煤制天然氣丙烯壓縮機防喘振控制的實現

趙志偉

(內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司儀控分廠，內蒙古 赤峰 025350)

內蒙古大唐國際克旗煤制天然氣項目有兩套丙烯壓縮制冷裝置,兩套裝置獨立且完全相同。每套裝置為對應的一套低溫甲醇洗工序提供-40℃和0℃兩個級別的冷量。丙烯壓縮制冷一期兩個系列采用杭州汽輪機股份有限公司型號為HNK40/56/20的汽輪機，高進氣參數或正常進氣參數、全凝氣式汽輪機。額定功率為14 500kW，轉速為4 600r/min，進氣壓力為8.4MPa，溫度為515℃，流量為57.96t/h；正常功率為11 988kW，轉速為4 560r/min，進氣壓力為8.2MPa，溫度為505℃,流量為46.9t/h；排氣壓力為0.02MPa，排氣溫度為60.1℃。另外，還采用日立公司的型號為3MCH1006丙烯壓縮機，中間補氣、水平剖分、葉輪直徑為100cm、六級壓縮、功率為13 183kW。通過丙烯壓縮機將低溫甲醇洗兩個冷量級的丙烯蒸發器送來的氣相丙烯壓縮、冷凝，變成液相丙烯后，再返回丙烯蒸發器循環使用。機組投入運行后，TRICON系統將根據壓縮機入口流量、入口壓力、出口壓力和相應的溫度，利用TRICONEX獨特的防喘振技術來判斷是否發生喘振。如果發生喘振，則由防喘振控制器的輸出值調節防喘振控制閥。

1 工藝原理①

冰機制冷是利用高壓液體在低壓下蒸發，在等溫條件下從外界吸收熱量，利用液體氣化的相變熱吸收熱量，來達到制冷的目的。蒸發器內的液體吸熱后蒸發變成氣體，回到壓縮機入口，經壓縮機壓縮到較高的壓力后再進行冷卻、冷凝變成液體，然后高壓液體再通過節流裝置進入低壓裝置進行吸熱、蒸發。周而復始，就達到了循環制冷的目的。

2 生產過程

煤制天然氣丙烯壓縮制冷裝置的主流程如圖1所示。其中與喘振相關的主要設備有一段防喘閥552-FY011和二段防喘閥552-FY012，兩個防喘振閥的主要作用是當壓縮機一段和二段流量降到安全下限時，自動打開閥，增大經過壓縮機的流量，防止操作點進入喘振區。丙烯分離器Ⅰ(552-F001)接收來自低溫甲醇洗-40℃級蒸發器送來的氣態丙烯，壓力0.02MPa，流量183 007kg/h，分離液體后的氣體進入壓縮機一段入口進行壓縮。丙烯分離器Ⅱ(552-F002)接收來自低溫甲醇洗0℃級蒸發器送來的氣態丙烯，壓力0.45MPa，流量80 443kg/h，分離液體后從壓縮機二段補氣口進入壓縮機，與壓縮機一段進氣壓縮的氣體混合后繼續壓縮到1.8MPa、99.3℃。與防喘振控制的實現相關的儀表測點包括一段入口壓力測點PI552CP121、一段入口溫度測點TI552CT121、一段入口流量測點FI552CF121、二段補氣口壓力測點PI552CP123、二段補氣口溫度測點TI552CT123、二段補氣口流量測點FI552CF123、出口壓力PI552CP125。

圖1 丙烯壓縮制冷裝置主流程

3 丙烯壓縮機防喘振控制系統的實現

3.1 控制系統簡介

本系統應用TRICON TMR控制系統，它擁有高安全性和高可用性，通過三重模件冗余結構(TMR)提供容錯能力。該系統由3個完全相同的系統通道組成。丙烯壓縮制冷單系列機組采用一個主機架、兩個擴展機架、一個遠程機架、3冗余結構CPU模塊和I/O總線、雙冗余結構電源、261點I/O。

3.2 丙烯壓縮機的防喘振控制說明

以往的壓縮機防喘振控制方案大致可以分為固定極限流量和可變極限流量兩類。但到目前為止，對于不同摩爾質量、溫度和壓力的壓縮氣體，還沒有一種可行且固定的方法來有效、精確地測量、計算壓縮機的喘振線。克旗煤制天然氣項目丙烯壓縮制冷系統是通過建立一個較大的額外安全空間，來保證機組在可以預料的最佳工作狀況下的安全。

