透平壓縮機綜合控制系統的應用

韓權濤

(河南能源化工集團永城永金化工有限公司 河南永城 476600)

透平壓縮機綜合控制系統的應用

韓權濤

(河南能源化工集團永城永金化工有限公司 河南永城 476600)

概述了透平壓縮機綜合控制系統的軟件和硬件，介紹了透平壓縮機綜合控制系統的控制功能。透平壓縮機綜合控制系統先進的控制理念和控制方式為壓縮機機組的可靠運行提供了保障，其可靠性和經濟性以及維護的方便性完全滿足了使用要求。

透平壓縮機；綜合控制系統；速度控制；防喘振控制

1 透平壓縮機綜合控制系統簡介

在壓縮機機組的傳統控制方案中，采用PLC控制與DCS控制相結合的方式，中間通過通訊來實現數據的傳輸，存在反應速度慢、穩定性差的缺陷，從系統維護以及經濟方面考慮，其弊端較大，故透平壓縮機綜合控制(Integrated Turbine/Compressor Control，簡稱ITCC)系統已成為當前壓縮機機組控制的主流發展趨勢。

河南能源化工集團永城永金化工有限公司(以下簡稱永金化工公司)乙二醇裝置中的2套大型壓縮機機組均選用了美國TRICONEX公司的ITCC系統——TS3000系統，其三重化冗余容錯硬件和豐富靈活的應用軟件為機組控制的可靠性和功能的豐富完善性提供了堅實可靠的基礎，自身的升速程序取代了傳統的505調速器，防喘振控制系統設計獨特，SOE順序事件記錄更是給機組判斷問題和事故帶來了極大的方便，從而確保了乙二醇裝置的長周期安全穩定運行。

2 系統硬件和軟件

TS3000系統的硬件核心是基于三重模件冗余容錯(TMR)結構的容錯控制器——TRICON系統。TRICON系統有3個主處理器，其工作方式為3- 2- 1- 0或3- 2- 0，系統中所有輸入和輸出信號都要經過三取二進行表決[1]。

系統硬件包括控制柜(控制器3008、通訊卡、I/O卡、安全柵、繼電器、接線端子等)、電源柜、操作站、通訊裝置、通訊電纜等，軟件包括下位機組態軟件Tristation 1131和上位機監控軟件INTOUCH，下位機軟件與上位機軟件通訊通過DDE軟件來實現數據交換。TS3000系統控制方案示意如圖1所示。

圖1 TS3000系統控制方案示意

3 系統對機組的控制

3.1 控制功能

ITCC系統主要針對大型壓縮機機組進行控制，相當于一套大的容錯的PLC系統，其控制點數適當，軟件和硬件可靠，反應速度為毫秒級，很好地解決了國內壓縮機操控的難題。ITCC系統對機組的主控制主要包括開車允許啟動系統、油路系統、工藝氣路系統、蒸汽系統、調速系統、防喘振系統、機組保護系統、通訊系統、自診斷系統等。

3.2 機組速度控制

機組的開停車主要是對其升降速進行控制，速度信號來自脈沖輸入卡。脈沖輸入卡三路信號經各自處理后將數據傳給主處理器，并在被處理之前進行表決，從而保證了高度一致。任何一支路都進行不斷診斷，任何一次診斷失敗都會激發卡件的FAULT指示燈亮，然后再激發機架指示燈亮。FAULT指示燈亮表明卡件支路有故障，卡件有單點故障存在時仍能保證正常工作。脈沖輸入卡支持熱插拔備件功能，并要求有1個獨立的ETP終端。

速度信號經PI卡傳至ITCC系統顯示后，其下位機組態軟件Tristation 1131通過機組供應商提供的升速曲線進行編程，控制輸出標準的電流信號至電液轉換器，電液轉換器將標準的電流信號轉換成二次油壓信號，二次油壓控制錯油門使一次油壓走不同的通道以控制主氣門的開度，最終通過調整蒸汽輸入量來控制機組的轉速。

