CCC機組控制系統在乙烯制冷壓縮機中的應用

熊浩，方群偉，程鋒

(1. 中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430070；2. 海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101)

某乙烯裝置乙烯制冷壓縮機(簡稱“壓縮機”)為沈陽鼓風機集團股份有限公司制造的四段十二級離心式壓縮機，機組設計了“四返一”“四返二”“四返三”防喘振和石墻控制系統，以提高機組運行安全性和穩定性，帶控制回路的壓縮機氣路結構如圖1所示。原控制系統采用某公司綜合透平壓縮機控制系統(ITCC)，自2013年投產運行以來，“四返二”防喘振閥在半自動情況下仍有36%的開度，全自動情況下壓縮機工作點的安全裕度只能控制在3%。為了保證機組安全運行，“四返二”防喘振閥不能全關，防喘振控制器無法投全自動，造成壓縮機能耗過高。2020年，該乙烯裝置因擴能改造更新乙烯制冷壓縮機，新增美國壓縮機控制公司冗余CCC控制系統，實現防喘振控制、石墻控制、蒸汽透平速度控制、抽汽控制及壓縮機入口壓力性能控制等功能，原ITCC系統保留安全聯鎖保護及輔助單元的自動控制協調使用。

1 原機組控制系統問題

原ITCC系統主要有如下四個問題：

1)喘振曲線沒有實測。壓縮機在初始投料開車期間，原ITCC系統沒有做過喘振曲線實測，其性能曲線是制造商提供的理論設計參數。因為壓縮機出廠前驗收時，無法在真實工藝氣配比的工況下測試，制造、安裝誤差和運行損耗使設計喘振曲線和實際喘振曲線相比可能存在偏差[1]。如果實際喘振曲線偏右，會使防喘振閥提前打開，產生不必要的能耗；如果偏左，就起不到防喘振保護作用。

2)控制裕度設置過小。防喘振控制線與喘振曲線之間的控制裕度太小，當入口流量減小時，工作點運行到防喘振控制線左側時，防喘振閥還沒來得及調整，工作點就瞬間觸碰到喘振曲線，使防喘振閥全開，對系統造成較大的擾動。

3)石墻控制功能無效。三段石墻控制原設計由三段出口壓力PID調節，因控制效果不理想一直處于手動控制，當壓縮機高負荷運轉時，如果在三段發生阻塞工況，石墻控制閥無法自動打開，則不能夠有效保護機組。

4)無解耦控制功能。壓縮機入口壓力與轉速設置了串級控制(即性能控制)[2]，但防喘振控制與性能控制之間沒有解耦控制。當壓縮機工作點距離防喘振控制線很近時，此時如果再繼續降低轉速，機組就會有發生喘振的可能性。

圖1 帶控制回路的壓縮機氣路結構示意

2 改造目標及方案

將該壓縮機控制系統更新為冗余CCC機組控制系統，通過開工初期喘振曲線實測及控制算法優化，精確計算乙烯制冷壓縮機喘振曲線和機組性能，優化防喘振控制與性能控制及回路解耦控制，實現乙烯制冷壓縮機防喘振控制、蒸汽透平速度控制、蒸汽透平抽汽控制、入口壓力性能控制以及三段石墻控制等功能。

2.1 防喘振控制

2.1.1防喘振控制原理

壓縮機在不同工況下有不同的性能曲線，CCC機組控制系統以實測壓縮機喘振曲線獲得喘振極限線(SLL)為基準，通過防喘振控制算法分別生成喘振控制線(SCL)、階躍響應線(RTL)、安全響應線(SOL)等多條不同喘振深度的防喘振控制線[3]，不同工況下的防喘振控制線如圖2所示，其中Rc為壓縮比。

圖2 防喘振控制線示意

防喘振控制器通過時刻監測壓縮機工作點與喘振極限點之間的距離來保護壓縮機不受喘振的影響，這個距離不能直接被測量，而是壓縮比、流量、轉速、導葉角度以及氣體壓力、溫度和成分的函數[4]。

CCC機組控制系統防喘振控制算法： 在SLL右側設置了一條距離為可變安全裕度b的SCL，這樣就可以在工作點移動到SLL之前開始控制防喘振閥門動作，及時補充壓縮機入口流量，從而盡快將工作點移動到SCL右側安全區域。

當工作點緩慢躍過SCL時，防喘振控制器觸發PI響應，調節防喘振閥開度，PI響應為小的干擾提供足夠的保護；當工作點越過SCL并快速向左移動時，利用工作點移動的變化率動態增加喘振控制裕度，這使得防喘振控制器PID響應可以更早地做出反應；當防喘振控制器PID響應太慢，以至于不能抵御擾動時，CCC機組控制系統又在SLL和SCL之間設置了一條隱藏的RTL，如果工作點越過RTL，則防喘振控制器將在PID響應的基礎上疊加多個快速重復階躍開閥信號，快速打開防喘振閥，此時如果防喘振控制器處于手動狀態，系統將強制切換至自動然后執行開閥動作。

