HT-L合成工段壓縮機組控制系統的升級改造與利用

張 成，代曉鵬

(新疆中能萬源化工分公司，安徽臨泉 236400)

新疆中能萬源化工有限公司(以下簡稱新疆中能)400 kt/a合成氨、600 kt/a尿素裝置中的合成氣壓縮機組、氨冰機組、CO2壓縮機組等是2013年從九江石化拆遷過來的，3套壓縮機組均是1993年生產制造的。以合成氣壓縮機為例概述對舊設備的改造利用，該壓縮機拆遷過來后所用控制系統為日本橫河就地控制系統，已遠遠滿足不了自動化生產的需要。為此，新疆中能一方面優化現場儀表的測量，另一方面對該壓縮機的控制進行了升級改造，選用了國產的和利時T880高端透平壓縮機一體化控制系統。該汽輪機拖動壓縮機的主要控制內容有聯鎖停車邏輯、啟動允許邏輯、汽輪機速度控制、壓縮機防喘振控制與保護、多回路協調控制與解耦控制等，技術人員克服了在舊壓縮機組改造過程中遇到的困難，目前該合成氣壓縮機運行較果較好。

1 改進現場儀表測量，提高儀表的穩定性

由于該合成氣機組是拆遷的舊機組，在實際的生產運行中很多測溫點存在問題：①部分測溫點內部線纜磨損，造成測溫點損壞。測溫點損壞后，一方面該點測量無法顯示，給機組的安全運行帶來很大隱患；另一方面，如果是單點聯鎖的儀表，易引發機組跳車，造成部分裝置的跳車。②測溫點探頭固定不合理，造成了測溫點探頭的損壞，增加了儀表的故障率。針對上述2個問題，進行了相應的改造。

(1)對于測溫點內部存在線纜磨損的，重新對測溫線路走向進行布局，原先熱電阻的引線在推力瓦軸瓦與推力瓦護罩之間，推力瓦護罩內導線槽窄小，而熱電阻的引線是順著導線槽布局的，使熱電阻的引線無法固定，易造成引線磨損，現改為在推力瓦擋油環側面開缺口，并且有一定的坡度，使得熱電阻的引線順著切開的部位，從擋油環外側布線；同時，在擋油環上開口攻絲，用螺釘和卡箍固定測溫引線，解決了測溫點內部線纜磨損的問題。

(2)對于測溫點探頭固定不合理，經分析認為：①軸瓦測溫點填裝孔較淺且探頭插入無固定，易從填裝孔脫落，造成軸瓦溫度測量不準，并且探頭脫落極易和瓦塊發生摩擦，使測量的軸瓦溫度失真，同時造成探頭和瓦塊的磨損。對瓦塊填裝孔進行了改造，填裝孔直徑由原來的2.5 mm 擴大至3.2 mm，深度由15 mm加大至18 mm，使探頭插入深度更合理。②推力瓦的瓦塊振動頻率高，造成電阻頭引線與瓦塊之間的摩擦增大，極易造成電阻頭引線磨損，使得阻值變化，引起測量不穩甚至損壞，在探頭后部的延長線外裝黃蠟套管,以減少瓦塊邊緣對線體磨損，再用102膠對填裝孔進行填充,使探頭固定在瓦塊內，這樣溫度探頭不會脫落，降低了故障發生率。③對于單點聯鎖的儀表測溫點，在現場進行了增加開孔，并在機組的控制邏輯中進行了改進。

通過上述改進，現場儀表測溫點故障率大大降低，為裝置的安全穩定運行提供了強有力的保障。

2 改進邏輯控制方案，保障設備的長周期穩定運行

該合成氣機組從九江石化拆遷過來后，儀表原始資料缺失較多，未有邏輯組態資料和各種接線說明，給機組的改造帶來了很大難度。為解決此問題，新疆中能項目組技術人員根據檢修時掌握的該合成氣壓縮機組的測點配置和控制情況，初步定下了機組的邏輯控制。

