離心壓縮機的控制和保護

黎力，盧喜華

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

離心壓縮機是許多大型石化企業的關鍵設備，一旦出現故障，往往會造成很大的經濟損失。如何使離心壓縮機安全、長周期的穩定運行，成為各個石化企業關注的首要問題。成熟合理的控制和保護系統方案可以為壓縮機安全、穩定地運行提供最有力的保障。

隨著安全儀表系統(SIS)的發展和普及，傳統的將壓縮機組所有相關的控制和保護都集成在一套硬件系統(ITCC)內的做法已滿足不了IEC61511獨立性的要求。API 670： 2014Machineryprotectionsystem的更新內容也表明壓縮機組的控制功能和保護功能相互獨立是將來的大趨勢。

在考慮壓縮機組控制和保護系統之前，首先要確定控制和保護系統應實現的目標，本文根據大量的實際工程經驗，并結合API相關標準把汽輪機驅動離心壓縮機分為工藝系統、蒸汽系統、油路系統、機械保護系統、盤車裝置、壓縮機啟動和緊急停車系統分別來闡述控制和保護功能，其目的是從工藝和機械的角度出發增強對壓縮機組的認識，有助于更深刻地理解機組控制和保護方案。

1 工藝氣系統

工藝氣系統控制流程如圖1所示，主要包括防喘振控制回路、性能控制回路和喘振檢測系統三部分。

圖1 工藝氣系統控制流程示意

1.1 防喘振控制

離心壓縮機瞬間流動逆轉的現象稱為喘振。喘振過程中，壓縮機出口壓力快速地下降，然后快速恢復，這種循環的低頻率高振幅的氣流振蕩會造成壓縮機內部件嚴重損壞。汽輪機驅動(可變速)壓縮機的特性曲線如圖2所示，在每個工作轉速下，隨著流量的下降，壓氣機都達到一個最大排氣壓力，連接這些點(圖2中A到C點)的線就是喘振線SLL。其中，Δp為壓縮機出口與入口的壓差；Δph為流量計差壓，STL為喘振聯鎖線，SCL為喘振控制線。

圖2 汽輪機驅動壓縮機的特性曲線示意

SLL的左側為喘振區，右側為壓縮機的工作區，防喘振控制的作用就是保護或防止壓縮機的工作點P進入喘振區。圖1中的UIC為典型防喘振控制回路，防喘振控制器由兩個功能組成，其基本原理如圖3所示。

圖3 防喘振控制原理示意

1)FIC為比例積分控制回路，SCL的值為該回路的給定值SP，計算如式(1)所示：

SP=m(Δp)+b

(1)

式中：m——SLL的斜率；b——SCL與SLL之間的偏移量。

2)FSL為喘振聯鎖回路，聯鎖設定值為STL線的值。當壓縮機的工作點P向左移碰到SCL時，如果FIC的響應速度無法使P點回到SCL右側，這時P點會繼續左移直到碰到STL，該聯鎖觸發一個階躍信號快速打開防喘振閥。

隨著數字化技術的發展，各壓縮機控制系統廠家在上述功能的基礎上發展出各種獨特的控制算法，不僅提高了防喘振控制的調節精度和響應速度，還實現了防喘振控制、性能控制和轉速控制及解耦控制。

1.2 性能控制

性能控制的作用是通過上游或下游工藝要求來調節汽輪機的轉速使壓縮機的運行吻合工藝裝置的負荷，性能控制的被控變量一般根據工藝裝置的主要擾動量來選擇，常用的被控變量有壓縮機吸入壓力、出口壓力、出口流量。圖1中的性能控制器PIC以壓縮機吸入壓力作為被控變量，與轉速控制器SIC形成串級控制，性能控制的調節范圍為汽輪機最小到最大工作轉速。

由于多個防喘振控制回路之間，防喘振控制回路和性能控制回路之間相互影響，當工況變化劇烈時可能會導致壓縮機運行不穩定，具有回路解耦功能的控制器會提高壓縮機控制的穩定性。以圖1為例，當防喘振控制增加回流量時，性能控制器需要增加其輸出設定值到轉速控制器提高轉速，從而提高壓縮機吸入能力。在該種情況下，解耦控制將提供一個從防喘振控制器到性能控制器的前饋功能，以增加性能控制器的輸出。

