和利時T880控制系統(tǒng)在制冷壓縮機中的應(yīng)用

劉寧霞

摘 要：制冷壓縮機是制冷系統(tǒng)的核心和心臟，將熱量從低溫環(huán)境排放到高溫環(huán)境，供工藝生產(chǎn)使用。由于環(huán)境溫度是經(jīng)常變化的，故壓縮機大部分時間是處于部分負荷狀態(tài)，易發(fā)生喘振。和利時專為壓縮機組的控制研發(fā)了三重冗余容錯控制系統(tǒng)和基于無關(guān)坐標系防喘振計算和控制算法，實現(xiàn)機組的安全可靠的控制，并有效避免喘振的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：和利時T880控制系統(tǒng)；制冷壓縮機；無關(guān)坐標系

中圖分類號：TB65 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0160-02

某公司是一個以合成氨生產(chǎn)為龍頭，集化肥化工產(chǎn)品為一體的化工企業(yè)，公司的產(chǎn)品有合成氨、尿素、三聚氰胺、純堿、氯化銨等。原尿素裝置中的制冷壓縮機組采用電機拖動方式，控制系統(tǒng)采用TRICON系統(tǒng)對機組進行控制，并對實時狀態(tài)進行監(jiān)測。2015年完成由電機拖動到汽輪機拖動的形式，并將控制系統(tǒng)替換成杭州和利時自動化有限公司的三重冗余容錯（TMR）控制系統(tǒng)，即T880控制系統(tǒng)。

1 和利時T880控制系統(tǒng)概況

1.1 架構(gòu)圖

T880系統(tǒng)具有安全、可靠、配置方便、控制周期短等特點，能夠最大限度地保證壓縮機組在正常生產(chǎn)期間不發(fā)生誤動作停車，最大程度地提高機組的運行效率。如圖1所示，是和利時公司T880控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖，這種系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是實現(xiàn)保護與控制的相對獨立、提高系統(tǒng)安全性，CPU三冗余配置、通道三冗余配置、通訊卡雙卡雙網(wǎng)冗余，降級運行模式3-2-1-0。根據(jù)壓縮機控制系統(tǒng)點數(shù)特征設(shè)計專用控制模板、進行壓縮機系統(tǒng)關(guān)鍵回路設(shè)計，快速任務(wù)與慢速任務(wù)在不同的CPU內(nèi)運行、保證快速任務(wù)的實時性，快速回路控制速度快、典型應(yīng)用控制周期≤20ms，IO采集速度快、數(shù)據(jù)更新時間≤2ms，通用DCS結(jié)構(gòu)、通訊功能強大、并支持遠程IO。

1.2 控制目標

和利時T880控制系統(tǒng)的控制目標包括保證制冷壓縮機在安全性高的條件下運行、并能夠提供持續(xù)的喘振防護，喘振防護功能在保證運行安全的同時盡量不引起工藝的波動、不給生產(chǎn)活動帶來能源浪費，最大程度地避免誤停機現(xiàn)象的發(fā)生，并將機組運行效率最大化。機組控制系統(tǒng)（CCS）必須是整個裝置控制系統(tǒng)的一部分，方便實現(xiàn)與DCS和其他控制設(shè)備進行通訊等。

2 制冷壓縮機的和利時T880控制系統(tǒng)

2.1 硬件配置

硬件主要包括主機籠SGM101、擴展機籠SGM110及專用控制機籠ETM100，控制器SGM206、通訊卡SGM216、AI采集卡SGM416、AO采集卡SGM526、DI采集卡SGM616、DO輸出卡SGM716、防喘振控制專用模塊ETM281及對應(yīng)的端子模塊等。根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模，配置不同的硬件數(shù)量。

2.2 軟件配置

軟件使用和利時自主研發(fā)的壓縮機集成軟件包V1.2版本，主要通過任務(wù)配置、硬件配置、程序創(chuàng)建、變量定義等實現(xiàn)算法的組態(tài)。組態(tài)簡單直觀，并且提供反編譯功能。

2.3 和利時速度控制器功能

速度控制器的目的是在工藝正常生產(chǎn)時，當汽輪機負荷變化時可以通過控制轉(zhuǎn)速的手段，達到機組動態(tài)平衡。當負荷增加時調(diào)大汽門的開度，增大汽輪機的進氣量，當負荷突然減小時，則要防止甩負荷造成的嚴重后果。和利時提供的汽輪機速度控制器完全可以在操作員界面上實現(xiàn)啟動、升速、暖機、過臨界、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制、串級控制等功能，并提供超速回避保護、電超速跳車、超加速跳車、外部ESD跳車、啟動安全故障跳車、調(diào)速器失速跳車等安全保護措施。和利時速度控制器的樣式如圖2所示，通過該種控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制能控制在±5RPM，三冗余測速模塊具備超速保護功能。

