480萬噸/年催化裝置三機組防喘振控制技術研究

張 琦

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

壓縮機在工作過程中，當進入葉輪的氣體流量小于機組該工況下的最小流量限時，或系統壓力升高大于壓縮機出口壓力時，管網氣體會倒流至壓縮機；當壓縮機出口壓力大于管網壓力時，壓縮機又開始排氣，氣流會在系統中產生周期性震蕩，具體體現在機組連同他的外圍管線一起會做周期性大幅震蕩，并發出“哮喘”或“吼叫聲”，這種現象稱為喘振[1]。

1 引起喘振的原因

系統壓力升高。系統壓力大于壓縮機出口壓力，使壓縮機出口流量降低至喘振流量以下，氣體倒流回壓縮機，引起喘振。

介質密度發生變化。壓縮介質突然發生大幅度變化，在一定轉數下，引起出口壓力及排氣量下降，氣體倒流回壓縮機，造成壓縮機出口流量低于喘振流量，引起喘振。

2 防喘振控制策略

目前工業生產上主要采用固定極限流量控制方案和可變極限流量控制方案兩種：前者是使壓縮機的入口流量始終大于最高轉速下的臨界流量，從而避免進入喘振區運行，但是這種方案在低轉速時流量的裕度大，能耗很高。后者是使控制器的設定值隨轉速的變化而做相應變化，即根據測量值與設定值的偏差，由防喘振控制器去打開或關閉防喘振閥來防止喘振的發生，確保壓縮機的正常運行。惠州石化二期480 萬噸/年催化裂化裝置采用ITCC 系統來實現主備風機的防喘振控制。防喘振控制邏輯通過設置喘振線、喘振控制線，根據壓縮機喉部差壓、入口壓力、出口壓力及相應的溫度計算工作點和安全裕度。利用TRICONEX 獨特的防喘振算法[2]來判斷是否發生喘振并根據工作點和安全裕度快速地進行防喘振控制。準確計算喘振線和工作點，是防喘振控制的基礎。本機組利用主風機喉部差壓與入口壓力的比值h/Ps 百分數作為橫坐標，出口壓力與入口壓力的壓比Pd/Ps 為縱坐標繪制喘振線，有了喘振線和工作點才能計算安全裕度和工作裕度，從而進行防喘振控制。

圖1 喘振線Fig.1 Surge Line

3 防喘振控制特點

本機組的防喘振控制系統可以利用圖2 形象地表達出來，每一個模塊都定義一種具體的控制功能，各種控制功能相互作用，構成一套完整的防喘振控制系統。

本機組選定了壓比控制算法繪制喘振線，根據喘振線及喘振安全裕度（橫坐標間距20%）得到防喘振控制曲線，如果系統檢測到工作點越過喘振線，表示喘振已發生，控制線將自動右移2%，一共可以右移5 次，即安全裕度可擴大至30%，通過點擊上位機防喘振控制畫面上的復位按鈕，可以使控制線復位至初始位置，校準次數歸零。在工作點左側有一個設定點，組成一條設定點浮動線（后面稱為下移線），該下移線的移動范圍是左側與控制線重合起，右側距控制線20%為止，移動原則為在該區域內與工作點始終保持5%的偏差（PV-SP=5%），特別說明，即使發生喘振導致控制線右移，但下移線還是以原控制線的位置作為跟蹤范圍的終點。

例如：機組在異常工況下可出現工作點小幅但快速向喘振區移動的情況，該速率大于下移線的跟蹤速率，當工作點發生該工況的位置在控制線右側20%的區間內，控制器會立即打開防喘振閥，恢復過程中防喘振閥慢關，最后建立新的工作點。當工作點發生該工況的位置在控制線右側20%的區間外，則防喘振控制器不起作用。

圖2 防喘振模塊方框圖Fig.2 Block diagram of anti-surge module

注：Surge Line-喘振線；Control Line-喘振控制線；Control Setpoint-設定點浮動線；Current Operating Point-當前工作點；Hover Setting-跟蹤區間（橫坐標5%）。圖3 防喘振實時趨勢圖Fig.3 Anti-surge real-time trend

