合成氣壓縮機綜合控制方案的應用

李皓，王敏，宋立軍，楊琴

(1. 北京康吉森自動化技術股份有限公司，北京 101318； 2. 內蒙古博大實地化學有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017399)

合成氣壓縮機是化肥裝置中的關鍵設備，其運行情況直接影響裝置的平穩生產和經濟效益。某化學有限公司合成氨裝置于2012年投產，該裝置配套的合成氣壓縮機是由GE公司生產，采用Tricon控制系統，其中汽輪機調速和防喘振控制方案采用GE公司的算法，以“黑匣子”形式運行，內部控制邏輯不對用戶開放，無法查看，也無法根據實際情況調整。所以在實際使用過程中，壓縮機負荷控制無法投用自動，需要操作人員根據裝置負荷手動調節。因此，該公司提出了壓縮機負荷自動控制，操作條件可視化，控制邏輯參數可調的需求，經與控制系統供應商溝通并一起制定了詳細的控制方案，通過汽輪機轉速控制和壓縮機防喘振控制之間的解耦，來實現壓縮機入口壓力控制；通過循環段防喘振控制和出口放火炬閥高限控制高選的方式來控制出口壓力，達到合成氣壓縮機負荷自動調節的目的，實現整個合成氣壓縮機控制操作的可視化、參數可調。

1 合成氣壓縮機控制系統的問題

在實際使用過程中，該壓縮機控制系統存在以下問題：

1)日常操作過程中，受上游單元工藝波動影響，為保證合成氣壓縮機入口壓力范圍為4.8～5.3 MPa，操作人員需要隨時調整機組轉速和防喘振閥開度，造成操作人員勞動強度大，壓力控制不穩定。

2)壓縮機部分聯鎖邏輯條件不明確，出現異常情況時操作人員無法準確判斷原因，影響故障的排除。

3)調速系統PID參數沒有根據不同轉速階段自動調整的功能，每次開車操作人員需要在不同轉速階段手動設置經驗參數，操作繁瑣且不安全。

因此迫切需要一種新的控制方案，既能實現生產過程中的自動控制，又能讓用戶簡單明了地了解壓縮機的邏輯動作條件和結果。

2 合成氣壓縮機工作流程和基本控制

2.1 合成氣壓縮機工作流程

合成氣壓縮機的主要功能是將來自氮洗單元的氫氮合成氣經過壓縮機低壓段壓縮后，將一部分氣體送至脫硫單元，用于鈷-鉬加氫，另一部分氣體經中間冷卻器冷卻分離后，送入壓縮機高壓段壓縮，再經冷卻器和分離器分離水蒸氣后和CO2送入循環段壓縮，出循環段經熱交換器升溫后送入合成塔。合成氣壓縮機流程如圖1所示。

圖1 合成氣壓縮機流程示意

2.2 合成氣壓縮機基本控制

2.2.1 轉速控制

合成氣裝置負荷變化時，通過調節壓縮機轉速來調整壓縮機的負荷，達到維持裝置平穩運行的目的，該裝置壓縮機為汽輪機驅動，通過控制汽輪機調速閥調節進入汽輪機的蒸汽流量來控制轉速。

轉速控制分為停機、聯鎖復位、允許啟動、升速、正常運行、超速實驗、正常停機七個模式。在壓縮機轉速進入正常運行模式后即可進入正常生產的轉速控制。

2.2.2 防喘振控制

喘振是壓縮機固有的一種非正常工作狀態，對設備有較大的危害性，是壓縮機損壞的主要因素之一。因此，防喘振控制做為壓縮機控制的重要組成部分，對保證壓縮機安全、可靠運行有著非常重要的意義。防喘振控制通常是設置壓縮機的防喘振曲線和工作點，通過防喘振閥將工作點控制在防喘振線的右側。

該壓縮機工作點與喘振控制曲線如圖2所示，以差壓Δp與入口壓力ps比值的開方為橫坐標，以出口壓力pd與ps比值為縱坐標。

圖2 防喘振控制曲線

工作點在控制線右邊時，需關小防喘振閥使工作點靠近控制線；工作點在控制線左邊時，需開大防喘振閥使工作點進入安全區域。

2.2.3 壓縮機出口壓力限控制

合成氣壓縮機的出口壓力受出口安全閥的限制。當出口壓力超過設定值時，放火炬閥開始打開，降低出口壓力；當出口壓力降低至設定值時，放火炬閥關閉。通過放火炬閥來控制壓縮機出口壓力，避免安全閥起跳。

2.2.4 壓縮機入口壓力性能控制

合成氣壓縮機入口壓力的變化影響著該裝置的平穩運行。入口壓力性能控制可根據裝置的負荷自動調節壓縮機的負荷，控制入口壓力有調節轉速和調節防喘振閥兩種方式，維持裝置平穩運行。當調節轉速控制入口壓力時，入口壓力升高時，提高壓縮機轉速來降低入口壓力，反之亦然；調節防喘振閥控制入口壓力時，入口壓力升高時，關小防喘振閥降低入口壓力，反之亦然。