裝置開車運行后，為提高機組的運行時間、減少跳車次數，在現場對單點聯鎖的儀表點進行了測點增加，同時在跳車聯鎖邏輯中將部分單點聯鎖跳車改為了二選二聯鎖跳車。改進后，有效減少了因儀表測點造成的損失，杜絕了因儀表出現假數據而造成的機組跳車。

3 優化控制方案，提高資源的利用率

3.1 優化機組調速控制，并投入抽汽控制

由于蒸汽管網內所需要的0.6 MPa蒸汽較多，而傳統的0.6 MPa蒸汽是將鍋爐10 MPa的蒸汽經減溫減壓得到，這樣就造成了資源的極大浪費。從九江石化拆遷的合成氣壓縮機組帶有抽汽控制，而該機組按性能設計計算，抽出的蒸汽壓力約0.7 MPa，可以并入蒸汽網管內。因此，提升自動化控制能力，可提高資源的轉換利用。機組的速度控制器面板、抽汽控制器面板示意見圖1和圖2。

圖1 速度控制器面板示意

圖2 抽汽控制器面板示意

在優化控制的過程中，對該機組的抽汽壓力、抽汽溫度、抽汽流量等三大重要測量參數進行校準，保證測量的準確性，為低調門抽汽控制提供可靠的測量參數，然后對低調門進行了校準，確保低調門動作及時、控制精細。對該機組的調速控制進行優化，改進后具有以下的優點：

(1)工藝操作、顯示面板簡單明了。顯示實時轉速、設定轉速、閥門開度輸出、實際控制模式的工作狀態等，控制按鍵包括ESD、復位、暖機1、暖機2、啟動、停透平、超速實驗等(見圖1)。

(2)具有開環啟動與沖高回落功能，且設置方便。速度控制器啟動后，處于自動開環啟動狀態，實際控制模式顯示為自動開環啟動(見圖2)。速度控制器輸出OUT值將以每秒鐘1%的開環升速率開調速閥，當輸出OUT值到達14%(約20 s)時，輸出保持在14%。在開環啟動過程中，轉速PV值達到300，調速PID立即自動接管(無論輸出OUT值是否達到20，都將執行PID接管)，輸出OUT值立即變為PID初始接管輸出7%，調速PID根據轉速SP值與PV值之差，自動調整調速汽門開度。如果在延時時間60 s內，轉速PV仍未達到最小控制轉速，則調速器關閉，實際控制模式顯示變為ESD/啟動不具備狀態，保障了機組安全啟動。

(3)自動暖機和半自動暖機切換靈活，操作人員可以在暖機狀態下，根據工藝狀況靈活地進行操作。

(4)為節約能源，進行了抽汽控制方面的優化。改進后，操作人員在合成氣壓縮機組達到額定轉速、運行平穩后，逐漸關閉低調門，將抽汽壓力控制在0.7 MPa左右，然后將抽汽控制投入自動，進行自調，這樣既得到了0.7 MPa蒸汽，節省了消耗，又能使速度控制器和抽汽控制有效進行自動控制，最大限度地減輕人員的勞動強度。

3.2 防喘振采用快速階梯響應、變送器故障與退守策略等先進算法

機組防喘振的良好運行是保障壓縮機安全、工藝平穩與優化運行的核心。傳統的防喘振控制采用簡單的PID和簡單的補償算法，一是不能有效補償入口壓力Ps、入口溫度Ts、相對分子質量Mv變化等對喘振極限線SLL、喘振控制線SCL和運行點造成的影響；二是一旦發生喘振，需要將自動改為手動，否則在自動模式中將會發生發散振蕩；三是很多現場閥門長期回流/放空，會造成巨大的能源浪費。合成氣機組經改造后，徹底解決了上述問題和不足。

