氨氣壓縮機組的智能控制與節能降耗

梁 安

(陜西奧維乾元化工有限公司 陜西府谷 719400)

1 工藝概述

氨氣壓縮機是合成氨裝置和低溫甲醇洗裝置中的核心設備，運行過程中一旦出現異常或者停機，將導致整個裝置的生產中斷。某300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素、200 kt/a甲醇裝置中的氨氣壓縮機組出口冷凝的液氨分兩路為各裝置提供冷量，一路去低溫甲醇洗裝置，吸收工藝熱量蒸發后返回壓縮機一段；另一路去氨合成裝置一級氨冷器冷卻氨合成裝置的合成氣，蒸發的氣氨返回壓縮機四段，剩余的液氨進入二級氨冷器深冷合成氣，蒸發的氣氨返回壓縮機二段[1]。

2 氨氣壓縮機組控制系統存在的問題

該氨氣壓縮機組采用NK32/45型多級冷凝式汽輪機驅動，壓縮機型號為3MCL707+3MCL708，低壓缸為7級葉輪壓縮，高壓缸為8級葉輪壓縮。氨氣壓縮機組自投運以來，一直在高轉速、高負荷下運行，主要存在以下幾方面問題。

(1)喘振線。自開車以來，壓縮機喘振線未經實測，原控制系統中的喘振線是根據壓縮機制造企業提供的理論曲線進行控制，由于設計、制造等其他方面存在偏差，壓縮機的實際喘振線與理論預測喘振線常存在顯著差異，使用理論喘振線常無法完成精準的防喘振保護[2]，且防喘振閥長期處于手動或半自動模式，其控制精度、響應時間、機組安全等無法保證。

(2)入口壓力采用手動控制。壓縮機入口壓力通過手動控制轉速、防喘閥和入口溫度調節閥的開度調節，壓縮機轉速控制與性能控制未能實現關聯。

(3)能耗高。一方面由于壓縮機轉速控制與性能控制未能實現關聯，操作人員手動控制時，會相對保守地將壓縮機組控制在較高的轉速下；另一方面，在不同的季節四回一防喘閥有10%～25%開度，必然導致能耗增加，無法實現精細化操作，造成浪費，不利于生產運行的節能降耗。

(4)自動化率低。控制壓縮機組的手動調節較多，自動化程度低，在操作時容易出現失誤，造成壓縮機出口壓力波動，影響正常生產，甚至會對設備造成損害。

3 新系統的主要控制策略

3.1 喘振控制策略

根據壓縮機生產企業提供的理論曲線重新計算壓縮機組喘振線，將不同壓縮機入口條件的喘振線彌合成一條喘振極限線(SLL)[3]，在此基礎上預留安全裕度計算出喘振控制線(SCL)，并且在試車和運行前期階段測出實際喘振點，進行修正得到較準確的SLL。

3.1.1 RT階躍響應

在SLL與SCL之間增加一條隱藏的階躍響應線(RTL)，如果出現一個較大較快的擾動，當正常PID調節不能使壓縮機操作點保持在SCL的右側，操作點瞬間越過了SCL左側的RTL時，控制器將會實施開環控制策略，即RT階躍響應。RT階躍響應會快速將預設的輸出值重復累計疊加在常規PID控制的輸出值上，共同作用于防喘振閥，直至操作點回到RTL的右側，這樣就可以增加足夠的流量防止出現喘振[4]。

3.1.2 安全響應

在SLL的左側增加一條安全響應線(SOL)，如果因意外情況(較大的過程變化、特別嚴重的波動等)使壓縮機的操作點越過SLL和SOL而發生喘振[5]，則安全響應就會重新增加一定量的喘振控制裕度，使SCL右移，增大SCL與SLL之間的距離，保證在下一次喘振周期到來之前將喘振止住[6]。

3.1.3 緊密關閉控制

在SCL的右側增加一條緊密關閉線(TSL)，如果操作點在TSL的右側，那么防喘振控制器的TS緊密關閉響應將輸出信號全關防喘振閥；當操作點在TSL左側和SCL右側時，則輸出較小開度使防喘振閥微開，防止防喘振閥卡澀，無法迅速打開，造成機組喘振。

各種控制線之間的關系[7-8]見圖1。

圖1 各種控制線之間的關系

圖1中坐標軸x、y為性能曲線的主要坐標，x為簡化的流量平方，y為簡化的壓頭；b為可變的安全裕度大小，即喘振控制裕度；b1為初始安全裕度；b2為安全響應偏置值，即每次檢測到喘振時，SCL右移的距離；n為已發生的喘振次數；d1為TSL與SCL之間的預設距離；SO為安全響應偏置，是SLL與SOL之間的預設距離；RT為階躍響應預設偏置。

