壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)與負(fù)荷分配自動(dòng)控制設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

朱 同，董 飛，劉 媛，董 瓊，陳婉秋

(1.廊坊開(kāi)發(fā)區(qū)中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，河北 廊坊 065001；2.中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程有限公司，河北 廊坊 065000；3.中國(guó)石油管道局工程有限公司第一分公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

天然氣壓氣站場(chǎng)內(nèi)有多臺(tái)壓縮機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，生產(chǎn)運(yùn)行人員啟動(dòng)多臺(tái)壓縮機(jī)時(shí)，通常是在操作員工作站，點(diǎn)擊單臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)按鈕逐臺(tái)啟動(dòng)壓縮機(jī)，1臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)完畢后，再點(diǎn)擊下一臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)第二臺(tái)壓縮機(jī)，直至把所有需要啟動(dòng)的壓縮機(jī)全部啟動(dòng)。壓縮機(jī)啟動(dòng)后，還需要手動(dòng)調(diào)節(jié)各壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證壓氣站出站總壓力滿(mǎn)足要求。這樣的人工操作耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，調(diào)節(jié)速度慢，并且在壓縮機(jī)逐臺(tái)啟動(dòng)過(guò)程中，由于各機(jī)組自行運(yùn)轉(zhuǎn)，互不聯(lián)動(dòng)，即便多機(jī)組啟動(dòng)完畢后，有的機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)高，有的機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)低，有的機(jī)組頻繁開(kāi)啟防喘振閥組，無(wú)法按照最高效率做功，能耗相當(dāng)大。

目前，管道站場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行值班人員數(shù)量逐年縮減，對(duì)自動(dòng)化控制水平的要求逐年升高，通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控來(lái)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守場(chǎng)站的需求越來(lái)越高。為此，針對(duì)壓縮機(jī)這種核心大型機(jī)械控制，引入了壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)和啟動(dòng)后負(fù)荷分配自動(dòng)加載的控制功能，利用SCADA系統(tǒng)的PLC編制順序啟動(dòng)與負(fù)荷分配控制程序，并通過(guò)Modbus Tcpip協(xié)議建立PLC與壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，采用工控軟件進(jìn)行人機(jī)界面(HMI,human machine interface)開(kāi)發(fā)。值班人員通過(guò)操作員站人機(jī)界面設(shè)定壓縮機(jī)啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)和啟動(dòng)臺(tái)數(shù)(如2臺(tái))，設(shè)定出站壓力或流量控制值，點(diǎn)擊預(yù)選一鍵啟機(jī)，SCADA系統(tǒng)自動(dòng)判斷識(shí)別當(dāng)前壓縮機(jī)組狀態(tài)，選擇優(yōu)先級(jí)較高的機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)，當(dāng)?shù)?臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)完畢后開(kāi)始啟動(dòng)第2臺(tái)機(jī)組，并自動(dòng)開(kāi)啟負(fù)荷分配控制功能，控制出站總壓力，通過(guò)負(fù)荷分配控制算法與單機(jī)組PID自動(dòng)控制的結(jié)合，使得兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速與工作點(diǎn)接近一致，防喘振閥全關(guān)，出站總壓力滿(mǎn)足要求，能耗最低。啟動(dòng)3臺(tái)以上機(jī)組也采用相同的控制策略。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)與負(fù)荷分配自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)共需3個(gè)部分的協(xié)同配合，即操作員工作站、站控PLC與壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制架構(gòu)示意圖

在該方案中，操作員站控制站控PLC(即站控主PLC與備PLC)，站控PLC控制4臺(tái)壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)，每臺(tái)壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)都控制一臺(tái)壓縮機(jī)組，該壓縮機(jī)組的所有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制操作指令都由相對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)具體執(zhí)行，UCS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的壓縮機(jī)工藝參數(shù)全部上傳至站控PLC，再由站控PLC上傳至操作員站。