(1)自動啟動與加載

防喘振控制器具有自動啟動與加載功能，當機組控制系統檢測到自動啟動與加載條件成立，則防喘振控制器輸出根據組態的工程數據進行斜坡慢關，防喘振閥門逐漸關閉，使壓縮機逐漸進入加載狀態[1-2]。在加載過程中，防喘振控制器持續檢測運行點與喘振控制線之間的距離，并進行必要的控制與保護，保證加載過程平穩進行，最大限度地提高壓縮機組的開車工藝操作水平。防喘振控制器面板示意見圖3。

圖3 防喘振控制器面板示意

(2)防喘振控制與保護

防喘振控制與保護功能的主要目的是避免壓縮機因發生喘振對設備造成嚴重的損壞和對工藝操作造成巨大的擾動。防喘振控制采用先進的基于無關坐標算法，即用于壓縮機控制的喘振極限線SLL的計算與氣體相對分子質量Mw、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口氣體比熱比Ks和入口氣體壓縮因子Zs等無關，只與壓縮機本身的內部機械構造有關。使用無關坐標系算法得到歸一化的壓縮機喘振極限線，防喘振控制算法采用基于無關坐標系的5條計算控制曲線(見圖4)，結合了閉環主PI控制響應和開環階梯保護響應，使得壓縮機在運行中無論是遇到一次緩慢的降負荷過程擾動，還是遇到由于工藝設備異常工況造成的劇烈擾動，都能夠迅速、準確地增加壓縮機的流量、保護壓縮機始終工作在安全區域[3-4]。同時，由于采用先進準確的基于無關坐標系的防喘振控制算法，使得壓縮機的回流流量或放空流量保持在最低水平，從而降低了能量消耗。

圖4 防喘振控制算法得到的控制曲線

(3)操作模式的切換與退守策略

防喘振控制器有自動、軟手動和硬手動等3種操作模式，能滿足不同運行工況下的控制需求，3種控制方式可無擾動進行切換。在自動運行模式下，防喘振控制器自動檢測運行點與各條控制線之間的距離和位置關系，從而自動進行必要的防喘振控制與保護動作；在軟手動操作模式下，操作員可手動控制防喘振閥門的開度，可人工調節工藝參數，在軟手動模式下，當運行點碰觸快開線FOL時，防喘振控制器由手動運行模式自動切換到自動運行模式，保證了壓縮機的安全運行；在硬手動操作模式下，不論運行點在什么位置，硬手動操作相當于完全解除了防喘振控制與保護功能，硬手動的操作是當防喘振控制器檢測到變送器故障并執行輸出凍結而自動觸發的。變送器故障的退守策略，最大限度地保障了系統的安全穩定運行，避免因防喘振測點儀表故障而造成不必要的停車。

以基于無關坐標系的變工況算法和防喘振控制技術，突破了多年來傳統使用的固定工況壓縮機的防喘振算法，將壓縮機的控制提到了全新的高度，為壓縮機優化運行帶來了切實的好處，機組自動投入運行以來，運行狀況良好，既降低了操作人員的勞動強度，又提高了資源的利用率。

4 經濟效益分析

(1)因為合成氣壓縮機儀表點誤跳車，1次開、停車需要費用14萬元，按1年減少2次聯鎖點誤跳車計算，則每年可節約費用28萬元。

(2)合成氣壓縮機投抽汽后，可節約低壓蒸汽13 t/h，按低壓蒸汽40元/t、高壓蒸汽80元/t、有效生產時間340 d計，則每年可節約成本424.32萬元。

(3)現場儀表測溫點改進后，減少了測溫點的損壞，按每個測溫點2 000元計算，每年少損壞10個點，則每年可以節約費用2萬元。

(4)每年節約成本合計454.32萬元。

5 結語

目前，已將該改進技術應用到新疆中能氨壓縮機組、二氧化碳壓縮機組中。該技術應用后，一方面減少了因機組儀表點本體故障造成的機組誤停車，延長了現場儀表的使用壽命；另一方面，優化機組邏輯控制系統后，減少了裝置的聯鎖誤跳車次數，提高了自動化控制能力，方便操作。同時，機組投抽汽后，提高了蒸汽利用率，節約了能源，取得了很好的經濟效益，有利于機組的穩定運行。