TS3000系統在催化主風機防喘振控制中的應用研究

袁國利

(北京交通大學電氣工程學院，北京 100044)

0 引言

中國石化武漢分公司催化裂化裝置兩機系統由主風機和富氣壓縮機組成。其中主風機為三臺離心式壓縮機，1#機組為電機拖動，2#機組為煙氣輪機拖動，3#機組為蒸汽透平驅動，控制系統為TRICONEX公司的TS3000系統，由此實現所有機組的調速控制、防喘振控制、狀態監測以及機組ESD緊急停車系統。

1 防喘振系統配置及其原理

TS3000系統是TRICONEX公司的ITCC(透平－壓縮機綜合控制系統)系統，實現機組控制和狀態監測。主控制器為Tricon控制器，該系統為TMR三重化冗余模件。每一個I/O模件內都包容有三個獨立的分電路，輸入模件上的每一分電路讀取過程數據并將這些信息傳送給相應的主處理器。三個主處理器通過一個專用的TriBus高速總線系統通訊。三重化冗余保證了設備的容錯能力，并且能在原部件出現硬件故障或者來自內、外部瞬態故障的情況下提供完好的不間斷控制，因此系統具有很高的可靠性和穩定性。TMR三冗余原理如圖1所示:

1.1 TRICON系統的特點

圖1 控制器的三重化結構

該系統是一種具有高容錯能力的可編程控制器及過程控制技術。系統由三個完全相同的系統通道組成(電源模件除外，該模件是雙重冗余的)。每個系統通道獨立地執行控制程序，并與其它兩個通道并行工作。硬件表決機制則對所有來自現場的數字式輸入和輸出進行表決和診斷。模擬輸入則進行取中值的處理。因為每一個分電路都是和其它兩個隔離的，任一分電路內的任何一個故障都不會傳遞給其它兩個分電路。對于各個分電路、各模件和各功能電路的診斷工作能夠及時地探查到運行中的故障，并進行指示或報警。診斷還可以把有關故障的信息存儲在系統變量內。在發現有故障時，操作員可以利用診斷信息以修改控制動作，或者指導其維護過程。因為此三重系統工作起來和一個控制系統一樣。用戶將傳感器或執行機構連接到一路接線端上，并且應用一組邏輯為Tricon編程。其余的事都由Tricon自行管理。維修工作，包括拆卸和更換有分電路故障的故障模件都可以在線情況下進行，而不中斷過程控制。(在有熱備卡件的情況下，并確認熱備卡件處于工作狀態，方可進行)。

1.2 系統軟件組成

系統編程軟件Tristation1131，利用功能塊FBD語言編寫程序。通過編制相應的程序完成模擬量處理運算、順序控制邏輯、控制算法等任務。上位監控軟件為INTOUCH，實現現場采集的數據的顯示、監控功能，實現對現場執行機構的操作。1131通過DDE(Dynamic Data Exchange)程序，實現與上位監控軟件的數據連接。

2 壓縮機防喘振控制方案

由于離心壓縮機本身固有的特性，當壓縮機的入口流量小于某一流量 Qmin時，壓縮機氣體流量和排氣壓力發生周期性地低頻率、大振幅地波動，引起機器的強烈振動，這種現象即壓縮機的喘振。伴隨喘振而來的是壓縮機振動劇烈上升并伴有巨大異常響聲，如果不能有效采取控制措施會對壓縮機造成嚴重的損傷。壓縮機喘振除和壓縮機本身特性有關外還與壓縮機管網特性有一定關系。喘振工況的發生非常迅速，因而需要精確、快速的控制算法才能實現有效的控制。

圖2 壓縮機喘振過程示意圖

2.1 防喘振控制幾種方法

防止壓縮機喘振采取的方法稱為防喘振控制。在給定的入口溫度和壓力下，通過試驗可得到壓縮機流量與壓比以及流量與效率的關系，進而可繪出壓縮機的性能曲線。目前現場工業應用一般采用兩種防喘振控制方法，就是固定極限流量法與可變極限流量法。都是通過先確定壓縮機的喘振點，當壓縮機運行至喘振點時打開回流閥或者放空閥增大壓縮機入口流量減小，壓縮機出口壓力，消除喘振。這里討論催化主風機的控制，由于風機不存在物料回收利用、節能問題，因此，防喘振控制不采用壓縮機出口回流入口的方式，而是采用防喘振閥直接放空的方式進行防喘振控制。