操作員站將壓縮機(jī)優(yōu)先級(jí)設(shè)定值、預(yù)啟臺(tái)數(shù)、壓力設(shè)定值、負(fù)荷分配自動(dòng)控制使能以及預(yù)選啟動(dòng)命令等下發(fā)至站控PLC中，站控PLC接收到指令后對(duì)所控制的4套壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分配，并對(duì)4臺(tái)壓縮機(jī)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，檢測(cè)壓縮機(jī)是否處于可用狀態(tài)，如果所需啟動(dòng)的壓縮機(jī)全部滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，則站控PLC首先對(duì)優(yōu)先級(jí)最高的1臺(tái)壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)下發(fā)啟動(dòng)命令，UCS系統(tǒng)接收到啟動(dòng)命令后開(kāi)始啟動(dòng)壓縮機(jī)組，并實(shí)時(shí)上傳壓縮機(jī)啟機(jī)狀態(tài)參數(shù)至站控PLC，當(dāng)監(jiān)測(cè)到該壓縮機(jī)組啟動(dòng)完畢，站控PLC對(duì)優(yōu)先級(jí)相對(duì)較低一級(jí)的壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)下發(fā)啟動(dòng)命令，開(kāi)始啟動(dòng)第2臺(tái)壓縮機(jī)組，以此類(lèi)推直至壓縮機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)滿(mǎn)足設(shè)定要求。壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)命令與負(fù)荷分配自動(dòng)控制使能指令下發(fā)至站控PLC后，將會(huì)產(chǎn)生1個(gè)邏輯標(biāo)志位，將順序啟動(dòng)與負(fù)荷分配控制緊密結(jié)合起來(lái)。

由于操作員站對(duì)站控PLC下發(fā)了壓力設(shè)定值與負(fù)荷分配自動(dòng)控制指令，激活了PLC中的負(fù)荷分配控制主程序，一旦有壓縮機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)并且工藝輸送流程導(dǎo)通，就開(kāi)始進(jìn)行出站壓力的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)荷分配自動(dòng)加載功能，當(dāng)出站壓力設(shè)定值較高，單臺(tái)機(jī)組無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)，機(jī)組開(kāi)始全速運(yùn)轉(zhuǎn)，等到第2臺(tái)壓縮機(jī)組運(yùn)行后并網(wǎng)開(kāi)啟兩臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷分配自動(dòng)控制，即當(dāng)?shù)?臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)完畢后，站控PLC中的負(fù)荷分配主控制程序根據(jù)出站壓力測(cè)量值與設(shè)定值的誤差，進(jìn)行主控回路的PID控制調(diào)節(jié)[2]，并與單臺(tái)壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)單體PID控制和喘振控制進(jìn)行結(jié)合，在確保壓縮機(jī)工作點(diǎn)處于控制線范圍內(nèi)，不發(fā)生喘振前提下，由主控程序計(jì)算出各壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速增減值下發(fā)給壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)，UCS系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生平穩(wěn)變化，當(dāng)?shù)?臺(tái)壓縮機(jī)組并網(wǎng)開(kāi)啟3臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷分配自動(dòng)控制后，負(fù)荷分配主控制程序依據(jù)上述控制策略進(jìn)行3臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增減值的計(jì)算，并下發(fā)至各臺(tái)壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)。負(fù)荷分配自動(dòng)控制最終實(shí)現(xiàn)3臺(tái)壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速趨于一致，防喘振閥全關(guān)，工作點(diǎn)距離(工作點(diǎn)至控制線的距離)等距，在滿(mǎn)足出站壓力要求的前提下達(dá)到機(jī)組做功效率最大化。3臺(tái)機(jī)組負(fù)荷分配控制需經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的循環(huán)測(cè)控以及轉(zhuǎn)速計(jì)算過(guò)程。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

