大型氮氣壓縮機(jī)控制策略優(yōu)化

文/張世偉 王曉飛 劉志君

大型氮氣壓縮機(jī)機(jī)組程序存在的問題和控制策略優(yōu)化的過程及效果——隨著煤化工企業(yè)大型化、一體化、智能化及長周期穩(wěn)定運行的需求，壓縮機(jī)作為生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵核心設(shè)備，在煤化工中的地位越來越重要，對于壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的要求也越來越高。

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司的兩套40 000 Nm3/H空分系統(tǒng)中，氮氣壓縮機(jī)機(jī)組為汽輪機(jī)（杭汽）+氮壓機(jī)氮氣壓縮機(jī)壓縮提供流量為50 000 Nm3/h中壓氮氣服務(wù)于后系統(tǒng)液氮洗裝置，但是根據(jù)液氮洗主裝置運行的特點，運行4 h退15 000 Nm3/h，然后再增加到正常的氮氣量（50 000 Nm3/h）防喘振控制一直在半自動控制狀態(tài)，操作人員一直頻繁操作。為保證機(jī)組安全運行，防喘振閥門需保持一定開度。

機(jī)組控制系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化

因氮氣是空分設(shè)備的產(chǎn)品，出于節(jié)能考慮，不允許頻繁的放空。故氮氣壓縮機(jī)的防喘振系統(tǒng)（如圖1）與空氣壓縮機(jī)稍有不同，是由進(jìn)口導(dǎo)葉、旁通閥和放空閥組成。氮壓機(jī)防喘振系統(tǒng)的動作步驟以氮氣出口壓力超過設(shè)定值，首先關(guān)小進(jìn)口導(dǎo)葉來降低氮氣排壓。當(dāng)關(guān)小進(jìn)口導(dǎo)葉還來不及降低氮氣排壓，再打開旁通閥，利用回流量來加大氮氣流量降低排壓。如果前面的二個動作還不能有效地降低氮氣排壓，再打開放空管路的閥門，將氮氣放空，直至聯(lián)鎖停主機(jī)。一般情況下，經(jīng)進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)和回流調(diào)節(jié)就能完全滿足要求。

控制程序問題及優(yōu)化

原氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542控制程序如下：

1、氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542>0.395 MPa，氮壓機(jī)一段回流閥PCV1011502由二段入口壓力PI1011542自動控制，壓力設(shè)定值為0.395 MPa。

2、氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542>0.4 MPa，氮壓機(jī)二段入口放空閥PCV1011801由二段入口壓力PI1011542自動控制，壓力設(shè)定值0.4 MPa，PID調(diào)節(jié)的閥門開度與3%開度,持續(xù)高選。

3、氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542>0.41 MPa，氮壓機(jī)二段入口放空閥PCV1011801由二段入口壓力PI1011542自動控制，壓力設(shè)定值0.41 MPa，PID調(diào)節(jié)的閥門開度與25%開度,持續(xù)高選。

圖1 氮壓機(jī)機(jī)組氣路圖

4、氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542>0.43 MPa， 氮 壓機(jī)二段入口放空閥PCV1011801電磁閥失電全開，當(dāng)二段入口壓力PI10115<0.43 MPa， 放 空 閥PCV1011801電磁閥得電，放空閥PCV1011801由二段入口壓力PI1011542自動控制，壓力設(shè)定值0.4 MPa。

5、氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542>0.44 MPa，聯(lián)鎖氮壓機(jī)停車，放空閥PCV1011801失電全開。

圖2 氮壓機(jī)機(jī)組喘振圖

圖3 氮壓機(jī)趨勢圖

由于氮壓機(jī)經(jīng)過檢修、回流管道改造工作,氮壓機(jī)開車后末級中壓氮氣壓力、流量達(dá)不到設(shè)計值(設(shè)計氮壓機(jī)末級中壓氮氣壓力4.20 MPa（G），流量 50 000 M3/H)，為了提高氮壓機(jī)末級中壓氮氣壓力、流量,需要對氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542控制程序進(jìn)行修改,建議修改程序如下:

1、氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542>0.41MPa，氮壓機(jī)一段回流閥PCV1011502由二段入口壓力PI101142自動控制，壓力設(shè)定值為0.41MPa。

2、氮壓機(jī)二段一級入口壓力PI1011542>0.46MPa，聯(lián)鎖氮壓機(jī)停車,放空閥PCV1011801失電全開。

3、解除氮壓機(jī)原設(shè)計二段一級入口壓力PI1011M2其他控制程序。

機(jī)組喘振控制優(yōu)化

防喘振控制控制參數(shù)過于保護(hù)機(jī)組，沒有考慮工藝穩(wěn)定。通過增加防喘振線控制死區(qū)線，避免投用自動控制使產(chǎn)生工藝系統(tǒng)振蕩。增加防喘振閥啟動死區(qū)控制，使防喘振閥能適應(yīng)性能控制的需要。修改閥的開度和控制裕度，自動實現(xiàn)裕度大速率快，裕度小速率慢的慢關(guān)速率自動調(diào)整。參加控制的主要儀表要有故障退守策略方式，避免因儀表回路故障引起機(jī)組運行事故。依據(jù)機(jī)組運行數(shù)據(jù)和操作需求重新設(shè)定防喘振控制功能和調(diào)整防喘振控制參數(shù)如圖2所示，能夠?qū)崿F(xiàn)防喘振自動控制。