固定極限流量法是壓縮機的流量始終保持大于最大轉速下喘振點的流量值 Q極，當流量小于 Q極時，防喘振閥門打開。但是它在轉速降低，壓縮機處于低負荷運行時，極限流量的裕量過大會造成能量浪費大，優點是實現簡單，目前實際應用中已很少用到。可變極限流量法，壓縮機的負荷隨著轉速的變化而發生變化，在不同轉速下，喘振流量為不同值。防喘振控制方程為:

為了防止喘振的發生，必須使

根據體積流量與入口孔板差壓的關系可以得出:

式中:Ps為壓縮機入口壓力 (絕壓);Pd為壓縮機出口壓力 (絕壓);Ts為壓縮機入口壓力;a、b壓縮機性能相關參數，k為氣體絕熱指數;hs為壓縮機入口流量差壓值;QV為壓縮機入口流量;K為壓縮機入口測量裝置流量系數;ρs為壓縮機入口氣體密度。

2.2 通用性能曲線控制法

通用性能曲線控制法原理(略)。

3 TS3000防喘振控制分析

隨著技術的不斷進步各種工業控制器也得到了迅速的發展，具備了更強大的數據處理能力和更加豐富的功能。使得比較復雜的控制理論能夠轉化為實際工程方案。大量優秀的 PLC、DCS的出現使防喘振控制的實現更加簡單、精確適用。TRICONEX的TS3000系統壓縮機防喘振控制，采用專用的控制功能模塊，用于壓縮機喘振曲線的繪制，壓縮機操作點的計算、壓縮機安全裕度的計算與調整。控制器根據壓縮機入口流量、入口壓力、出口壓力三參數動態防喘振控制算法進行壓縮機防喘振控制，這種方法不會因進氣的溫度，壓力，分子量等的變化而對喘振控制產生影響。

3.1 喘振點的確定和喘振線的繪制

TS3000系統利用TRICON防喘振擴展函數功能模塊庫SGB400中的功能塊來完成主風機的防喘振控制。先利用HC_1_02流量計算模塊計算流量測量裝置位于壓縮機入口的壓縮機操作點。其要滿足如下等式:

這里 H_pct為以百分數表示的孔板入口差壓，Pfob為孔板設計基本壓力，Ps為壓縮機入口壓力，Ps_abs_cor測量壓力轉化為絕對壓力的修正值，Psb為壓縮機設計基準壓力(絕壓)。利用該模塊只要將各個具體參數引入功能塊的輸入端即可以計算出壓縮機的實際操作點。SRG_LINE功能塊，這個功能塊用于確定基于壓力比(出口與入口絕對壓力之比)的喘振點，根據壓比和不同的喘振流量點組成的五段線確定壓縮機的喘振線。如圖3所示:

Hc功能塊計算出的實際工作點與SRG_LINE功能塊處理輸出的喘振點相乘得出當前工作點的裕度，喘振點與速度控制器設定的HOVER值相加即得出盤旋點。程序如圖4所示:

REACAL02功能塊用于當喘振發生時重新調整安全裕度，SAFETY_MAR功能塊用于計算操作安全裕度，調整后的安全裕度與操作安全裕度相加即可以得到整個安全裕度，由此可以畫出喘振控制線和調整后的喘振控制線。

圖3(a) 壓縮機喘振線

圖3(b) 壓縮機安全裕度與喘振控制線

圖4 工作點裕度及盤旋點計算程序

3.2 防喘振控制

防喘振控制程序框圖如圖5所示。主要由如下幾個功能塊構成:PID_SRG2功能塊為喘振PID控制器，控制器為反作用方式，其設定值是速度控制器設定的盤旋(HOVER)值，測量值是壓縮機當前工作點的裕度，比例和積分項分別以兩個ADPTV_TN1_02自適應調整模塊作為輸入，通過該模塊適時對比例和積分系數進行調整，使控制更加及時有效。喘振PID控制器的輸出作為閥位選擇程序的一個輸入，實現下面的閥位選擇輸出功能。

