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摘要：氨氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)因防喘振控制存在缺陷，導(dǎo)致出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行能耗高、自動(dòng)化率低等問題。針對(duì)上述問題，改進(jìn)了壓縮機(jī)組的控制方案，增加相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)組防喘振的精準(zhǔn)控制、負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)控制、各段間入口溫度自動(dòng)控制，提高了壓縮機(jī)組的自動(dòng)化、智能化水平。改造后的運(yùn)行效果表明，改造方案不僅實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)組的智能控制，而且達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)組；智能控制；防喘振控制；節(jié)能降耗
1工藝概述
氨氣壓縮機(jī)是合成氨裝置和低溫甲醇洗裝置中的核心設(shè)備，運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)異?；蛘咄C(jī)，將導(dǎo)致整個(gè)裝置的生產(chǎn)中斷。某300kt／a合成氨、520kt／a尿素、200kt／a甲醇裝置中的氨氣壓縮機(jī)組出口冷凝的液氨分兩路為各裝置提供冷量，一路去低溫甲醇洗裝置，吸收工藝熱量蒸發(fā)后返回壓縮機(jī)一段；另一路去氨合成裝置一級(jí)氨冷器冷卻氨合成裝置的合成氣，蒸發(fā)的氣氨返回壓縮機(jī)四段，剩余的液氨進(jìn)入二級(jí)氨冷器深冷合成氣，蒸發(fā)的氣氨返回壓縮機(jī)二段［1］。
2氨氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)存在的問題
該氨氣壓縮機(jī)組采用NK32／45型多級(jí)冷凝式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)型號(hào)為3MCL707＋3MCL708，低壓缸為7級(jí)葉輪壓縮，高壓缸為8級(jí)葉輪壓縮。氨氣壓縮機(jī)組自投運(yùn)以來(lái)，一直在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷下運(yùn)行，主要存在以下幾方面問題。（1）喘振線。自開車以來(lái)，壓縮機(jī)喘振線未經(jīng)實(shí)測(cè)，原控制系統(tǒng)中的喘振線是根據(jù)壓縮機(jī)制造企業(yè)提供的理論曲線進(jìn)行控制，由于設(shè)計(jì)、制造等其他方面存在偏差，壓縮機(jī)的實(shí)際喘振線與理論預(yù)測(cè)喘振線常存在顯著差異，使用理論喘振線常無(wú)法完成精準(zhǔn)的防喘振保護(hù)［2］，且防喘振閥長(zhǎng)期處于手動(dòng)或半自動(dòng)模式，其控制精度、響應(yīng)時(shí)間、機(jī)組安全等無(wú)法保證。（2）入口壓力采用手動(dòng)控制。壓縮機(jī)入口壓力通過(guò)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)速、防喘閥和入口溫度調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制與性能控制未能實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。（3）能耗高。一方面由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制與性能控制未能實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，操作人員手動(dòng)控制時(shí)，會(huì)相對(duì)保守地將壓縮機(jī)組控制在較高的轉(zhuǎn)速下；另一方面，在不同的季節(jié)四回一防喘閥有10％～25％開度，必然導(dǎo)致能耗增加，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作，造成浪費(fèi)，不利于生產(chǎn)運(yùn)行的節(jié)能降耗。（4）自動(dòng)化率低。控制壓縮機(jī)組的手動(dòng)調(diào)節(jié)較多，自動(dòng)化程度低，在操作時(shí)容易出現(xiàn)失誤，造成壓縮機(jī)出口壓力波動(dòng)，影響正常生產(chǎn)，甚至?xí)?duì)設(shè)備造成損害。
3新系統(tǒng)的主要控制策略
3.1喘振控制策略