采用浙江中控G5 系列可編程邏輯控制器做站控主備PLC使用，CPU選用冗余型TCU521，兩個(gè)主備PLC之間使用冗余光纖連接，選用12槽背板機(jī)架用于安裝CPU模塊及相關(guān)電源和通信模塊[3]。主備PLC機(jī)架采用220 V交流供電。在G5 PLC中進(jìn)行編程組態(tài)，編寫(xiě)根據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定的壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)以及負(fù)荷分配主控制程序。

在主備PLC控制器機(jī)架背板上安裝以太網(wǎng)通訊模塊COM523，對(duì)COM523模塊進(jìn)行組態(tài)編程并激活，使其成為站控PLC的組成部分，利用COM523模塊建立站控PLC與壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。壓縮機(jī)的邏輯控制和負(fù)荷分配在站控PLC中的運(yùn)算結(jié)果，都通過(guò)COM523模塊下發(fā)至壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)。同時(shí)壓縮機(jī)組的各項(xiàng)工藝參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)也都由UCS系統(tǒng)通過(guò)COM523模塊上傳至站控PLC。COM523與壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)通訊采用modbus tcpip協(xié)議。

2.2 軟件設(shè)計(jì)與控制界面開(kāi)發(fā)

操作員站安裝國(guó)家管網(wǎng)調(diào)控中心研發(fā)的PCS(process control system)上位機(jī)軟件，在PCS平臺(tái)上進(jìn)行壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)與負(fù)荷分配控制人機(jī)操作界面的開(kāi)發(fā)，PCS與站控PLC的數(shù)據(jù)通訊采用modbus tcpip協(xié)議[4]。

2.2.1 壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)界面開(kāi)發(fā)

主要包括：壓縮機(jī)啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定及反饋、單臺(tái)壓縮機(jī)組啟動(dòng)成功與失敗報(bào)警、單臺(tái)壓縮機(jī)組不滿(mǎn)足啟動(dòng)條件報(bào)警、壓縮機(jī)預(yù)啟運(yùn)行臺(tái)數(shù)設(shè)定及反饋、壓縮機(jī)當(dāng)前運(yùn)行臺(tái)數(shù)反饋、無(wú)可用壓縮機(jī)啟動(dòng)報(bào)警、壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)成功與失敗報(bào)警、壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)控制執(zhí)行中反饋、站控下發(fā)壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)命令。壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)控制界面如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)控制界面

該控制界面極大地方便了生產(chǎn)運(yùn)行人員對(duì)壓縮機(jī)多機(jī)啟動(dòng)的一鍵控制，可有效減少啟機(jī)時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2.2 負(fù)荷分配自動(dòng)控制界面開(kāi)發(fā)

在操作員站壓縮機(jī)工藝控制畫(huà)面上，每臺(tái)壓縮機(jī)組都由自己的控制面板，該控制面板是用于單臺(tái)壓縮機(jī)組喘振和出口壓力控制的。為了使負(fù)荷分配控制與單臺(tái)壓縮機(jī)控制更加有效的結(jié)合，將負(fù)荷分配控制界面與壓縮機(jī)單機(jī)組控制面板融合，在每臺(tái)壓縮機(jī)單機(jī)組控制面板上都可以對(duì)該壓縮機(jī)進(jìn)行負(fù)荷分配自動(dòng)控制使能與屏蔽操作，也可以進(jìn)行進(jìn)出站壓力的設(shè)定，同時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出站壓力實(shí)時(shí)值。壓縮機(jī)負(fù)荷分配控制面板如圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)負(fù)荷分配控制面板