2.4 壓縮機性能控制

和利時T880控制系統(tǒng)還能對壓縮機性能進行很好的控制。性能控制包括定風(fēng)量控制，即將風(fēng)機的送風(fēng)量作為過程參數(shù)，控制汽輪機的轉(zhuǎn)速從而達到滿足工藝要求的送風(fēng)流量。定風(fēng)壓控制，即將風(fēng)機的排氣壓力作為過程參數(shù)，通過調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速，從而達到滿足工藝要求的排風(fēng)壓力。性能控制可以與轉(zhuǎn)速控制串聯(lián)控制，形成完全的自動化控制。

2.5 和利時壓縮機防喘振器功能

喘振是壓縮機固有的一種特性，是壓縮機與管道耦合后的振蕩現(xiàn)象，反映在當壓縮機的流量減少到某一數(shù)值時，壓縮機出現(xiàn)的極為不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，引起機組的劇烈震動，從而造成葉輪的斷裂等。壓縮機防喘振控制是要避免壓縮機因發(fā)生喘振造成嚴重的設(shè)備損壞與停工，避免壓縮機因發(fā)生喘振對工藝操作造成巨大的擾動。

和利時的防喘振控制算法是基于無關(guān)坐標系防喘振計算與控制算法。該控制算法將壓縮機的喘振極限線SLL與分子量MW、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口比熱比ks和入口氣體壓縮因子Zs無關(guān)，只與壓縮機組內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)。

基于無關(guān)坐標系的防喘振控制算法，通過公式計算將壓縮機在不同工況下的多組性能曲線換算到無關(guān)坐標系中，再依據(jù)無關(guān)坐標系中的性能曲線獲取到機組喘振極限線。為了提前有效地防止壓縮機喘振現(xiàn)象發(fā)生，在機組喘振極限線的右邊通過可調(diào)參數(shù)設(shè)置安全裕量，形成喘振控制線，這樣就可以在機組運行點達到喘振極限線之前開始動作，增加壓縮機的流量，從而阻止喘振情況發(fā)生，保證壓縮機的正常運行。為了保證工藝系統(tǒng)的平穩(wěn)性，在喘振極限線與控制線中間設(shè)置快開響應(yīng)線，如果運行點超過快開響應(yīng)線，防喘振控制算法將快速小開度打開防喘振控制閥。又在快開響應(yīng)線與喘振極限線中間設(shè)置了安全響應(yīng)線，即定義一個操作極限，如果運行點超過這個極限，則表明壓縮機已經(jīng)發(fā)生喘振，安全響應(yīng)將增加喘振控制線的裕度，并階梯大開度地打開防喘振閥，迅速制止喘振，達到安全生產(chǎn)的工藝要求。

壓縮機喘振控制器的HMI面板提供三種操作方式：（1）全自動控制：防喘振閥的控制信號完全由預(yù)設(shè)的程序控制輸出。（2）軟手動控制：當運行點處在安全區(qū)域，防喘振閥的開度由操作者控制，當運行點處在非安全區(qū)域時，由系統(tǒng)自行切換到全自動控制模式，此過程中防喘振調(diào)節(jié)閥按照程序調(diào)節(jié)，不會一次開到100%，最大程度的保證工藝的穩(wěn)定性。（3）硬手動控制：防喘振閥的開度完全由操作者控制，所以在正常生產(chǎn)過程中不建議長時間在該控制方式下運行。只有當喘振信號源故障時，切到該控制方式下檢修儀表，當故障消除后，應(yīng)及時切回到全自動控制或者軟手動控制方式下。壓縮機防喘振控制界面如圖3所示，圖中機組運行在低負荷狀態(tài)下，防喘振的控制均在自動狀態(tài)下。

3 結(jié)束語

和利時T880控制系統(tǒng)是完全國產(chǎn)化的，基于無關(guān)坐標系的防喘振計算與控制算法，為壓縮機的控制帶來了較為明顯的優(yōu)化，汽輪機的控制完全在操作員界面上實現(xiàn)，實現(xiàn)了機組控制系統(tǒng)一體化、集成化。該廠的制冷壓縮機組自2016年7月投運以來，轉(zhuǎn)速控制可靠，防喘振控制始終運行在自動運行模式下，最大程度地降低了操作者的勞動強度。

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