控制系統節能技術改造[C].第十六次全國乙烯年會論文集.北京:全國乙烯工業協會,2010:128～133.

TH45

B

1000-3932(2016)11-1216-04

2016-05-11(修改稿)