汽輪壓縮機組機械式控制系統的現代化改造

張秀萍

[摘 ? ?要 ]為了提升汽輪壓縮機組的機械式控制系統的現代化水平，對其進行改造。具體是在各種控制、監測、保護系統等多種電子控制裝置的協助下，明顯提升控制的精準性，在數字化通信、網絡化監控協助下，確保機組能在較長時間內安全、穩定地運行。統計實踐運用結果，發現電子控制設備改造汽輪壓縮機組機械式控制系統，是提升系統現代化水平的有效方法之一，具有較高推廣價值。

[關鍵詞]汽輪壓縮機組;機械式控制;系統改造;改造實踐

[中圖分類號]TH45 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–03

[Abstract]In order to improve the modernization level of the mechanical control system of the steam turbine compressor unit， a proposal is made to modify it. The specific use is to significantly improve the accuracy of control with the assistance of various control， monitoring， protection systems and other electronic control devices. With the assistance of digital communication and networked monitoring， it can ensure that the unit can be safe and stable for a long time. run. According to the results of statistical practice， it is found that the electronic control equipment to transform the mechanical control system of the steam turbine compressor unit is one of the effective methods to improve the modernization level of the system， and it has a high promotion value.

[Keywords]steam turbine compressor unit; mechanical control; system transformation; transformation practice

近年，在國家相關政策的正確引領下，國內化工產業快速發展，成績理想，為我國經濟社會發展做出更大貢獻。當下，工業行業中運行的汽輪壓縮機組達到數千臺，采用舊式機械式控制系統運行的機組占比相對較高，該種系統有構造相對簡單、遲緩率較大、調節精準度偏低、執行機構靈敏度不足等缺陷，并且長期運行后，在磨損因素的作用下，杠桿聯接部位容易出現較大的空隙，給機組運行過程中埋置下諸多隱患。并且傳統控制系統也不具備數字化通信功能，亟須利用電子控制設備對其進行現代化改造、升級。

1 整體控制方案

觀察舊式控制系統的運轉狀況，解讀化工業氣體壓縮流程運行階段對現代化控制技術提出的要求，本課題中設計開發了新興的整體調控方案。本方案在執行階段，需要落實的重點內容是拆卸掉機組舊的機械式控制系統，組裝電子控制系統。

CCC集成控制為本系統的核心，其功能主要是將既往各個運行狀態互為獨立的控制回路聚集至同一個電子平臺上，統一對其性能進行解耦操作，實現對壓縮機組各個運行參數的閉環式調控。ESD、TSI分別用在監測機組運轉過程安全程度及停機狀態維護領域中;工程師站/操作員站能幫助中控室人員在計算機屏幕對機組運行情況實現遠程式操作、控制。整個系統的各構成部分均利用網絡傳送信息，

在工業以太網以及上級DCS的支撐下完成數據通信任務，傳輸對象以重要的運轉參數與畫面為主。

2 系統配置情況

2.1 CCC集成控制系統

在本課題設計中，壓縮機組控制系統內置的CCC的構成以調速、抽汽、防喘控制器為主，以上各個類型的控制器均布置了運行狀態獨立的CPU，其對汽輪機的運轉速度及抽氣壓力值能起到一定調控作用，也能防控壓縮機組出現喘振等不良情況。CCC系統應用了可用性能達到99.97%、執行周期是25個/s的單冗余數字控制器。在計算機網絡技術的協助下能順利建設出喘振數學模型，采用控制算法模擬仿真，而后將其嘗試用在工業現場控制領域中。

CCC采用了故障式策略運行，能夠持續監測各個輸入流程的實效性，檢出輸入故障問題時，系統會智能將其忽略，在發出報警信號的同時，切調到故障策略模式上，進一步提升壓縮機組的可用性。

2.2 調速控制器（SIC）

SIC能參照預設的升速曲線智能執行汽輪機暖機功能，不會觸碰軸系臨界轉速，在機組常態運轉時能精準的調控機組的轉速。SIC接收由3路轉速探頭監測到的轉速信號，經3取2邏輯后作為機組的系統轉速，將其和內部轉速設計值進行比較分析，放大器處理后傳輸出流量范圍在4～20 mA的電子信號。以上過程中形成的電子信號會被轉型成二次油壓信號，而后油壓信號利用進汽閥的張開度，實現對壓縮機組運行速度的精確調控。

2.3 抽汽控制器（PIC）

本課題研究中設定經整改后的汽輪機是抽汽式汽輪機。PIC把抽汽壓力的目標設計值和當場反饋的抽汽壓力信號經測算后能傳輸出控制信號，調控抽汽調閥門的張開度，進而調控汽輪機的抽汽壓力值。

2.4 防喘振控制器（LIC）

如果壓縮機內的氣體流量降低時，伴隨旋轉失速的生成與發展過程，會形成一種失穩工況，壓縮機組的氣體流量、排氣壓力周期、頻率明顯改變時，將會造成機器本體出現強烈振動，以上表現被叫作壓縮機的喘振。

防喘振技術是控制系統的核心。傳統防喘振器應用階段需要指派人工前往現場測試檢測壓縮機上的數個喘振點，參照監測結果，采用折線仿真模擬現實的壓縮機運轉曲線。其控制準確度不足，經常會使防喘振回流閥過早或過遲啟動，不僅會耗損掉大量能量，還可能滋生擾動工藝流程的問題，特殊工況下還會滋生出安全隱患。

