一鍵啟停系統(tǒng)控制汽拖式壓縮機(jī)

鄭永義

（國(guó)家能源集團(tuán)煤焦化有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏海 016040）

國(guó)家能源集團(tuán)煤焦化西來(lái)峰分公司西來(lái)峰甲醇廠空壓機(jī)H1037防喘振控制自開(kāi)工以來(lái)，防喘振回路一直在手動(dòng)控制狀態(tài)，升速系統(tǒng)為505控制，操作復(fù)雜，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行，能耗大。介于目前狀況，現(xiàn)改造為CCC 一鍵啟停機(jī)組控制系統(tǒng)，并利用2021年10月份大檢修時(shí)完成改造，以達(dá)到全自動(dòng)控制，穩(wěn)定工藝目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

1 目前DCS存在問(wèn)題

（1）甲醇廠使用的DCS 為德國(guó)ABB 的AC900F，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬量顯示、開(kāi)關(guān)量顯示、模擬量控制、開(kāi)關(guān)量控制、邏輯控制、聯(lián)鎖控制；但是制作不了防喘振曲線，實(shí)現(xiàn)不了入口壓力、出口壓力、出口流量控制，也就保護(hù)不了機(jī)組的安全運(yùn)行。

（2）由于出口放空閥開(kāi)度較大，為了達(dá)到出口壓力設(shè)定值，汽輪機(jī)經(jīng)常滿負(fù)荷運(yùn)行，主汽門(mén)開(kāi)度經(jīng)常在100%。當(dāng)蒸汽壓力和溫度下降時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速即發(fā)生下降，操作人員需要及時(shí)關(guān)小放空閥來(lái)穩(wěn)定出口壓力，操作難度大，如果放空閥關(guān)閉過(guò)多，容易使壓縮機(jī)發(fā)生喘振。

（3）放空閥開(kāi)度大，機(jī)組機(jī)做功大。

（4）目前壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉為手動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)化程度低，在操作中容易出現(xiàn)操作失誤現(xiàn)象或工藝波動(dòng)時(shí)操作不及時(shí)，造成壓縮機(jī)波動(dòng)。容易對(duì)設(shè)備本身造成損害（如干氣密封等），維修費(fèi)用高等。

（5）Woodward 505 調(diào)速器自動(dòng)化程度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的全自動(dòng)暖機(jī)升速、一鍵啟停等功能，操作繁瑣。

2 汽拖式壓縮機(jī)改造策略

用一套專業(yè)的機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，達(dá)到全自動(dòng)控制，穩(wěn)定工藝目標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)黑屏操作重新計(jì)算并設(shè)定防喘振控制線。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)喘振線，設(shè)定各控制回路的解耦協(xié)調(diào)控制，POC 控制和RT 控制，從而實(shí)施安全、高效的防喘振及性能控制。

需要將參與壓縮機(jī)組的壓力控制、防喘振控制所需要的空壓機(jī)入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度、出口流量等信號(hào)接入CCC 一鍵啟停系統(tǒng)，輸出通過(guò)控制器、卡件、安全柵接到HV10016放空閥、FV10015防喘振閥、電液轉(zhuǎn)換器和入口導(dǎo)葉定位器。

3 空分汽拖式壓縮機(jī)控制改造方案

本次改造涉及的控制回路包括：防喘振控制回路、入口壓力控制回路、出口壓力控制回路、轉(zhuǎn)速控制回路以及超速試驗(yàn)回路。

在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)葉在最小位置，防喘振閥門(mén)在全開(kāi)位置。在空壓機(jī)達(dá)到工作轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，防喘振控制器投入運(yùn)行，自動(dòng)關(guān)小防喘振閥門(mén)；同時(shí)壓力控制器通過(guò)分程調(diào)節(jié)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)出口流量的自動(dòng)控制。

3.1 控制方面改造內(nèi)容

（1）空分機(jī)柜間安裝一個(gè)防喘振控制機(jī)柜。

（2）空分操作室安裝工程師站1臺(tái)，甲醇中控操作室安裝操作員站1臺(tái)。

（3）DCS 空壓機(jī)入口壓力、入口溫度、出口溫度、出口壓力、出口流量信號(hào)通過(guò)一拖二安全柵接入防喘振控制機(jī)柜。

（4）505控制器轉(zhuǎn)速信號(hào)，電液轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)接入防喘振控制機(jī)柜，由CCC 系統(tǒng)控制。