該系統提供了3 種控制模式：完全手動模式、半自動模式和全自動模式。完全手動模式下，防喘振控制器不起作用，防喘振閥只接受手動輸入的閥位，該模式只能在機組調試、校驗和開機初期使用；全自動模式下，機組的防喘振功能完全由防喘振控制器及純比例控制器的高選值決定，手動輸入閥位無效，在該模式下，機組的工作點將處在臨界狀態的邊緣，為工藝操作帶來更低的能耗，但是突發異常工況會存在安全風險；半自動模式為機組正常運行時的模式，該模式下，防喘振閥的輸出信號為純比例控制器輸出、PID 控制器輸出和手動輸出值中的最高值。

上文中提到的純比例控制器，獨立于PID 控制器，它可以提供足夠快的響應，強制打開防喘振閥。該系統中設定為當工作點越過防喘振控制線后，繼續左移至安全裕度的30%處（在控制線左側橫坐標6%處），純比例控制器開始起作用。實際上，發生喘振的整個過程中，PID 控制器和純比例控制器同時發揮作用，防喘振閥的動作決定于二者中的高輸出值，即使純比例項介入，也可能出現PID控制器比純比例更快的情況。

上面說到防喘振閥有“快開慢關”的特點，這是防喘振控制器提供的一種適應性增益特性和非對稱響應特性。“快開”是當工作點越過控制線右方20%時，通過PID 控制器參數的適應性整定的DUMP 輸出可打開大功率電磁閥實現防喘振閥的快開；“慢關”是當工作點在控制線右方20%右側時，由STRAIGHT RAMP 功能限制了防喘振閥的關閉，類似于變送器在組態時改變阻尼時間一樣，以設定好的速率慢關，保證機組調整到新的工作狀態。

圖4 防喘振控制操作界面Fig.4 Anti-surge control operation interface

圖5 防喘振閥輸出高選Fig.5 Anti-surge valve output high selection

4 相關軟硬件

防喘振系統使用的Tricon 控制器由3 個安全相同的系統通道組成。每個系統通道獨立地執行控制程序，與其它兩個通道并行工作。硬件表決機制則對所有現場的DI/DO 進行表決和診斷，AI/AO 則取中值處理。該系統包含了3721（AI）、3805E（AO）、3503E（DI）、3625（DO）、3511（PI）5 種卡件[3]，每個I/O 卡件都有3 個微處理器，可實現過濾、診斷、修復和熱備等功能。機架內的I/O 卡件通過三重的RS-485 雙向通訊口連接，3 個主處理器通過一個專用的Tribus 高速總線系統通訊，保證了設備的容錯能力。

圖6 Tricon主機架Fig.6 Tricon Main frame

控制器中的邏輯程序是由軟件TriStation_1131 編程下裝的，主處理器和通訊模件一起工作，給Tricon 系統提供SOE 能力。在每次掃描中，主處理器檢查指定的被稱作事件的離散變量的狀態改變。當一事件發生時，主處理器把變量的當時狀態和時間標簽保存在一個稱作緩沖器的存儲區域內，緩沖器是SOE 塊的一部分。可以用TRISTATION 1131 對SOE 塊進行組態，SOE 事件記錄器可以獲得事件數據，實時監控系統的各種動態。操作人員對CCS 系統進行監控和操作的界面是由Wonderware 公司推出的Intouch 組態軟件完成的，使用硬件狗將Intouch 授權后，技術人員通過該組態軟件將抽象的邏輯程序以生動的圖像，鮮明的色彩展現在計算機上，操作員可以監控機組運行狀態，通過各項參數調整機組工況，實現機組的啟停，也可利用歷史趨勢幫助管理技術人員分析事故原因等，而1131 與Intouch的連接是依靠通訊軟件DDE 來實現的。

5 二期催化三機組在防喘振控制上的優化

上位機的彈出窗口除了關閉軟按鈕，在對話框右上角還添加了“×”關閉鈕，減小誤操作的風險。

防喘振閥的操作增加了二次確認按鈕，箭頭開關為大箭頭一次2%，小箭頭一次0.5%。

主備機的防喘振頁面用不同的背景顏色進行區分。

上位機防喘振控制頁面增加手動、半自動和全自動操作模式的高選邏輯圖，并且增加了防喘振實時曲線，使操作人員更加直觀地了解機組的運行工況。

6 結語

喘振是影響機組壽命和長周期運行的重要因素之一。主備增三機組作為催化裂化裝置的核心設備，它能否平穩運行直接影響了整套生產裝置，惠州石化一期的催化裝置已經很好地驗證了該套防喘振系統的可靠性與穩定性，在經歷技術革新和系統優化之后，該控制系統為惠州石化二期的480 萬噸/年催化裂化裝置帶來了更好的表現。