該控制面板為其中1臺(tái)壓縮機(jī)組單機(jī)組控制融合進(jìn)負(fù)荷分配控制界面后的面板圖。在面板最右側(cè)性能控制區(qū)域，有單機(jī)、并網(wǎng)、手動(dòng)與自動(dòng)4個(gè)按鈕，其中并網(wǎng)按鈕就是該壓縮機(jī)組是否參與負(fù)荷分配控制的使能按鈕。當(dāng)在啟動(dòng)壓縮機(jī)之前，在性能控制區(qū)域通過(guò)點(diǎn)擊并網(wǎng)按鈕，就使能了該臺(tái)壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)的負(fù)荷分配控制自動(dòng)加載功能，在壓縮機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)與其他已運(yùn)行壓縮機(jī)并網(wǎng)，接收負(fù)荷分配主控制程序的指令，變化轉(zhuǎn)速控制出站壓力。在面板的中間區(qū)域可進(jìn)行負(fù)荷分配控制模式下出站壓力與進(jìn)站壓力的設(shè)定及實(shí)時(shí)測(cè)量值反饋。并可進(jìn)行出站壓力與進(jìn)站壓力的調(diào)節(jié)切換。

3 方案設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

以下內(nèi)容詳細(xì)闡述了該方案的設(shè)計(jì)思想以及控制功能的編程實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)借助于千兆工業(yè)以太網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 壓縮機(jī)優(yōu)先級(jí)排序算法

在本設(shè)計(jì)中，不再使用傳統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)排列組合比較的方法，而是使用優(yōu)先級(jí)取最小值算法進(jìn)行設(shè)備優(yōu)先級(jí)的比較。

在站控PLC里進(jìn)行功能塊邏輯程序開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)子程序塊，采用優(yōu)先級(jí)最小值選擇算法，即將人機(jī)界面設(shè)定的壓縮機(jī)優(yōu)先級(jí)(只能下發(fā)不小于設(shè)備總數(shù)量的整型數(shù)字，防止優(yōu)先級(jí)設(shè)定值溢出)數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)行最小值選擇，優(yōu)先級(jí)數(shù)值越小，表示該設(shè)備的優(yōu)先級(jí)越高，反之擇優(yōu)先級(jí)越低[5]。存在壓縮機(jī)報(bào)警、故障或者已經(jīng)運(yùn)行的壓縮機(jī)，其優(yōu)先級(jí)參與比較的實(shí)際值將自動(dòng)修改成100，在優(yōu)先級(jí)最小值選擇算法里面最大的數(shù)值是100，這樣該臺(tái)壓縮機(jī)的優(yōu)先級(jí)將會(huì)是所有壓縮機(jī)中最低的并且不可以參與聯(lián)合啟動(dòng)。通過(guò)編制一個(gè)子程序最小值優(yōu)化算法，就把多臺(tái)(比如4臺(tái)、6臺(tái)甚至8臺(tái))壓縮機(jī)，較為方便的進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)劃分，并將劃分結(jié)果給到壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)控制程序中，標(biāo)識(shí)出哪臺(tái)壓縮機(jī)優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)所有壓縮機(jī)都不可用時(shí)，給出無(wú)可用壓縮機(jī)狀態(tài)報(bào)警指示。

相比之下排列組合算法要求每臺(tái)設(shè)備優(yōu)先級(jí)都要與其他設(shè)備比較，一旦設(shè)備較多，程序編寫(xiě)起來(lái)就比較復(fù)雜，采用最小值選擇算法就較好地解決了這種問(wèn)題，并且對(duì)已運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的免疫，防止已運(yùn)行設(shè)備參與優(yōu)先級(jí)排序。圖4為優(yōu)先級(jí)最小值選擇邏輯框圖。

