汽輪壓縮機組機械式控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造

張秀萍

[摘 ? ?要 ]為了提升汽輪壓縮機組的機械式控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平，對其進行改造。具體是在各種控制、監(jiān)測、保護系統(tǒng)等多種電子控制裝置的協(xié)助下，明顯提升控制的精準性，在數(shù)字化通信、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)助下，確保機組能在較長時間內(nèi)安全、穩(wěn)定地運行。統(tǒng)計實踐運用結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電子控制設(shè)備改造汽輪壓縮機組機械式控制系統(tǒng)，是提升系統(tǒng)現(xiàn)代化水平的有效方法之一，具有較高推廣價值。

[關(guān)鍵詞]汽輪壓縮機組;機械式控制;系統(tǒng)改造;改造實踐

[中圖分類號]TH45 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–03

[Abstract]In order to improve the modernization level of the mechanical control system of the steam turbine compressor unit， a proposal is made to modify it. The specific use is to significantly improve the accuracy of control with the assistance of various control， monitoring， protection systems and other electronic control devices. With the assistance of digital communication and networked monitoring， it can ensure that the unit can be safe and stable for a long time. run. According to the results of statistical practice， it is found that the electronic control equipment to transform the mechanical control system of the steam turbine compressor unit is one of the effective methods to improve the modernization level of the system， and it has a high promotion value.

[Keywords]steam turbine compressor unit; mechanical control; system transformation; transformation practice

近年，在國家相關(guān)政策的正確引領(lǐng)下，國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，成績理想，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展做出更大貢獻。當下，工業(yè)行業(yè)中運行的汽輪壓縮機組達到數(shù)千臺，采用舊式機械式控制系統(tǒng)運行的機組占比相對較高，該種系統(tǒng)有構(gòu)造相對簡單、遲緩率較大、調(diào)節(jié)精準度偏低、執(zhí)行機構(gòu)靈敏度不足等缺陷，并且長期運行后，在磨損因素的作用下，杠桿聯(lián)接部位容易出現(xiàn)較大的空隙，給機組運行過程中埋置下諸多隱患。并且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)也不具備數(shù)字化通信功能，亟須利用電子控制設(shè)備對其進行現(xiàn)代化改造、升級。

1 整體控制方案

觀察舊式控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況，解讀化工業(yè)氣體壓縮流程運行階段對現(xiàn)代化控制技術(shù)提出的要求，本課題中設(shè)計開發(fā)了新興的整體調(diào)控方案。本方案在執(zhí)行階段，需要落實的重點內(nèi)容是拆卸掉機組舊的機械式控制系統(tǒng)，組裝電子控制系統(tǒng)。

CCC集成控制為本系統(tǒng)的核心，其功能主要是將既往各個運行狀態(tài)互為獨立的控制回路聚集至同一個電子平臺上，統(tǒng)一對其性能進行解耦操作，實現(xiàn)對壓縮機組各個運行參數(shù)的閉環(huán)式調(diào)控。ESD、TSI分別用在監(jiān)測機組運轉(zhuǎn)過程安全程度及停機狀態(tài)維護領(lǐng)域中;工程師站/操作員站能幫助中控室人員在計算機屏幕對機組運行情況實現(xiàn)遠程式操作、控制。整個系統(tǒng)的各構(gòu)成部分均利用網(wǎng)絡(luò)傳送信息，

在工業(yè)以太網(wǎng)以及上級DCS的支撐下完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)，傳輸對象以重要的運轉(zhuǎn)參數(shù)與畫面為主。

2 系統(tǒng)配置情況

2.1 CCC集成控制系統(tǒng)

在本課題設(shè)計中，壓縮機組控制系統(tǒng)內(nèi)置的CCC的構(gòu)成以調(diào)速、抽汽、防喘控制器為主，以上各個類型的控制器均布置了運行狀態(tài)獨立的CPU，其對汽輪機的運轉(zhuǎn)速度及抽氣壓力值能起到一定調(diào)控作用，也能防控壓縮機組出現(xiàn)喘振等不良情況。CCC系統(tǒng)應(yīng)用了可用性能達到99.97%、執(zhí)行周期是25個/s的單冗余數(shù)字控制器。在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)助下能順利建設(shè)出喘振數(shù)學模型，采用控制算法模擬仿真，而后將其嘗試用在工業(yè)現(xiàn)場控制領(lǐng)域中。

CCC采用了故障式策略運行，能夠持續(xù)監(jiān)測各個輸入流程的實效性，檢出輸入故障問題時，系統(tǒng)會智能將其忽略，在發(fā)出報警信號的同時，切調(diào)到故障策略模式上，進一步提升壓縮機組的可用性。