如果階躍響應仍然沒有使壓縮機遠離喘振區，工作點將有可能會越過SOL，此時表明壓縮機已經處于喘振狀態，SOL響應將疊加RTL響應動作，同時SCL和RTL同步向右移動0.05的安全距離，增加額外的安全保護裕度，右移后的RTL和SCL將保證下一次壓縮機在進入喘振區之前防喘振閥提前動作。觸發SOL響應后，新生成的SCL和RTL不會自動復位，當人工復位后，安全裕度值才會恢復到SOL響應之前的數值。

2.1.2防喘振控制模型及算法

CCC機組控制系統的專用控制算法通過計算工作點斜率與喘振極限點斜率的比值來確定工作點與喘振點的相對位置，稱為接近喘振變量Ss。防喘振控制的目的就是通過調節使壓縮機的工作點遠離該區域而始終保持在Ss值小于1的正常工況區間內運行。

CCC機組控制系統的防喘振控制方式主要根據Ss建立喘振的數學模型，并計算出工作點和喘振極限之間的喘振控制裕度d(d=1-Ss)，再加入安全裕度b1即可得到SCL和SLL的相對距離，然后進一步確定工作點和SCL之間的距離DEV(DEV=1-Ss-b1)，即可得到CCC機組控制系統防喘振控制的相關參考曲線，從而實現壓縮機的安全、平穩控制，防喘振控制模型如圖3所示，圖3中，hr是簡化壓頭；OPL是工作點運行線，a是SOL與SLL間的響應裕度，工作點跨越SLL后，經過a即跨越SOL后，就會觸發快開響應；b是RTL與SCL的響應裕度，工作點跨越SCL后，經過b即跨越RTL后，就會觸發階躍響應。

圖3 防喘振控制模型示意

2.1.3喘振曲線實測

由于壓縮機入口介質條件如溫度、壓力、相對分子質量不同，喘振曲線是分散的多條曲線，給防喘振控制帶來很大困難[5]。CCC機組控制系統特有的喘振檢測機制和快速掃描周期，并結合“簡化壓頭(hr)-簡化流量(qV)”的變工況專利算法，通過壓縮機入口壓力或流量的快速下降來捕捉初始喘振，并將喘振曲線擬合成與入口條件無關的控制曲線，這樣就可以更為方便地確定喘振點?；谠撛砜梢詫崿F壓縮機在開機狀態下的喘振曲線實測。根據壓縮機不同工況下各性能曲線上的喘振極限點可以繪制出壓縮機的SLL。

喘振試驗在壓縮機正常啟動并達到最低工作轉速即(70%～75%)額定轉速后開始進行，依次選取75%，80%，85%，90%，100%額定轉速進行喘振試驗，該改造項目選定4 112，4 626，4 858，5 140，5 397 r/min進行實測。喘振試驗過程中，工藝人員通過CCC機組控制系統監視壓縮機軸振動、軸位移、軸瓦溫度等參數，設備人員在現場監視壓縮機運行狀況。當相應參數有明顯升高跡象和接近報警設定值，或發現機組運行異常，或聽到有喘振聲音等時，應立即停止試驗，并記錄當前工作點作為一個初始喘振點[6]。

圖4 壓縮機實際防喘振曲線示意

2.2 極限控制

設置性能控制器輸出作為速度控制器的遠程設定，同時加入極限控制功能，即在控制一個主要變量的同時，對另外一個變量進行極限約束，以保持壓縮機始終在安全區域內運行。性能控制器增加壓縮機入口壓力極限控制，防止壓縮機入口壓力低于下限設定值時引起壓縮機轉速波動；防喘振控制器增加壓縮機出口壓力極限控制，防止壓縮機出口壓力高于上限設定值時引起安全閥起跳，甚至壓縮機聯鎖停車[7]。

2.3 石墻控制

石墻同喘振一樣，也是離心式壓縮機固有的不正常運行工況，是指壓縮機在運行過程中某段氣體無法排出時發生的內部氣體阻塞現象。石墻控制與防喘振控制相似，防喘振控制是在壓縮機不同壓比下流量小時打開防喘振閥，而石墻控制是在壓縮機不同壓比下流量大時打開石墻控制閥。當壓縮機在某工況下運行時，一段和二段吸入過多的冷劑無法全部壓縮而進入下一級，因此要在三段排出一部分氣體冷劑返回入口。如果這部分冷劑不排出壓縮機，將在二段或三段之間循環，每當要進入三段時就會出現石墻現象。這時，壓縮機一段和二段流量會迅速減少，四段則會發生喘振。因此，在壓縮機可能出現石墻現象時，要將過多的氣體冷劑從三段排出，此時就需要開大石墻控制閥在壓縮機外循環至壓縮機入口。石墻控制閥的設置如圖5所示。