根據(jù)壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)提供的理論曲線重新計(jì)算壓縮機(jī)組喘振線，將不同壓縮機(jī)入口條件的喘振線彌合成一條喘振極限線（SLL）［3］，在此基礎(chǔ)上預(yù)留安全裕度計(jì)算出喘振控制線（SCL），并且在試車和運(yùn)行前期階段測(cè)出實(shí)際喘振點(diǎn)，進(jìn)行修正得到較準(zhǔn)確的SLL。3.1.1RT階躍響應(yīng)。在SLL與SCL之間增加一條隱藏的階躍響應(yīng)線（RTL），如果出現(xiàn)一個(gè)較大較快的擾動(dòng)，當(dāng)正常PID調(diào)節(jié)不能使壓縮機(jī)操作點(diǎn)保持在SCL的右側(cè)，操作點(diǎn)瞬間越過(guò)了SCL左側(cè)的RTL時(shí)，控制器將會(huì)實(shí)施開環(huán)控制策略，即RT階躍響應(yīng)。RT階躍響應(yīng)會(huì)快速將預(yù)設(shè)的輸出值重復(fù)累計(jì)疊加在常規(guī)PID控制的輸出值上，共同作用于防喘振閥，直至操作點(diǎn)回到RTL的右側(cè)，這樣就可以增加足夠的流量防止出現(xiàn)喘振［4］。3.1.2安全響應(yīng)。在SLL的左側(cè)增加一條安全響應(yīng)線（SOL），如果因意外情況（較大的過(guò)程變化、特別嚴(yán)重的波動(dòng)等）使壓縮機(jī)的操作點(diǎn)越過(guò)SLL和SOL而發(fā)生喘振［5］，則安全響應(yīng)就會(huì)重新增加一定量的喘振控制裕度，使SCL右移，增大SCL與SLL之間的距離，保證在下一次喘振周期到來(lái)之前將喘振止住［6］。3.1.3緊密關(guān)閉控制。在SCL的右側(cè)增加一條緊密關(guān)閉線（TSL），如果操作點(diǎn)在TSL的右側(cè)，那么防喘振控制器的TS緊密關(guān)閉響應(yīng)將輸出信號(hào)全關(guān)防喘振閥；當(dāng)操作點(diǎn)在TSL左側(cè)和SCL右側(cè)時(shí)，則輸出較小開度使防喘振閥微開，防止防喘振閥卡澀，無(wú)法迅速打開，造成機(jī)組喘振。各種控制線之間的關(guān)系［7⁃8］見圖1。圖1中坐標(biāo)軸x、y為性能曲線的主要坐標(biāo)，x為簡(jiǎn)化的流量平方，y為簡(jiǎn)化的壓頭；b為可變的安全裕度大小，即喘振控制裕度；b1為初始安全裕度；b2為安全響應(yīng)偏置值，即每次檢測(cè)到喘振時(shí)，SCL右移的距離；n為已發(fā)生的喘振次數(shù)；d1為TSL與SCL之間的預(yù)設(shè)距離；SO為安全響應(yīng)偏置，是SLL與SOL之間的預(yù)設(shè)距離；RT為階躍響應(yīng)預(yù)設(shè)偏置。
3.2機(jī)組負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)控制策略
壓縮機(jī)入口壓力性能控制回路與速度控制回路采用串級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟隨機(jī)組負(fù)荷變化的自動(dòng)控制；同時(shí)通過(guò)入口壓力超馳控制（POC）及系統(tǒng)解耦功能精確控制壓縮機(jī)入口壓力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，即設(shè)定入口壓力值后，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)。3.3Fallback策略Fallback策略可用來(lái)監(jiān)測(cè)流量、壓力、溫度等測(cè)量信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)回路情況。如果有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量回路故障，將發(fā)出報(bào)警，同時(shí)喘振控制進(jìn)入Fallback狀態(tài)，不會(huì)導(dǎo)致停車；性能控制器進(jìn)入Fallback狀態(tài)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換至預(yù)先設(shè)置好的替代回路控制；當(dāng)故障信號(hào)回路為聯(lián)鎖信號(hào)時(shí)，信號(hào)將保持在最后的真實(shí)值或預(yù)設(shè)的數(shù)值上，同時(shí)報(bào)警，聯(lián)鎖不會(huì)動(dòng)作造成停車。
4控制系統(tǒng)的改造實(shí)施
針對(duì)氨氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)存在的問題，通過(guò)大量調(diào)研、分析和充分準(zhǔn)備，于2019年9月大檢修期間實(shí)施氨氣壓縮機(jī)組的智能控制與節(jié)能降耗改造，主要內(nèi)容如下。（1）新增一套專用控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)防喘振控制、入口壓力性能控制和負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制。防喘振控制器、調(diào)速控制器執(zhí)行周期為20ms，輸入點(diǎn)掃描周期為2.5ms，輸入點(diǎn)掃描8次，控制器執(zhí)行1次。（2）新系統(tǒng)出廠前完成了系統(tǒng)機(jī)柜硬件的組裝和控制系統(tǒng)軟件的組態(tài)，并測(cè)試合格。（3）根據(jù)檢修計(jì)劃，安裝了新系統(tǒng)機(jī)柜、操作站等設(shè)備，按照?qǐng)D紙將原系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速、段間出入口壓力、段間出入口溫度、段間出入口流量、段間防喘振閥控制、段間溫度控制閥等信號(hào)接入新的控制系統(tǒng)中，完成了新系統(tǒng)的安裝接線調(diào)試工作。（4）根據(jù)重新計(jì)算的喘振線及相關(guān)參數(shù)，設(shè)置了新系統(tǒng)內(nèi)部的組態(tài)參數(shù)，刪除了原系統(tǒng)中的相關(guān)組態(tài)。（5）壓縮機(jī)組啟動(dòng)后，進(jìn)行了喘振點(diǎn)實(shí)測(cè)試驗(yàn)，中控和現(xiàn)場(chǎng)人員密切關(guān)注機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，通過(guò)反復(fù)微調(diào)，得到了更接近實(shí)際的喘振線。（6）機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)后，調(diào)整了各控制器的相關(guān)參數(shù)，獲得了壓縮機(jī)組全自動(dòng)智能控制的效果。