3.2 機組負荷自動調節控制策略

壓縮機入口壓力性能控制回路與速度控制回路采用串級調節，實現轉速跟隨機組負荷變化的自動控制；同時通過入口壓力超馳控制(POC)及系統解耦功能精確控制壓縮機入口壓力，實現穩壓控制，即設定入口壓力值后，可以實現機組負荷的自動調節。

3.3 Fallback策略

Fallback策略可用來監測流量、壓力、溫度等測量信號的現場回路情況。如果有現場測量回路故障，將發出報警，同時喘振控制進入Fallback狀態，不會導致停車；性能控制器進入Fallback狀態將自動轉換至預先設置好的替代回路控制；當故障信號回路為聯鎖信號時，信號將保持在最后的真實值或預設的數值上，同時報警，聯鎖不會動作造成停車。

4 控制系統的改造實施

針對氨氣壓縮機組控制系統存在的問題，通過大量調研、分析和充分準備，于2019年9月大檢修期間實施氨氣壓縮機組的智能控制與節能降耗改造，主要內容如下。

(1)新增一套專用控制系統，實現壓縮機防喘振控制、入口壓力性能控制和負荷自動調節轉速控制。防喘振控制器、調速控制器執行周期為20 ms，輸入點掃描周期為2.5 ms，輸入點掃描8次，控制器執行1次。

(2)新系統出廠前完成了系統機柜硬件的組裝和控制系統軟件的組態，并測試合格。

(3)根據檢修計劃，安裝了新系統機柜、操作站等設備，按照圖紙將原系統中的轉速、段間出入口壓力、段間出入口溫度、段間出入口流量、段間防喘振閥控制、段間溫度控制閥等信號接入新的控制系統中，完成了新系統的安裝接線調試工作。

(4)根據重新計算的喘振線及相關參數，設置了新系統內部的組態參數，刪除了原系統中的相關組態。

(5)壓縮機組啟動后，進行了喘振點實測試驗，中控和現場人員密切關注機組的運行參數和機組現場運行情況，通過反復微調，得到了更接近實際的喘振線。

(6)機組運行平穩后，調整了各控制器的相關參數，獲得了壓縮機組全自動智能控制的效果。

5 改造后的效果

改造后的控制系統畫面簡單明了，操作便捷，實現了對壓縮機組的智能化控制，達到了節能降耗的目的。

(1)系統改造后的喘振控制線更加接近實際，3套防喘振控制算法分別用于氨壓縮機組四回一、四回二、四回三防喘振閥的精確控制，并且在控制算法中增加了自動補償壓縮機入口壓力、溫度等參數的變化，防喘振閥門在所有工況可投入自動模式運行，正常負荷運行時防喘振閥可實現全關，減少了壓縮機組的回流量，能夠實現節能降耗。

(2)機組負荷自動調節控制策略實現了壓縮機入口壓力和機組轉速的全自動控制功能，降低了操作人員的操作強度和誤操作概率，提高了壓縮機組自動化控制水平，有望實現壓縮機組無人值守或黑屏操作，解決了工藝崗位缺員的問題。

(3)系統改造后，壓縮機組額定負荷運行的轉速由7 300 r/min降至6 960 r/min左右，汽輪機4.0 MPa中壓過熱蒸汽的消耗量由30 t/h減至24 t/h。按年運行時間7 900 h、中壓過熱蒸汽以50元/t計，氨氣壓縮機組年節能費用為237萬元。

(4)實現了壓縮機一段、二段、三段溫度調節閥的自動控制。溫度調節閥與防喘振控制解耦，解決了操作人員長期純手動控制各段溫度調節閥的問題。

(5)在系統改造過程中，根據控制系統的精度要求，重新修改了壓縮機各段的壓力、流量變送器的量程、阻尼時間、故障方向，評估了防喘振閥的流通能力、響應時間等參數，使壓縮機組現場儀表和執行器能在最短時間內對壓縮機的喘振進行調節，并且增加的Fallback策略避免了因儀表故障測量值突變導致的無故停機，大幅提高了控制系統的可靠性，解決了因生產波動對壓縮機組本身造成的影響或破壞。

(6)控制系統改造后，提高了機組的自動化控制水平，縮短了生產開車時間，機組在熱態情況下可以在30 min左右達到滿負荷狀態，快速恢復生產。

6 結語

隨著工業自動化、智能化水平的發展，節能降耗必然是企業的重點控制之一，一套自動化程度高的控制系統不僅能降低企業生產成本，提高經濟效益，而且在一定程度上可以幫助化工企業實現“機械化減員、智能化換人”的目的，向智慧工廠邁進。同時本次控制系統的改造，也可為其他企業在機組控制系統的選型或運行過程中出現同類問題時提供參考。