在機組升速啟動過程中，下位機組態軟件Tristation 1131通過定義方式控制升速過程，并由上位機監控軟件INTOUCH進行直觀顯示。合成壓縮機組的控制程序共定義了7種方式，方式一為停機狀態，方式二為暖機(0～1 200 r/min)，方式三為暖機(1 200～1 800 r/min)，方式四為升速(1 800～4 559 r/min)，方式五為運行(4 559～6 383 r/min)，方式六為正常停車，方式七為超速試驗(目標轉速7 090 r/min)。機組的啟動程序是根據汽輪機供應商提供的汽輪機性能曲線并通過下位機組態軟件Tristation 1131進行定義，調速器控制輸出程序，主要由VPID功能塊來完成。

3.3 機組防喘振控制

喘振現象是機組非正常情況下的一種工況，其破壞程度特別大，可使監測儀表失靈、破壞機組安裝質量、損壞機組設備，進而造成停車等嚴重事故。防喘振控制可防止機組進入喘振區，一旦機組將要發生喘振，程序會自動打開防喘振閥來避免喘振的發生。

機組投入運行后，TRICON系統將根據壓縮機的入口流量、入口壓力、出口壓力及相應溫度，利用獨特的防喘振技術來判斷是否會發生喘振。如會發生喘振，則由防喘振控制器的輸出值來調節防喘振控制閥。壓縮機的喘振點可由壓比(Pd/Ps)及入口流量表測得的入口流量計算得出，入口流量的測量值與出口壓力Pd、入口壓力Ps、出口溫度Td、入口溫度Ts等用于計算等價孔板值h(該孔板可視為位于壓縮機入口)，進而可作出喘振預測[2]。

TRICON系統的防喘振控制器將壓縮機氣路出入口流量、出入口壓力、出入口溫度等參數通過自身的模塊來整定及運算，實現了很好的控制功能，滿足了實際需要。

防喘振調節有3種模式，即手動模式、半自動模式和自動模式。手動模式是人為調整防喘振閥開度，系統不自動調節，但由于人反應比較慢，一般還未來得及操作就已經發生了喘振。半自動模式是系統和人為操作同時進行，防喘振閥開度實際輸出值取手動和自動輸出的高值，人為輸入閥位只能大于自動輸出，其安全性較高。自動模式即系統自動判斷是否會發生喘振，從而自動控制防喘振閥開度以消除喘振。正常運行時，防喘振調節是不允許打手動模式的，運行時只能打在自動或半自動模式。防喘振控制曲線如圖2所示。

圖2 防喘振控制曲線

由圖2可以看出：喘振線下移10%為防喘振線，虛線為喘振線下移7%。在防喘振控制中，純比例控制是指工作點進入虛線時開始打開防喘振閥，工作點在喘振線上時全開防喘振閥。喘振PID控制是指實際工作點突然左移，給定工作點會自動跟蹤實際工作點但不會越過防喘振控制線，并增大防喘振閥的開度，此時實際工作點會向右移，給定工作點與設定工作點最大允許偏差為5%。在自動以及半自動模式下，手動輸出自動跟蹤防喘振控制程序輸出值；在手動模式下，防喘振PID控制輸出值和純比例控制輸出值自動跟蹤手動輸出值，但比手動輸出值低3%。每發生1次喘振，防喘振線下移2%，最多允許下移5次(10%)。喘振原因查明并處理后，按ITCC畫面上“喘振復位”按鈕，防喘振線下移復位，如問題較嚴重，則需重測喘振線；若不按“喘振復位”按鈕，將采用下移后的防喘振線。