圖4 優(yōu)先級(jí)最小值選擇邏輯框圖

3.2 壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)控制

通過(guò)壓縮機(jī)優(yōu)先級(jí)排序算法，選擇出當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的壓縮機(jī)，并給出該臺(tái)壓縮機(jī)優(yōu)先級(jí)最高標(biāo)志位，等待啟動(dòng)壓縮機(jī)。操作員站設(shè)定好預(yù)啟臺(tái)數(shù)后點(diǎn)擊預(yù)選啟動(dòng)命令，壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)程序開(kāi)始執(zhí)行，首先啟動(dòng)1臺(tái)優(yōu)先級(jí)最高的壓縮機(jī)，當(dāng)程序收到壓縮機(jī)運(yùn)行信號(hào)并且壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最低轉(zhuǎn)速，表示當(dāng)前壓縮機(jī)啟動(dòng)完畢，程序計(jì)算當(dāng)前運(yùn)行壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)并與預(yù)啟臺(tái)數(shù)設(shè)定值比較，當(dāng)前運(yùn)行臺(tái)數(shù)未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，程序重新開(kāi)始對(duì)剩余壓縮機(jī)組進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序選擇，調(diào)用壓縮機(jī)優(yōu)先級(jí)排序算法(此時(shí)已經(jīng)運(yùn)行的壓縮機(jī)其優(yōu)先級(jí)已經(jīng)變成了100即優(yōu)先級(jí)最低，所以不會(huì)再參與優(yōu)先級(jí)排序算法的判斷)。在剩余壓縮機(jī)中選擇優(yōu)先級(jí)最高的一臺(tái)繼續(xù)啟動(dòng)，直至當(dāng)前已運(yùn)行壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)與預(yù)啟臺(tái)數(shù)設(shè)定值相同為止[6]。

壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：

1)判斷當(dāng)前壓縮機(jī)可用狀態(tài)，壓縮機(jī)故障、ESD鎖定或就地狀態(tài)下定義為不可用，并記入不可用壓縮機(jī)數(shù)鎖存。

2)當(dāng)不可用壓縮機(jī)數(shù)量多于設(shè)定預(yù)啟臺(tái)數(shù)后的備用壓縮機(jī)數(shù)量時(shí)(即不可用壓縮機(jī)數(shù)量大于總臺(tái)數(shù)與預(yù)啟臺(tái)數(shù)的差值)，直接給出無(wú)可用壓縮機(jī)報(bào)警。

3)接收操作員站下發(fā)的優(yōu)先級(jí)設(shè)定值、預(yù)啟臺(tái)數(shù)設(shè)定值及預(yù)選啟動(dòng)命令，調(diào)用優(yōu)先級(jí)排序算法子程序，按照優(yōu)先級(jí)排序，順序啟動(dòng)各臺(tái)壓縮機(jī)組，并監(jiān)測(cè)當(dāng)前壓縮機(jī)是否投用負(fù)荷分配自動(dòng)控制，如投用則在啟動(dòng)完成后給出標(biāo)志位自動(dòng)并網(wǎng)加載負(fù)荷分配。

4)給出壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)成功或失敗報(bào)警信號(hào)。

5)壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)命令發(fā)出后，對(duì)可用壓縮機(jī)組發(fā)出公共復(fù)位命令，以使其輔助設(shè)施滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，避免因?yàn)橐话愎矆?bào)警而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

6)優(yōu)先級(jí)重復(fù)設(shè)定的診斷，當(dāng)操作員站對(duì)兩臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)定了相同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)設(shè)定值重復(fù)篩查子程序開(kāi)始啟用，提示運(yùn)行人員輸入錯(cuò)誤，并對(duì)前面設(shè)定的優(yōu)先級(jí)數(shù)值保持在中間寄存器，不寫(xiě)入實(shí)際優(yōu)先級(jí)設(shè)定值中，待運(yùn)行人員修改完畢再重新寫(xiě)入。