1.3 喘振檢測系統

當防喘振控制功能失效時，喘振檢測系統應能準確檢測出壓縮機的喘振，并發出信號快速打開防喘振閥或停壓縮機。API 670： 2014并未強制要求離心壓縮機設置喘振檢測系統，但事實上大多數壓縮機控制系統廠家已把該功能集成在防喘振控制內，雖然這樣做并不滿足API 670： 2014中喘振檢測系統和喘振控制系統相互獨立的要求。隨著SIS的發展和普及，未來的趨勢中該功能應獨立于防喘振控制系統，或集成在SIS內。

2 蒸汽系統

抽汽凝汽式汽輪機蒸汽系統控制流程如圖4 所示。

圖4 蒸汽系統控制流程示意

2.1 轉速控制

該節討論的轉速控制是指啟動程序結束后，控制范圍從最小到最大工作轉速。轉速控制本質上是普通的PID控制回路，通過調節SV閥的開度來控制汽輪機的轉速。根據API 612： 2014Petroleum，petrochemtcal，andnaturalgasindustries-steamturbinesspecialpurposeapplication規定至少需要配置2個獨立的轉速探頭用于轉速控制。

抽汽或補汽式汽輪機轉速控制的情況要復雜的多，以下重點介紹抽汽式汽輪機的轉速控制原理。典型的抽汽式汽輪機特性曲線如圖5所示，實際上抽汽閥EV是安裝在汽輪機中段的機頭上，為了便于理解才把汽輪機分成兩段來表示。

圖5 抽汽式汽輪機特性曲線示意

當抽氣閥EV的開度V2=100%時，蒸汽流量qVF與汽輪機輸出功率P的關系分為兩部分： 第一部分為圖5中的抽汽量qVp=0線，此時抽汽量為零，所有蒸汽流量都轉換為汽輪機輸出功率，qVp=0線的斜率為整個汽輪機的功率轉換率；第二部分為圖5中V2=100%線，此時汽輪機抽汽點的壓力達到低壓蒸汽管網壓力，增加的流量值只通過汽輪機1級轉換為輸出功率，V2=100%線的斜率為汽輪機1級的功率轉換率。

轉速控制由轉速控制SIC和抽汽壓力控制PIC組成，SIC輸出功率需求量(P1)，PIC輸出抽汽需求量(qVP1)，根據汽輪機特性曲線可控制主調閥SV開度V1和抽汽閥EV開度V2。

2.2 超速保護系統

當轉速控制失效時，超速保護系統是汽輪機最后一道保護防線，API 612： 2014推薦其設定值為額定轉速的116%。為降低共因失效，超速保護系統應獨立設置或集成在SIS內，不應與一般過程控制共用硬件，特別是轉速控制系統。

根據API 670： 2014規定超速保護系統需要配置3個獨立的轉速探頭實現“2oo3”邏輯表決。

3 油路系統

油路系統主要由油箱、主油泵、輔助油泵、油冷卻器、油過濾器、高位油箱、閥門、管路及儀表等部分組成。典型的油路系統控制流程如圖6所示，溫度控制TIC和壓力控制PCV保證潤滑油的油溫和油壓維持在正常的操作范圍內。為了維持機組連續運行，油站一般設置1臺主油泵和1臺輔油泵，當主油泵故障或油泵出口壓力低時，自動啟動輔油泵。

圖6 油路系統控制流程示意

4 機械保護系統

在離心壓縮機各種故障中最常碰到的就是振動問題，引起壓縮機振動的因素很多，振動檢測系統提供的振動數據對于分析機組故障原因起著至關重要的作用。根據API 670： 2014的要求，采用油膜潤滑的支撐軸承或推力軸承的旋轉設備傳感器推薦配置，最低要求如下：