圖5 石墻控制閥設置示意

當通過壓縮機的流量低于阻塞流量時，石墻控制閥保持全關，當流量接近阻塞流量時，石墻控制器開始打開控制閥，將過多氣體排出。石墻控制器通過石墻控制線(CCL)來確定其控制響應和動作，CCL定義了工作點和阻塞限制線(CLL)之間所要求的最小安全距離，并且始終位于阻塞限制線的左側，CCL與CLL之間的距離為安全裕度b2。

壓縮機工作點與CCL之間的距離DEV作為偏差參與石墻控制，當工作點在CCL左側時偏差為正，石墻控制器關小控制閥；隨著工作點向CCL右側移動時偏差逐步減小，當工作點落在CCL上時偏差為零，此時石墻控制器輸出保持不變；當工作點移動到CCL右側時偏差為負，石墻控制器開大控制閥以增加壓縮機的排出流量，防止壓縮機進入阻塞工況，石墻控制器在整個調節過程中僅通過PI控制來響應偏差變化，使石墻控制閥打開速度更快[8]。壓縮機石墻控制模型如圖6所示，縱坐標為壓縮機某段出口壓力pd與入口壓力ps的比值，橫坐標為某段入口流量與入口最大流量的比值Hc。

2.4 解耦控制

過低的壓縮機入口壓力會提高壓縮機壓縮比，造成排氣溫度上升，影響排氣量；過高的入口壓力會增加壓縮機負荷，降低壓縮機效率。壓縮機性能控制即通過入口壓力與轉速調節的串級控制，維持入口壓力穩定。但是，當壓縮機工作點距離SCL很近時，如果單純降低轉速將增加機組喘振的風險。比如，當壓縮機入口壓力受到干擾突然降低時，單純靠降低轉速無法維持入口壓力穩定，此時需要打開一段防喘振閥來提高入口壓力；即使喘振被成功避免，工作點在調節過程中也會產生較大擾動，甚至會造成壓力調節失控，嚴重破壞工藝穩定[9]。

圖6 壓縮機石墻控制模型示意

壓縮機性能控制與防喘振控制之間存在著耦合關系[10]，通過入口壓力控制器的輸出作為轉速控制和防喘振控制的給定值進行解耦，CCC機組控制系統能夠很好地解決壓縮機入口壓力控制、轉速控制、極限控制和防喘振控制等多個控制器控制同一變量，或多個控制器之間相互沖突而引起壓縮機控制紊亂等問題，最大限度減少或抵消各個控制回路之間相互作用產生的潛在干擾因素，它可以根據其他控制響應的變化來動態調整系統控制響應，監視和補償各控制器輸出有效協調控制，通過多變量控制，保證壓縮機始終安全平穩運行。配置解耦功能的壓縮機喘振控制曲線如圖7所示。

圖7 防喘振和性能控制的解耦示意

由圖7可知，如果工作點在性能曲線上的A點開始出現一個較大擾動而到B點，性能控制器需要將壓力控制到設定點C點。此時，防喘振控制器輸出信號到性能控制器來提高壓縮機轉速和流量，運行點只需要一個很小的調節范圍就能重新回到安全區域。這種解耦控制響應在擾動出現時能保證控制的平穩，同時也能保證壓縮機在快速響應時不會進入喘振區，造成機組運行狀態進一步惡化。

3 結束語

通過CCC機組控制系統實施了壓縮機喘振曲線和機組性能的精確計算，并在裝置開工階段完成了壓縮機喘振曲線實測，喘振線都發生了大幅向左的移動，增加壓縮機的操作空間和操作彈性，進一步實現壓縮機節能運行。

通過CCC機組控制系統成功解決了“四返二”防喘振操作安全裕度過低、防喘振閥不能全關以及四段石墻控制功能無效等問題。同時，對壓縮機性能控制、抽汽控制、石墻控制及各段防喘振控制等控制策略進行了優化，并根據壓縮機操作要求配置了各控制器之間的解耦功能。

在開工初期，乙烯制冷壓縮機所有控制器均能投入全自動模式運行，各段防喘振閥均能實現全關操作，多次避免了防喘振閥在工藝波動時的不合理開啟。延長了壓縮機的壽命，減少了不必要的能耗，提升了自動化操作水平，縮短了裝置開工時間，同時提高了壓縮機和生產裝置的經濟性和安全平穩性。