3.3 壓縮機(jī)負(fù)荷分配自動(dòng)控制

在多臺(tái)壓縮機(jī)并行運(yùn)行的工藝條件下，每臺(tái)壓縮機(jī)組都有自己的UCS控制系統(tǒng)，每臺(tái)壓縮機(jī)組都可以獨(dú)立啟動(dòng)，獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)多臺(tái)壓縮機(jī)組并行運(yùn)行時(shí)，就需要負(fù)荷分配調(diào)節(jié)使得所有壓縮機(jī)做功最有效、最大化[7]。如果沒(méi)有負(fù)荷分配，多臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然能夠保證最終出站匯管壓力達(dá)到預(yù)期目的，但一定會(huì)存在壓縮機(jī)防喘振閥未全關(guān)的情況，造成氣體回流，這部分做功就浪費(fèi)了。如果人工手動(dòng)調(diào)節(jié)的話，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且經(jīng)驗(yàn)不豐富的工程師不一定能夠完全調(diào)節(jié)好各個(gè)壓縮機(jī)對(duì)工作點(diǎn)的距離。通過(guò)負(fù)荷分配自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工藝管線上型號(hào)相同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速全部趨于一致，工作點(diǎn)距離趨于一致，各壓縮機(jī)防喘振閥全關(guān)。以2臺(tái)壓縮機(jī)投用負(fù)荷分配為例，對(duì)負(fù)荷分配控制方案進(jìn)行介紹。圖5為負(fù)荷分配自動(dòng)控制調(diào)節(jié)架構(gòu)圖。

圖5 負(fù)荷分配自動(dòng)控制調(diào)節(jié)架構(gòu)圖

負(fù)荷分配控制系統(tǒng)包含主控制器、1#壓縮機(jī)PID子控制器和2#壓縮機(jī)PID子控制器3個(gè)部分，其中主控制器利用站控PLC的CPU，在其中編寫(xiě)負(fù)荷分配主控制程序。壓縮機(jī)PID子控制器利用壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)CPU，在其中編寫(xiě)子PID控制程序。負(fù)荷分配主控制程序?qū)⑦\(yùn)算結(jié)果下發(fā)至壓縮機(jī)子PID控制程序中，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化[8]。

當(dāng)兩臺(tái)壓縮機(jī)都投用負(fù)荷分配自動(dòng)控制，設(shè)定了出站總壓力設(shè)定預(yù)期值，并且下發(fā)了2臺(tái)壓縮機(jī)的預(yù)選啟動(dòng)命令后，負(fù)荷分配主控制程序開(kāi)始啟動(dòng)。當(dāng)出站壓力設(shè)定值較大，第1臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)后投入負(fù)荷分配控制并全速運(yùn)轉(zhuǎn)，程序開(kāi)始啟動(dòng)第2臺(tái)壓縮機(jī)，第2臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)后負(fù)荷分配控制程序開(kāi)始同時(shí)調(diào)節(jié)兩臺(tái)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)第1臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高，第2臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低并且其防喘振閥存在一定開(kāi)度有能耗浪費(fèi)，負(fù)荷分配調(diào)節(jié)開(kāi)始。

負(fù)荷分配調(diào)節(jié)存在多個(gè)周期，在其中1個(gè)周期內(nèi)的主控制器中，負(fù)荷分配控制程序計(jì)算出站匯管總壓力測(cè)量值PV與設(shè)定值SV的誤差Pdev，并根據(jù)誤差計(jì)算出一個(gè)轉(zhuǎn)速增量值ΔRpm后下發(fā)至壓縮機(jī)子PID控制程序中，同時(shí)將兩臺(tái)壓縮機(jī)性能控制線與工作點(diǎn)的距離Dev1與Dev2分別下發(fā)到另一臺(tái)壓縮機(jī)子PID控制程序中。壓縮機(jī)子PID控制程序接收到轉(zhuǎn)速增量值后并不立即將轉(zhuǎn)速增量值加到轉(zhuǎn)速輸出上面去，而是將本壓縮機(jī)的工作點(diǎn)距離與另一臺(tái)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)距離進(jìn)行對(duì)比，如果兩臺(tái)壓縮機(jī)工作點(diǎn)對(duì)控制線距離不一致，則產(chǎn)生誤差值，通過(guò)子PID控制程序計(jì)算出由此應(yīng)產(chǎn)生的一個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增量值[9]。在壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)完畢后，由于先啟動(dòng)的1#壓縮機(jī)已經(jīng)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速會(huì)比2#壓縮機(jī)大很多，因此1#壓縮機(jī)的的工作點(diǎn)距離要比2#壓縮機(jī)的工作點(diǎn)距離大很多，兩臺(tái)壓縮機(jī)子PID控制程序會(huì)根據(jù)工作點(diǎn)距離差值也計(jì)算出1個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增減值，并且此時(shí)1#壓縮機(jī)應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，輸出減量值ΔLB1，2#壓縮機(jī)應(yīng)增加轉(zhuǎn)速，輸出增量值ΔLB2。每臺(tái)壓縮機(jī)經(jīng)由負(fù)荷分配主控制程序計(jì)算出的轉(zhuǎn)速增量ΔRpm與單臺(tái)壓縮機(jī)子PID控制程序計(jì)算出的轉(zhuǎn)速增量(ΔLB1/ΔLB2)相互作用后給出該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的最終輸出值。