2.2.5 控制器之間的相互影響

該壓縮機的運行工況在受到上下游單元的工況影響時，需要通過轉速調節、防喘振閥調節、放火炬閥調節等手段滿足上下游單元的需求，但各個控制器之間又會相互影響，很難在滿足所有需求的同時達到平衡。

1)當采用汽輪機轉速來控制入口壓力時。如果裝置負荷降低，入口壓力減小，會通過降低汽輪機轉速來提升入口壓力，當汽輪機轉速降低時壓縮機入口流量會減少，壓縮機的工作點會向喘振線靠近，防喘振閥會打開，防喘振閥打開會造成入口壓力升高。當汽輪機轉速下降和壓縮機防喘振閥打開同時發生時，壓縮機入口壓力會快速上升，此時會提升汽輪機轉速來降低入口壓力，當轉速上升時壓縮機入口流量會增加，壓縮機的工作點會離開喘振線，防喘振閥會關小；當汽輪機轉速升高和壓縮機防喘振閥關小同時發生時，壓縮機入口壓力又會快速降低，最終入口壓力會上下波動，無法穩定下來。使用防喘振閥來控制入口壓力時也會面臨同樣的問題，因此獨立的汽輪機轉速控制和壓縮機防喘振控制都是造成彼此的擾動因素。

2)入口壓力控制對出口壓力控制的影響。當入口壓力升高時，會提升汽輪機轉速或者關小防喘振閥來降低入口壓力，汽輪機轉速的上升和防喘振閥的關小都會造成出口壓力的升高；當裝置負荷較高時，出口壓力也會比較高，如果此時繼續提升汽輪機轉速或者關小防喘振閥，有可能造成出口壓力超限，將放火炬閥快速打開，會降低出口壓力，但對裝置造成波動, 影響工藝生產。

3 合成氣壓縮機綜合控制方案

根據實際運行工況設計了合成氣壓縮機綜合控制方案，如圖3所示。

圖3 合成氣壓縮機綜合控制方案示意

入口壓力作為壓縮機性能控制主要的被控參數，通過汽輪機轉速和壓縮機低壓段防喘振控制同時去調節，為防止汽輪機轉速和壓縮機防喘振控制在調節時的相互干擾，在兩者之間設計了解耦控制。解耦原理： 當入口壓力低于設定值時，需要降低壓縮機負荷來提升入口壓力，以壓縮機工作點與喘振線之間的相對位置關系作為優先選擇汽輪機轉速或者壓縮機防喘振控制的標準。當工作點靠近喘振線3%以內，優先打開防喘振閥來提升入口壓力；當工作點離開喘振線5%以外，優先降低汽輪機轉速來提升入口壓力。當入口壓力高于設定值時，需要增加壓縮機負荷來降低入口壓力，當工作點靠近喘振線3%以內，優先提高汽輪機轉速來降低入口壓力；當工作點離開喘振線5%以外，優先關小防喘振閥來降低入口壓力。

壓縮機入口壓力性能控制與高壓段喘振閥、循環段防喘振閥之間設計防喘振解耦控制器，協調各段防喘振閥，調節相互之間的擾動。當高壓段、循環段防喘振工作點距離控制線小于預設值時，限制通過降低轉速來降低壓縮機負荷，保證高壓段、循環段防喘振工作點不會繼續靠近控制線，保證機組安全。

循環段防喘振控制和出口壓力控制設置閥位輸出高選，通過循環段防喘振來控制出口壓力，同時設置出口壓力高限控制器，通過放火炬閥來控制出口壓力。當出口壓力超過控制值時打開循環段防喘振來降低壓力，當出口壓力高于放火炬設定值時打開放火炬閥來降低出口壓力。

該方案正常投用時，能平穩控制壓縮機入口壓力和出口壓力，同時做到壓縮機的防喘振保護和出口壓力高限保護。

4 應用效果

新的合成氣壓縮機綜合控制方案還增加了綜合控制畫面，完善了人機界面(HMI)上的邏輯信息顯示。該方案刪除了原壓縮機的轉速和防喘振控制邏輯，更新了控制函數庫，經過仿真測試后于2022年檢修期間正式下裝。

修改后的HMI信息清晰明了，操作人員能夠完全了解機組運行狀態和控制方案目標，操作簡單。目前裝置已正常開車，壓縮機轉速控制、防喘振控制、入口壓力性能控制、出口壓力控制均投用自動，該裝置運行平穩。相較與以前的方案，機組實現了一鍵啟機，自動加載負荷，操作步驟大幅減少，壓縮機主要控制目標入口壓力穩定，達到了預期效果。

5 結束語

合成氣壓縮機作為化肥裝置的核心設備之一，長期以來多為采用進口壓縮機和與之配套的控制方案，在實際應用中過程控制系統封閉、控制方案老舊、調整困難，很多方面都不符合當前的技術應用場景。通過對原合成氣壓縮機控制方案的替代，很好地證明了合成氣綜合控制方案的可靠性和平穩性，對于國內同類型壓縮機提高自動控制率、穩定工況、減輕勞動強度具有很強的借鑒意義。