1)鍵相位。每臺機組的驅動裝置上應當安裝一個非接觸式電渦流傳感器，用于相位基準測量。如果機組具有多個轉速不同的旋轉軸(例如通過齒輪箱傳動的轉動部件)，則必須在每個不同轉速的旋轉軸設置一個相位測量。

2)軸振動。每個支撐軸承上應當安裝2個非接觸式電渦流振動傳感器，2個傳感器呈夾角90°安裝，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“2oo2”表決。

3)軸位移。每個滑動推力軸承上應當安裝2個非接觸式電渦流位移傳感器，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“2oo2”表決。

4)振動加速度。對于齒輪箱，除了應當在支撐軸承上安裝電渦流傳感器以外，還應當在齒輪箱外殼上安裝1個振動加速度計式傳感器，用于檢測齒輪相關信息。

5)溫度。每個支持軸承上應當安裝2個溫度傳感器測量軸承金屬溫度，每個推力軸承的工作面和非工作面推力瓦上都應當安裝溫度傳感器，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“1oo1”表決。

5 盤車裝置

盤車裝置的作用是在汽輪機啟動前或停機后，驅動汽輪機低速轉動從而減小上下汽缸溫差，避免轉子不均勻受熱產生彎曲變形，同時還可在啟動前檢查汽輪機動靜之間是否有摩擦及潤滑系統工作是否正常。盤車裝置的啟動分為手動模式和自動模式，自動模式需要增設一個零轉速探頭以確保汽輪機完全停車的狀態下自動啟動盤車電機。典型手動啟動盤車邏輯如圖7所示。

圖7 盤車電機啟動邏輯示意

6 壓縮機啟動

典型透平壓縮機啟動邏輯如圖8所示，不同機組的允許啟動信號會略有增減。

圖8 透平壓縮機啟動邏輯示意

當壓縮機允許條件全部滿足后，可開始啟動程序。常用的啟動程序分為手動、半自動、全自動三種模式，詳細操作流程如圖9所示。

圖9 透平壓縮機啟動流程示意

7 緊急停車系統

典型透平壓縮機緊急停車邏輯如圖10所示，不同機組的停車信號會略有增減。

圖10 透平壓縮機緊急停車邏輯示意

8 控制系統方案

8.1 傳統ITCC方案

傳統ITCC方案采用一套機組控制系統實現所有機組的控制和保護功能，其最大的優點是系統界面少、工程實施簡單、維護方便。但隨著用戶對于安全儀表系統越來越重視，機組安全保護相關的SIF功能要求獨立于一般過程控制回路，該方案已無法滿足此類用戶的需求。

8.2 專用控制器方案

筆者參與設計的國外某總承包項目中，用戶要求防喘振控制、性能控制、轉速控制、超速保護、振動檢測均采用專用的控制系統，機組其他部分的檢測和控制利用工藝裝置的DCS實現，機組安全相關的保護功能利用工藝裝置SIL認證的SIS實現。該方案不僅完全滿足控制和安全保護功能相互獨立的要求，并且專用控制器先進的算法保證了壓縮機高效穩定地運行，機組部分的檢測、控制和操作與工藝裝置采用統一的DCS操作界面。該項目離心壓縮機控制系統方案如圖11所示。

該方案的缺點是各個系統之間的來往的信號線比較多，實施難度較大，要求設計者和用戶對于壓縮機控制有一定程度的理解，協調好各系統之間的控制需求。

圖11 國外某項目離心壓縮機控制系統方案示意

8.3 優化版ITCC方案

該方案從傳統的ITCC方案改進而來，機組所有檢測、控制功能和操作利用ITCC實現，機組安全相關的保護功能從原來ITCC改到SIS實現。該方案同樣滿足控制和安全保護功能相互獨立的要求，但系統之間界面要較專用控制器方案少很多，工程實施和傳統的ITCC沒有大的區別。

9 結束語

本文是筆者在項目實施中由于傳統ITCC概念和SIS要求產生矛盾后引發的思考和探索，壓縮機控制系統配置方案是靈活多變的，工程設計人員需要更深入地了解機組控制和保護的目的，才能設計壓縮機及其相關設備控制及保護系統的最優方案，更好地滿足用戶的操作習慣。