為了防止與消除喘振現象，就必須通過調整機組的運行參數及控制程序來解決。入口流量減少是發生喘振的根本原因，一旦入口流量減少就會出現打不上壓，從而導致出口壓力降低而發生倒流現象，一般在開車過程中全開防喘振閥和放空閥。根據壓縮機性能曲線，控制防喘振安全裕度，防喘振系統在正常運行時應投自動或半自動模式。升速、升壓之前一定要事先查閱壓縮機性能曲線，選好下一步的運行工況點，根據防喘振安全裕度來控制升壓和升速速率。防喘振安全裕度是在一定工作轉速下，正常工作流量與該轉速下喘振流量的比值，一般正常工作流量應比喘振流量大1.05～1.30倍[3]。雖然防喘振控制通過程序來實現，但也離不開操作人員的操作經驗及日常機組運行參數的調整，須經常巡視防喘振控制曲線，及早發現異常情況并及時預防解決。

4 維護經驗

永金化工公司在試車工程中，由于施工單位調試完畢后關閉了DDE軟件，導致機組在暖機過程中出現溫度和壓力信號無變化。其主要原因是DDE軟件是連接下位機組態軟件Tristation 1131和上位機監控軟件INTOUCH的通訊軟件，如果操作畫面打開、DDE軟件關閉，則上位機監控軟件處于保持狀態，數據不會實時更新。因此，上位機監控軟件INTOUCH運行時必須打開DDE軟件。為便于操作，將程序設置成只要上位機監控軟件INTOUCH運行，DDE軟件同時打開。

操作站在運行過程中，由于電腦長時間運行出現了系統死機后無法啟動的問題，重裝系統后所有軟件都必須重新安裝，檢查運行軟件時發現SOE記錄與電腦時間不一致。經查，本系統是從美國進口的，電腦時間必須設置成太平洋時區(美國和加拿大)。電腦時區修正后，SOE記錄與電腦時間一致。由于操作站系統需要安裝不少軟件，為了避免電腦重裝系統及應用軟件的麻煩，對操作站系統進行了備份，一旦出現問題后只需恢復備份即可。

在故障診斷方面，ITCC系統有診斷軟件(Enhanced Diagnostic Moniter)，一般的硬件故障可通過打開診斷軟件找到相應的地方進行清除。如果故障清除不了，首先收集事件，再看故障出現的問題，如果是主處理器故障，由于主處理器是三重冗余，可直接在線更換，然后根據收集的故障信息再進行維修；如果是輸入輸出卡件故障，因每個通道都有2個卡槽，先將備卡插至另一個卡槽，運行正常后將故障卡取下進行維護。

5 結語

采用ITCC系統是壓縮機控制系統發展的必然趨勢，其先進的控制理念和控制方式為壓縮機機組的可靠運行提供了保障。通過幾年的實際運行，其可靠性和經濟性以及維護的方便性完全滿足了使用要求。

[1] 薛健麟，楊軍.TRICONEX- TS3000系統在40萬t大甲醇機組控制中的應用[J].瀘天化科技，2006(2)：130- 135.

[2] 石長旭，張立麗，秦嵐.透平壓縮機防喘振控制的實現[J].自動化與儀表，2009(7)：5- 9.

[3] 劉慧杰，劉瑩，劉慧民，等.壓縮機喘振問題研究[J].化工設計通訊，2008(1)：38- 41.

ApplicationofIntegratedTurbineCompressorControlSystem

HAN Quantao

(Yongcheng YongJin Chemical Co., Ltd., Henan Energy and Chemical Industry Group Co. Ltd., Yongcheng 476600, China)

The software and hardware of integrated turbine compressor control system are summarized, and its control functions are presented. The advanced control concept and control method of integrated turbine compressor control system provides guarantee for reliable operation of compressor unit, and its reliability, economy and convenience of maintenance can fully satisfy operating requirements.

turbine compressor; integrated control system; speed control; anti- surge control

韓權濤(1982—)，男，河南能源化工集團永城永金化工有限公司檢修車間儀表主任工程師；hqt7018@163.com

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