2.2 調(diào)速控制器（SIC）

SIC能參照預(yù)設(shè)的升速曲線智能執(zhí)行汽輪機暖機功能，不會觸碰軸系臨界轉(zhuǎn)速，在機組常態(tài)運轉(zhuǎn)時能精準的調(diào)控機組的轉(zhuǎn)速。SIC接收由3路轉(zhuǎn)速探頭監(jiān)測到的轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)3取2邏輯后作為機組的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，將其和內(nèi)部轉(zhuǎn)速設(shè)計值進行比較分析，放大器處理后傳輸出流量范圍在4～20 mA的電子信號。以上過程中形成的電子信號會被轉(zhuǎn)型成二次油壓信號，而后油壓信號利用進汽閥的張開度，實現(xiàn)對壓縮機組運行速度的精確調(diào)控。

2.3 抽汽控制器（PIC）

本課題研究中設(shè)定經(jīng)整改后的汽輪機是抽汽式汽輪機。PIC把抽汽壓力的目標設(shè)計值和當場反饋的抽汽壓力信號經(jīng)測算后能傳輸出控制信號，調(diào)控抽汽調(diào)閥門的張開度，進而調(diào)控汽輪機的抽汽壓力值。

2.4 防喘振控制器（LIC）

如果壓縮機內(nèi)的氣體流量降低時，伴隨旋轉(zhuǎn)失速的生成與發(fā)展過程，會形成一種失穩(wěn)工況，壓縮機組的氣體流量、排氣壓力周期、頻率明顯改變時，將會造成機器本體出現(xiàn)強烈振動，以上表現(xiàn)被叫作壓縮機的喘振。

防喘振技術(shù)是控制系統(tǒng)的核心。傳統(tǒng)防喘振器應(yīng)用階段需要指派人工前往現(xiàn)場測試檢測壓縮機上的數(shù)個喘振點，參照監(jiān)測結(jié)果，采用折線仿真模擬現(xiàn)實的壓縮機運轉(zhuǎn)曲線。其控制準確度不足，經(jīng)常會使防喘振回流閥過早或過遲啟動，不僅會耗損掉大量能量，還可能滋生擾動工藝流程的問題，特殊工況下還會滋生出安全隱患。

利用LIC自帶的喘振與調(diào)控算法，能夠智能檢測出實際喘振曲線，并完成相應(yīng)的測算工作，借此方式確保了壓縮機組回流閥開啟的時效性、精準性，規(guī)避了既往因檢測或者操作不規(guī)范而引起的安全風險問題。防喘振控制算法的控制功能框架見圖1。

（1）PID控制響應(yīng)。針對緩慢且微小的擾動因素，LIC的PID控制相應(yīng)可智能使運轉(zhuǎn)點位進入至喘振控制線的安全區(qū)域。利用LIC的比例積分控制算法，能依據(jù)操作點位和LIC兩者的間距生成相應(yīng)的積分響應(yīng)，防控機組運行點返回至LIC的危險區(qū)中。并且其輸送出的微分響應(yīng)有擴增防喘振控制算法安全裕量的功能。在這樣的工況下，當運行點朝向喘振方向偏移，但是能確定其沒有形成實質(zhì)的喘振危險，便不會自動開啟防喘振回流閥。只有當運行點處在或者臨近防喘振控制線時，會應(yīng)用拓展安全裕度來的方式提高大壓縮機的流量值。機組在這樣的運行狀態(tài)下，對于常規(guī)的擾動因素，機組并不會屢次啟動防喘振回流閥門，一方面能較好的維持了工藝程序的穩(wěn)定，也能規(guī)避發(fā)生喘振情況。

（2）迅速重復(fù)階躍響應(yīng)RTL。在面對較快速、規(guī)模較大的擾動因素時，如果LIC的比例積分及微分響應(yīng)無法將機組運行點為維持在喘振控制線的安全區(qū)域，霎那間越到了危險區(qū)，LIC便會快速傳送出RTL操作信號，指控執(zhí)行機構(gòu)快速開啟防喘振的回流閥門，快速增加壓縮機的流量，防控機組出現(xiàn)喘振情況。

（3）解耦控制。如果壓縮機組步入至喘振調(diào)節(jié)模式并且有增加流量的現(xiàn)實需求，部分工況下也會有同時降低流量的需求。以上這2個控制回路存在著互為反作用的關(guān)系，操作稍有不規(guī)范，便會增加整個系統(tǒng)失穩(wěn)的風險。常規(guī)防喘振器是一個運行狀態(tài)獨立的回路，和其他控制回路之間無法實現(xiàn)信息資源共享。如果采用LIC的性能控制及喘振控制算法，那么會將各自的輸出信號智能加權(quán)至對方的控制響應(yīng)內(nèi)，進而達到解耦調(diào)控，明顯提升了2個控制回路運轉(zhuǎn)狀態(tài)的協(xié)調(diào)性，快速恢復(fù)壓縮機組穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.5 應(yīng)急停機維護系統(tǒng)