因此經(jīng)過(guò)此輪周期的負(fù)荷分配調(diào)節(jié)，1#壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速最終變化值計(jì)算公式：

ΔSp1=Κt1×ΔRpm-Κt2×ΔLB1

因此經(jīng)過(guò)此輪周期的負(fù)荷分配調(diào)節(jié)，2#壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速最終變化值計(jì)算公式：

ΔSp2=Κt1×ΔRpm+Κt2×ΔLB2

本周期的負(fù)荷分配調(diào)節(jié)完畢后，負(fù)荷分配主控制程序會(huì)重新計(jì)算出站壓力誤差值，壓縮機(jī)子PID控制程序也會(huì)重新對(duì)比雙方工作點(diǎn)距離，經(jīng)過(guò)多輪周期的負(fù)荷分配調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一致，壓縮機(jī)工作點(diǎn)等距，兩臺(tái)壓縮機(jī)的防喘振閥全關(guān)，全力對(duì)外輸送氣體介質(zhì)，做功最大化。

3.4 站控PLC與壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)的通信優(yōu)化

由于負(fù)荷分配主控制程序編制在站控PLC內(nèi)，而壓縮機(jī)子PID控制程序編制在UCS系統(tǒng)中，并且二者之間需要進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)通訊，以確保負(fù)荷分配指令的快速下達(dá)和UCS系統(tǒng)參數(shù)的快速上傳。因此，在站控PLC內(nèi)編制通訊程序，站控PLC主動(dòng)去讀取UCS系統(tǒng)里面的數(shù)據(jù)，向UCS系統(tǒng)寫(xiě)入操作指令[10]。站控PLC會(huì)與十幾個(gè)甚至幾十個(gè)第三方系統(tǒng)進(jìn)行通訊，所有第三方通訊如果不加以規(guī)劃，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊負(fù)荷會(huì)很大，在編制通訊程序的同時(shí)，將通訊資源向壓縮機(jī)通訊方向傾斜，并采用讀取連續(xù)地址的方法減少數(shù)據(jù)讀取指令條數(shù)，以減少收發(fā)數(shù)據(jù)包的請(qǐng)求應(yīng)答時(shí)間和應(yīng)答次數(shù)。對(duì)于只監(jiān)視不控制，并且監(jiān)視級(jí)別較低的第三方通訊數(shù)據(jù)，則降低其通訊速率和掃描頻率，為負(fù)荷分配自動(dòng)控制讓出數(shù)據(jù)通訊的高速信道。

4 應(yīng)用結(jié)果分析

4.1 預(yù)選啟動(dòng)控制邏輯應(yīng)用結(jié)果

通過(guò)設(shè)置壓縮機(jī)啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)和預(yù)啟臺(tái)數(shù)進(jìn)行預(yù)選啟動(dòng)控制，就把壓縮機(jī)的多機(jī)啟動(dòng)完全交給了站控PLC，站控PLC會(huì)根據(jù)預(yù)先編制的檢測(cè)控制程序，嚴(yán)格檢測(cè)后進(jìn)行壓縮機(jī)的多機(jī)順序啟動(dòng)，無(wú)需人工過(guò)多干預(yù)，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有效節(jié)約了壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間。通過(guò)在中俄東線黑河壓氣首站的應(yīng)用，以啟動(dòng)3臺(tái)壓縮機(jī)為例進(jìn)行了對(duì)比。