利用LIC自帶的喘振與調控算法，能夠智能檢測出實際喘振曲線，并完成相應的測算工作，借此方式確保了壓縮機組回流閥開啟的時效性、精準性，規避了既往因檢測或者操作不規范而引起的安全風險問題。防喘振控制算法的控制功能框架見圖1。

（1）PID控制響應。針對緩慢且微小的擾動因素，LIC的PID控制相應可智能使運轉點位進入至喘振控制線的安全區域。利用LIC的比例積分控制算法，能依據操作點位和LIC兩者的間距生成相應的積分響應，防控機組運行點返回至LIC的危險區中。并且其輸送出的微分響應有擴增防喘振控制算法安全裕量的功能。在這樣的工況下，當運行點朝向喘振方向偏移，但是能確定其沒有形成實質的喘振危險，便不會自動開啟防喘振回流閥。只有當運行點處在或者臨近防喘振控制線時，會應用拓展安全裕度來的方式提高大壓縮機的流量值。機組在這樣的運行狀態下，對于常規的擾動因素，機組并不會屢次啟動防喘振回流閥門，一方面能較好的維持了工藝程序的穩定，也能規避發生喘振情況。

（2）迅速重復階躍響應RTL。在面對較快速、規模較大的擾動因素時，如果LIC的比例積分及微分響應無法將機組運行點為維持在喘振控制線的安全區域，霎那間越到了危險區，LIC便會快速傳送出RTL操作信號，指控執行機構快速開啟防喘振的回流閥門，快速增加壓縮機的流量，防控機組出現喘振情況。

（3）解耦控制。如果壓縮機組步入至喘振調節模式并且有增加流量的現實需求，部分工況下也會有同時降低流量的需求。以上這2個控制回路存在著互為反作用的關系，操作稍有不規范，便會增加整個系統失穩的風險。常規防喘振器是一個運行狀態獨立的回路，和其他控制回路之間無法實現信息資源共享。如果采用LIC的性能控制及喘振控制算法，那么會將各自的輸出信號智能加權至對方的控制響應內，進而達到解耦調控，明顯提升了2個控制回路運轉狀態的協調性，快速恢復壓縮機組穩定運轉狀態。

2.5 應急停機維護系統

本課題設計出的該維護系統內，硬件是硬冗余的S7 400H PLC，電源、CPU以及I/O卡件的通信功能統一應用考慮冗余布置。系統的功能主要是防控壓縮機組內部分設備運轉狀態失常而引起嚴重的損壞事故。在機組投運階段，維護系統能實現在線檢測所有設計的停機信號。一旦機組轉速、軸體振動等信號超出限定值時，便會將停機信號輸進停機電磁閥中，快速斷離主蒸汽的動力來源，實現應急停機。檢測機組的動作轉速時，本系統會把硬操盤上超速試驗鑰匙開關安放在“試驗位”，試驗允許燈亮;就地選擇適宜的試驗飛錘;設計目標轉速3360 r/min，機組轉速逐步提升，飛錘擊出，機組隨即開閘;把鑰匙開關安放在“正常”位，開展機組超速試驗階段，DEH超速保護的動作轉速自動調整程3390 r/min，轉速超出以上限值時，DEH便會傳送出開閘命令，將其用作后備保護。另外，本系統還能利用高速數字量采集卡片，完成記錄下機組的停機事件，進而更好地滿足異常事件順序記錄的現實需求，便于技術人員更快速、精準地判別停機事件的成因。

2.6 軸系監測

本文系統應用BENTLY Nevada 3500系列，功能主要是監測機組軸系的移位、振動等情況。BENTLY Nevada 3500內置3500框架、電源與接口模塊、3500/42模塊及繼電器等。其中，2塊3500/32繼電器將開關量輸送到ESD內實現停機保護;1塊3500/93通信模塊協助操作員站基于網絡通信過程訪問軸系監測到的數據信息為主。

2.7 工程師站/操作員站

站臺上布置了壓縮機組的主控制面、應急停機維護面、軸系移動振動數據面等。在網絡數據通信技術的協助下，機組操作人員能夠在工程師站/操作員站上利用計算機熒屏上畫面的呈現情況，全面監視機組的運行狀態，有針對性地進行操控。

3 實踐應用

將本課題改造設計出的機械式控制系統用于合成氣汽輪壓縮機組內。觀察本機組的現實運轉情況，發現控制系統的控制精準性地達到了美國MEMASM標準內的D級。控制系統的響應、動作時間分別提升至毫秒級、秒級，從根本上規避了人工操作偏差引起的安全風險。控制系統利用網絡順利實現數字化通信與信息資源共享，自動記錄了所有重要的運轉參數信息。

4 結束語

在各種現代電子設備的協助下，改造舊式控制系統，明顯提升了系統響應的時效性和調節過程的敏捷性，并將磨損卡澀等不良現象的發生率降至最低。控制系統現代化改造后所創造出的經濟效益，對改造階段所需的投資起到一定補償作用。實踐表明，本文研發出的控制系統是成功的，希望能為后續階段大規模進行該方面的改造、升級工作提供一定理論支持。

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