圖5 防喘振PID控制程序

閥位選擇程序流程如圖6所示，主要實現以下幾種功能:閥位高選功能，即手動給定值和自動給定值比較，程序選擇高信號作為輸出，確保防喘振閥在較大開度，防止喘振的發生;比例功能，系統中有一個獨立的比例項，自動方式下與PID控制高選輸出，它可強制防喘振閥打開，其作用與常規PI調節器之間相互獨立，當操作點工作在喘振控制線左側時，比例項在喘振控制線左側的某一設定區域內開始打開防喘振閥。本系統設置為0.7(即喘振線與防喘振線之間距離為0～100%，當工作點距離喘振線70%時防喘振閥開始打開，當工作點到喘振線時比例輸出為100%，防喘振閥全開);快開慢關功能，設定最大開閥速率75%，最大關閥速率2%，確保喘振發生時防喘振閥迅速打開，慢關特性用于防止閥門關閉過快過大引起壓縮機喘振。同時該功能程序還實現有喘振PID輸出標志、喘振越過喘振線輸出標志、喘振比例項輸出標志、手動輸出標志狀態，這些標志狀態在上位機顯示，可以使操作人員及時發現防喘振控制的運行情況。

同時還利用兩個SEL選擇模塊，實現如下功能:當主風機聯鎖發生跳車時，選擇模塊選擇輸出100%使主風機防喘振閥全開，主風機放空閥打開，減小主風機出口壓力，消除喘振;再通過一個SEL選擇模塊實現防喘振閥的手動測試功能，一般在主風機正常運行期間該功能是不能投用的，只有在停車期間通過手動測試閥的性能。

4 結束語

本項目以TS3000為基本控制單元，采用Tricon控制器，實現催化兩機調速控制、狀態監測、機組防喘振控制以及機組設備控制和整個催化主風機和富氣壓縮機組ESD功能。有良好的可靠性，可避免由于系統單點故障引起的停機，豐富的功能模塊，可實現復雜算法和具有強大的控制功能。機組各部分采用同一系統有很好的協調性，優良的操作界面，同時可以和DCS通訊，實現數據的共享。單對機組防喘振控制而言，能夠很好的預測喘振的發生，適時的調整喘振控制線和喘振操作點，當喘振發生時通過程序及時采取措施使防喘振閥動作，可有效的避免機組喘振的發生，防止機組在惡劣工況下運行。該系統運行至今機組未發生過非計劃非人為停工，運行狀況良好。操作和維護簡單，有很好的可靠性，取得了很好的經濟效益，機組長期安全穩定運行的保證。

圖6 閥位選擇程序流程圖

[1] 徐忠.離心式壓縮機原理(修訂本)[M].北京:機械工業出版，1990:105～142.

[2] 潘永密，李斯特.化工機器(下冊)[M].北京:化學工業出版社，1981:90～120.

[3] 黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機[M].北京:化學工業出版社，2004:225～245.

[4] 郭宏，王艷.透平－壓縮機綜合控制系統(ITCC)[J].控制工程，2003，10(3):164～166.

[5] 王書敏.離心式壓縮機技術問答[M].北京:中國石化出版社，1995:33～51.

[6] 魏龍，袁強.離心式壓縮機的喘振及控制[J].風機技術，2004，8(1):45～47.

[7] 張涵.化工機器[M].北京:化學工業出版社，2005:171～191.

[8] 北京康吉森自動化設備有限公司.Tricon系統維護及編程培訓教材[G].北京:康吉森自動化設備有限公司 ，2006:1～50.

[9] Triconex Corporation An Invensys Company.Developer's Guide For Trident Systems[G].USA:Triconex Corporation An Invensys Company，2006:50～90.

[10] Triconex Corporation An Invensys Company.Surge Functions Library SGB410[G].USA:Triconex Corporation An Invensys company，2006:1 ～ 46.