丙烯制冷壓縮機采用兩路防喘振控制系統：第一路在壓縮機一段入口，設置552-FY011進行防喘振調節保護；第二路在壓縮機二段入口，設置552-FY012進行防喘振調節保護。當機組在非滿負荷情況下運行時，壓縮機出口閥前有部分高溫、高壓氣體經過防喘閥552-FY011和552-FY012分別引回到丙烯分離器Ⅰ(552-F001)和丙烯分離器Ⅱ(552-F002)內，作為防喘振回流補充氣體。當機組在滿負荷情況下運行時，如發生入口流量減小、出口壓力升高及轉速波動大等情況，操作點進入喘振區時，可以通過3種方式(全自動、自動、手動)開喘振閥，出口氣體分別回流到丙烯分離器Ⅰ和丙烯分離器Ⅱ內，控制壓縮機進口氣的溫度、壓力及流量等符合工藝要求，確保機組在工作區域內穩定運行。

丙烯壓縮機的防喘振控制系統的基本原理如圖2所示。

圖2 丙烯壓縮機防喘振系統的基本原理

因為壓縮機內部特定的壓力數據，以下3個壓力值相等：pd1=pss=ps2。壓縮機一段出口混合溫度為：

Td1=(Ts1+373.15)(pd1/ps1)0.174

(1)

其中，0.174為sigma常數，是計算Td1的一個因素。

壓縮機一段入口質量流量補償計算包含一段實際壓力和溫度，公式為：

(2)

壓縮機二段入口內部混合溫度為：

Ts2=(G1Td1+GssTs2)/(G1+Gss)

(3)

壓縮機二段入口內部質量流量補償計算公式為：

(4)

Qd1=Gss[847.82(Td1+273.15)]/(42ps2·

1.033/87.2×10000)

(5)

(6)

式中G1——壓縮機一段入口流量計所測差壓，kPa；

Gss——壓縮機二段入口流量計所測差壓，kPa；

pd1——一段出口壓力，kPa；

ps1——一段入口壓力，kPa；

ps2——二段入口混合壓力，kPa；

pss——二段入口壓力，kPa；

Td1——一段出口混合溫度，℃；

Ts1——一段入口溫度，℃；

Ts2——二段入口混合溫度，℃；

Tss——二段入口溫度，℃；

Qd1——一段出口質量流量，kg/h；

Qs1——壓縮機一段入口流量計所測差壓，kPa；

Qs2——二段入口混合質量流量，kg/h；

Qss——壓縮機二段入口流量計所測差壓，kPa；

3.3 丙烯壓縮機喘振作圖的方法

丙烯壓縮機的喘振點可由壓比(pd/ps)及入口流量表測出的入口流量計算得出。入口流量的測量值與pd、ps、Td及Ts等可用來計算等價流量值h(該孔板可視為位于壓縮機的入口)，進而作出喘振預測。一般來說，防喘振控制是操作點接近喘振線時生效，克旗煤制天然氣項目丙烯壓縮制冷系統是從喘振線開始增加一個+6%的安全裕度，繪制一條控制線，當操作點進入控制線以內會開啟防喘振閥(圖3)。

圖3 丙烯壓縮機防喘振示意圖

喘振線計算方法如下：

(7)

式中pd——壓縮機出口氣體絕對壓力；

ps——壓縮機入口氣體絕對壓力。

(8)

式中 MFLOW——入口補償質量流量；

MFLOW_max——最大質量流量；

ps——入口壓力；

psb——設計基準大氣壓，psb=105kPa(A)；

Ts——入口溫度；

Tsb——設計基準溫度，Tsb=-35℃。

在不同的轉速條件下，不同的出、入口壓力、溫度和流量，日立壓縮機在出廠前經實驗計算出6個喘振點，5段直線連接繪制成喘振線，將6個喘振點輸入到喘振函數模塊中，設置好參數后自動生成防喘振線，而控制線是從喘振線開始+6%，所以也能夠自動得到控制線。如果系統檢測到工作點越過喘振線，表示喘振已發生，喘振控制線將被自動調節到右方，加大安全裕度2%。圖4、5分別為丙烯壓縮機一段、二段防喘振線圖和計算列表。

圖4 丙烯壓縮機一段防喘振線圖和計算列表

圖5 丙烯壓縮機二段防喘振線圖和計算列表

4 結束語

壓縮機防喘振控制是通過跟蹤防喘振控制線來完成的，在壓縮機正常運行時，利用防喘振控制器來保證系統穩定。當流量波動大時，PID控制、給定值遷移及超馳控制等算法來快速打開防喘振閥(控制器的防喘振控制過程是非常迅速的，它的一個處理周期大約為55ms)，從而避免喘振的發生。實際運行證明：防喘振控制工作穩定，性能可靠，壓縮機調試維護非常方便，保證了機組長期安全穩定的運行。