性能控制

氮氣壓縮機(jī)導(dǎo)葉控制按照控制系統(tǒng)的設(shè)計是采用出口壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，但是僅調(diào)整導(dǎo)葉有工作點越過防喘振線喘振閥突然大幅打開，導(dǎo)致工藝控制混亂的風(fēng)險。導(dǎo)葉開度變化過大，如圖3所示。性能控制的作用是通過壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉（或轉(zhuǎn)速）和回流閥的解耦控制來保持壓縮機(jī)出口壓力或流量的穩(wěn)定。改進(jìn)方案如下：

1、將入口導(dǎo)葉控制方案修改為性能控制，通過解耦控制回流閥和入口導(dǎo)葉控制來達(dá)到自動控制出口壓力和流量穩(wěn)定的目的。如果單純的用出口壓力控制入口導(dǎo)葉，當(dāng)壓縮機(jī)的出口壓力高（后續(xù)裝置事故用氮氣量突然減少）并且工作點距離控制線很近時，出口壓力高要求減少導(dǎo)葉開度，這時只減少導(dǎo)葉開度對壓力反應(yīng)慢，有發(fā)生喘振的可能性；需要同時打開防喘振閥來降低出口壓力，待出口壓力不高時，在關(guān)防喘振閥同時關(guān)小導(dǎo)葉，保證壓縮機(jī)的出口壓力穩(wěn)定。在喘振閥有開度時，出口壓力低只開大導(dǎo)葉會浪費能源，性能控制會在保持一定的喘振控制裕度的情況下首先關(guān)回流閥在增大導(dǎo)葉開度。如圖2、圖3。

2、通過運行趨勢分析和工藝人員討論后確定每個導(dǎo)葉性能控制時的最大開度和最小開度。避免出現(xiàn)異常情況。如表1。

3、導(dǎo)葉偏差報警和退出控制設(shè)置

空分機(jī)組的導(dǎo)葉很可能會在運行中出現(xiàn)問題，針對每個導(dǎo)葉的情況設(shè)置導(dǎo)葉輸出和回訊的偏差報警，以及偏差值過大時退出性能控制是必要的考慮。如表1。

4、導(dǎo)葉控制需要有控制死區(qū)限制

導(dǎo)葉控制死區(qū)設(shè)置，投用自動后會頻繁調(diào)整，長期頻繁動作增加了導(dǎo)葉故障的機(jī)會。增加導(dǎo)葉死區(qū)功能，在導(dǎo)葉輸出變動小于死區(qū)時候?qū)~不輸出。死區(qū)要通過對每個導(dǎo)葉測試得到。

5、安全裕度的設(shè)置

性能控制投用時設(shè)置的防喘振安全區(qū)域為距離防喘振線6%（可以下位調(diào)整）。性能控制設(shè)計有最小安全裕度和最大安全裕度，控制程序保持工作點在這個范圍內(nèi)工作是最節(jié)能和最安全的工作區(qū)域。如表1。

當(dāng)工作點超過最大安全裕度時，控制不節(jié)能?？刂瞥绦驎⒐ぷ鼽c拉回控制區(qū)。關(guān)小防喘振閥出口壓力就會升高，必須同時相應(yīng)關(guān)小導(dǎo)葉，在保持出口壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，通過關(guān)小回流閥和導(dǎo)葉將工作點拉回到了控制區(qū)。

當(dāng)工作點小于最小安全裕度時，控制不安全?？刂瞥绦驎⒐ぷ鼽c推回控制區(qū)。關(guān)開大導(dǎo)葉出口壓力升高，開大回流降低出口壓力，在保持出口壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，通過開大導(dǎo)葉和開大回流閥將工作點推回到了控制區(qū)，如圖4所示。

系統(tǒng)改造帶來的效益

防喘振控制投用自動帶來的效益

圖4 氮壓機(jī)操作小窗口

圖5 氮壓機(jī)主要參數(shù)趨勢圖

表1 依據(jù)機(jī)組運行數(shù)據(jù)分析，設(shè)置每個性能控制的控制參數(shù)設(shè)置

圖6 氮壓機(jī)喘振安全裕度

喘振投用自動后，在低負(fù)荷防喘振閥有開度的時候，工作點運行在控制線附近，減少控制裕度，防喘振閥開度最小，提高了壓縮機(jī)的運行效率。

性能控制的投用，提高機(jī)組控制效率

增加了導(dǎo)葉和防喘振閥解耦控制，使機(jī)組高效調(diào)節(jié)，避免機(jī)組轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生的額外能耗，保障了機(jī)組高效運行。

減少操作人員的操作強(qiáng)度

通過最新的控制技術(shù)控制回路都能運行在自動控制，使機(jī)組的自動化控制水平提高，減少操作人員的操作頻次節(jié)約操作時間，更好地保障裝置的操作平穩(wěn)，帶來潛在的效益。

減少事故機(jī)組停車帶來的效益

氮壓機(jī)組每次停車可能會造成全廠停工，帶來生產(chǎn)的混亂和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過控制方案修改和程序完善，可以避免不必要的機(jī)組停車。在其他相關(guān)裝置事故發(fā)生后，機(jī)組保持在最佳工況運行，節(jié)約裝置恢復(fù)時間，能更好地保障裝置的操作平穩(wěn)，帶來潛在的效益。