5改造后的效果
改造后的控制系統(tǒng)畫面簡(jiǎn)單明了，操作便捷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓縮機(jī)組的智能化控制，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。（1）系統(tǒng)改造后的喘振控制線更加接近實(shí)際，3套防喘振控制算法分別用于氨壓縮機(jī)組四回一、四回二、四回三防喘振閥的精確控制，并且在控制算法中增加了自動(dòng)補(bǔ)償壓縮機(jī)入口壓力、溫度等參數(shù)的變化，防喘振閥門在所有工況可投入自動(dòng)模式運(yùn)行，正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)防喘振閥可實(shí)現(xiàn)全關(guān)，減少了壓縮機(jī)組的回流量，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗。（2）機(jī)組負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)控制策略實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)入口壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速的全自動(dòng)控制功能，降低了操作人員的操作強(qiáng)度和誤操作概率，提高了壓縮機(jī)組自動(dòng)化控制水平，有望實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組無(wú)人值守或黑屏操作，解決了工藝崗位缺員的問題。（3）系統(tǒng)改造后，壓縮機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行的轉(zhuǎn)速由7300r／min降至6960r／min左右，汽輪機(jī)4.0MPa中壓過(guò)熱蒸汽的消耗量由30t／h減至24t／h。按年運(yùn)行時(shí)間7900h、中壓過(guò)熱蒸汽以50元／t計(jì)，氨氣壓縮機(jī)組年節(jié)能費(fèi)用為237萬(wàn)元。（4）實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)一段、二段、三段溫度調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制。溫度調(diào)節(jié)閥與防喘振控制解耦，解決了操作人員長(zhǎng)期純手動(dòng)控制各段溫度調(diào)節(jié)閥的問題。（5）在系統(tǒng)改造過(guò)程中，根據(jù)控制系統(tǒng)的精度要求，重新修改了壓縮機(jī)各段的壓力、流量變送器的量程、阻尼時(shí)間、故障方向，評(píng)估了防喘振閥的流通能力、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，使壓縮機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器能在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)壓縮機(jī)的喘振進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且增加的Fallback策略避免了因儀表故障測(cè)量值突變導(dǎo)致的無(wú)故停機(jī)，大幅提高了控制系統(tǒng)的可靠性，解決了因生產(chǎn)波動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)組本身造成的影響或破壞。（6）控制系統(tǒng)改造后，提高了機(jī)組的自動(dòng)化控制水平，縮短了生產(chǎn)開車時(shí)間，機(jī)組在熱態(tài)情況下可以在30min左右達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)，快速恢復(fù)生產(chǎn)。
6結(jié)語(yǔ)
隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能化水平的發(fā)展，節(jié)能降耗必然是企業(yè)的重點(diǎn)控制之一，一套自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)不僅能降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且在一定程度上可以幫助化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化減員、智能化換人”的目的，向智慧工廠邁進(jìn)。同時(shí)本次控制系統(tǒng)的改造，也可為其他企業(yè)在機(jī)組控制系統(tǒng)的選型或運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)同類問題時(shí)提供參考。
作者:梁安 單位:陜西奧維乾元化工有限公司