本課題設(shè)計出的該維護系統(tǒng)內(nèi)，硬件是硬冗余的S7 400H PLC，電源、CPU以及I/O卡件的通信功能統(tǒng)一應(yīng)用考慮冗余布置。系統(tǒng)的功能主要是防控壓縮機組內(nèi)部分設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)失常而引起嚴重的損壞事故。在機組投運階段，維護系統(tǒng)能實現(xiàn)在線檢測所有設(shè)計的停機信號。一旦機組轉(zhuǎn)速、軸體振動等信號超出限定值時，便會將停機信號輸進停機電磁閥中，快速斷離主蒸汽的動力來源，實現(xiàn)應(yīng)急停機。檢測機組的動作轉(zhuǎn)速時，本系統(tǒng)會把硬操盤上超速試驗鑰匙開關(guān)安放在“試驗位”，試驗允許燈亮;就地選擇適宜的試驗飛錘;設(shè)計目標轉(zhuǎn)速3360 r/min，機組轉(zhuǎn)速逐步提升，飛錘擊出，機組隨即開閘;把鑰匙開關(guān)安放在“正常”位，開展機組超速試驗階段，DEH超速保護的動作轉(zhuǎn)速自動調(diào)整程3390 r/min，轉(zhuǎn)速超出以上限值時，DEH便會傳送出開閘命令，將其用作后備保護。另外，本系統(tǒng)還能利用高速數(shù)字量采集卡片，完成記錄下機組的停機事件，進而更好地滿足異常事件順序記錄的現(xiàn)實需求，便于技術(shù)人員更快速、精準地判別停機事件的成因。

2.6 軸系監(jiān)測

本文系統(tǒng)應(yīng)用BENTLY Nevada 3500系列，功能主要是監(jiān)測機組軸系的移位、振動等情況。BENTLY Nevada 3500內(nèi)置3500框架、電源與接口模塊、3500/42模塊及繼電器等。其中，2塊3500/32繼電器將開關(guān)量輸送到ESD內(nèi)實現(xiàn)停機保護;1塊3500/93通信模塊協(xié)助操作員站基于網(wǎng)絡(luò)通信過程訪問軸系監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息為主。

2.7 工程師站/操作員站

站臺上布置了壓縮機組的主控制面、應(yīng)急停機維護面、軸系移動振動數(shù)據(jù)面等。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的協(xié)助下，機組操作人員能夠在工程師站/操作員站上利用計算機熒屏上畫面的呈現(xiàn)情況，全面監(jiān)視機組的運行狀態(tài)，有針對性地進行操控。

3 實踐應(yīng)用

將本課題改造設(shè)計出的機械式控制系統(tǒng)用于合成氣汽輪壓縮機組內(nèi)。觀察本機組的現(xiàn)實運轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制精準性地達到了美國MEMASM標準內(nèi)的D級?？刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)、動作時間分別提升至毫秒級、秒級，從根本上規(guī)避了人工操作偏差引起的安全風險?？刂葡到y(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)順利實現(xiàn)數(shù)字化通信與信息資源共享，自動記錄了所有重要的運轉(zhuǎn)參數(shù)信息。

4 結(jié)束語

在各種現(xiàn)代電子設(shè)備的協(xié)助下，改造舊式控制系統(tǒng)，明顯提升了系統(tǒng)響應(yīng)的時效性和調(diào)節(jié)過程的敏捷性，并將磨損卡澀等不良現(xiàn)象的發(fā)生率降至最低?？刂葡到y(tǒng)現(xiàn)代化改造后所創(chuàng)造出的經(jīng)濟效益，對改造階段所需的投資起到一定補償作用。實踐表明，本文研發(fā)出的控制系統(tǒng)是成功的，希望能為后續(xù)階段大規(guī)模進行該方面的改造、升級工作提供一定理論支持。

參考文獻

[1] 焦丹丹，李大尉，何冬青，等.壓縮機自動化及測控技術(shù)研究[J].黑龍江科學，2021，12（6）：96-97.

[2] 宋濤.空壓機勵磁柜供電系統(tǒng)的改造[J].電世界，2021，62（3）：28-29.

[3] 李麗娜，于亮.往復(fù)活塞式壓縮機活塞桿溫度高故障分析及改造[J].壓縮機技術(shù)，2021（1）：53-56.

[4] 張雁超.丙烯制冷壓縮機干氣密封氣源存在的問題與對策[J].化學工程與裝備，2021（2）：163-164.

[5] 盧向銀，李振光，李俊剛，等.鋁鎂合金瓦在往復(fù)式壓縮機中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2021（3）：100-101，104.

[6] 張宇.空氣壓縮機變頻節(jié)能的研究與應(yīng)用[J].礦業(yè)裝備，2021（1）：142-143.

[7] 趙小芳.40萬t/a CO2汽提法尿素裝置節(jié)電技改措施研究應(yīng)用[J].氮肥與合成氣，2021，49（2）：24-26，41.