1)操作次數(shù)從原來(lái)操作3次降低為操作1次；

2)3臺(tái)壓縮機(jī)平均總啟動(dòng)時(shí)間從原來(lái)耗時(shí)4個(gè)小時(shí)，降低為耗時(shí)2.5小時(shí)；

3)每次啟動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)需要人工量由原來(lái)6人/次降低為2人/次；

4)啟動(dòng)前壓縮機(jī)故障識(shí)別率上升為了100%故障識(shí)別；

4.2 負(fù)荷分配自動(dòng)控制應(yīng)用結(jié)果

預(yù)選啟動(dòng)后的壓縮機(jī)負(fù)荷分配自動(dòng)加載功能，使得多臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后能夠自行調(diào)節(jié)至相同工況，不再有能耗浪費(fèi)情況，并且調(diào)節(jié)速度較之人工更加迅速，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。通過(guò)負(fù)荷分配自動(dòng)控制，運(yùn)行人員只需在操作員站前實(shí)時(shí)監(jiān)視壓縮機(jī)的喘振和控制線即可，程序自動(dòng)進(jìn)行出站壓力和壓縮機(jī)工作點(diǎn)距離的調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了一鍵預(yù)選聯(lián)合啟動(dòng)壓縮機(jī)。

圖6為人工啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)運(yùn)行圖，圖7為預(yù)選聯(lián)合啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)運(yùn)行圖，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)同樣滿(mǎn)足出站壓力要求，人工手動(dòng)啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)后始終有1臺(tái)工作點(diǎn)處于控制線邊緣，表示防喘振閥有一定開(kāi)度，氣體回流造成能耗浪費(fèi)，另一臺(tái)則轉(zhuǎn)速很大，基本上都在靠轉(zhuǎn)速較大的壓縮機(jī)輸氣[11]。而預(yù)選聯(lián)合啟動(dòng)后，通過(guò)負(fù)荷分配控制程序的自動(dòng)調(diào)節(jié)，兩臺(tái)壓縮機(jī)工作點(diǎn)位置最終趨于一致，轉(zhuǎn)速一致，防喘振閥全關(guān)，做功達(dá)到最大化。

圖6 人工啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)運(yùn)行圖

圖7 預(yù)選聯(lián)合啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)運(yùn)行圖

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)壓縮機(jī)預(yù)選啟動(dòng)以及負(fù)荷分配自動(dòng)控制，有效提高了壓縮機(jī)控制穩(wěn)定性和操作便利性，大大降低了壓縮機(jī)能耗。在站控PLC內(nèi)進(jìn)行壓縮機(jī)預(yù)選聯(lián)合啟動(dòng)和負(fù)荷分配控制的編程，省去了1套壓縮機(jī)負(fù)荷分配控制系統(tǒng)，使得多臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)后無(wú)需人工干預(yù)，直接自動(dòng)加載負(fù)荷分配控制功能。對(duì)于5臺(tái)及以上壓縮機(jī)并聯(lián)工藝下以及并聯(lián)壓縮機(jī)組規(guī)格型號(hào)不一樣的情況，其預(yù)選啟動(dòng)和負(fù)荷分配控制仍需進(jìn)一步研究。為大型天然氣場(chǎng)站、LNG接收及外輸站壓縮機(jī)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)控制提供了豐富的參考價(jià)值，對(duì)站控PLC與壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合與共享提供了一定的指導(dǎo)意義，也為各類(lèi)大型機(jī)械設(shè)備的多機(jī)順控提供了借鑒與參考。