（5）防喘振控制閥HV10015、HV10016 及導(dǎo)葉PV10010由DCS 控制改為CCC 系統(tǒng)控制。

（6）DCS 聯(lián)鎖信號(hào)、允許啟動(dòng)信號(hào)、防喘振電磁閥狀態(tài)信號(hào)送CCC 控制系統(tǒng)，CCC 系統(tǒng)機(jī)組喘振信號(hào)送DCS 報(bào)警，CCC 系統(tǒng)停車信號(hào)送DCS。

（7）通過(guò)CCC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)防喘振控制功能。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)方面改造內(nèi)容

修改入口壓力PT10010、出口壓力PT10015、出口流量FT10015變送器阻尼時(shí)間，提高儀表響應(yīng)速度；HV10016防喘振閥動(dòng)作緩慢，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改造，在進(jìn)氣缸入口處增加快排閥一個(gè)，提高閥門(mén)動(dòng)作速度。

4 防喘振控制系統(tǒng)功能

一鍵啟停控制系統(tǒng)提供了一種多用途、緊湊和經(jīng)濟(jì)的手段對(duì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的控制，防止超速損壞并實(shí)施自動(dòng)開(kāi)車和停車程序。對(duì)于抽汽式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制，還可以同抽汽控制相結(jié)合以協(xié)調(diào)功率和抽汽流量或者壓力。對(duì)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，CCC轉(zhuǎn)速控制可以同防喘振控制和性能控制相結(jié)合，對(duì)整個(gè)機(jī)組實(shí)施全機(jī)組控制，并且轉(zhuǎn)速控制的輸出信號(hào)同上述控制的輸出信號(hào)直接解耦，因而可以對(duì)整個(gè)機(jī)組實(shí)施更加精確的控制和有效的保護(hù)。

轉(zhuǎn)速控制主要功能概述：

（1）有效轉(zhuǎn)速范圍（Valid Speed Range）能夠可靠測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍。

（2）轉(zhuǎn)速控制范圍（Speed Control Range）能夠應(yīng)用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制的范圍。

（3）正常操作范圍（Normal Operating Range）滿足工藝要求的正常操作的轉(zhuǎn)速范圍。

（4）臨界轉(zhuǎn)速范圍（Critical Speed Range）透平發(fā)生振動(dòng)停止操作的轉(zhuǎn)速范圍。

（5）空載和額定轉(zhuǎn)速（Idle and Rated Speed）自動(dòng)順序開(kāi)始調(diào)節(jié)透平的起始轉(zhuǎn)速。

（6）當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)程和串級(jí)設(shè)定值之間的平滑切換。

（7）串級(jí)/約束控制用于調(diào)節(jié)所驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷，可用輔助控制回路限制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷或其他工藝參數(shù)。

（8）與抽汽控制之間的完全集成。

（9）發(fā)電機(jī)控制自動(dòng)同期Droop 控制斷路器開(kāi)路保護(hù)防止透平轉(zhuǎn)速飛升。

（10）快速PID 控制算法。

（11）臨界轉(zhuǎn)速避免。

（12）超速保護(hù)與測(cè)試。

（13）啟動(dòng)與停機(jī)順序。

（14）自動(dòng)與手動(dòng)操作。

（15）高電流輸出幾乎適應(yīng)任意的控制閥提供多重回路測(cè)試選項(xiàng)，包括閥門(mén)定位控制回路。

5 控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

CCC 一鍵啟停冗余控制系統(tǒng)允許壓縮機(jī)在更靠近機(jī)械、工藝限制區(qū)域內(nèi)安全運(yùn)行。此安全操作區(qū)域由壓縮機(jī)喘振線和限制變量（如與工藝有關(guān)的限制變量，包括最大出口壓力、最小入口壓力等）。CCC 公司Prodigy 冗余控制系統(tǒng)也允許實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的啟機(jī)、停機(jī)操作，并且能夠優(yōu)化壓縮機(jī)和工藝操作。

空壓機(jī)H1037通過(guò)減少回流量達(dá)到節(jié)能效果，依據(jù)得到的壓縮機(jī)性能曲線、數(shù)據(jù)表及空壓機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)（表1），進(jìn)行了初步計(jì)算。

表1 H1037運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)H1037性能曲線及當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)，用坐標(biāo)系繪制喘振曲線及運(yùn)行點(diǎn)，橫坐標(biāo)為簡(jiǎn)化流量，縱坐標(biāo)是壓比，如圖1所示。

曲線為理論喘振線，圓圈o 代表空壓機(jī)運(yùn)行點(diǎn)（未畫(huà)出喘振控制線）。

由計(jì)算得出的圖可看出，當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)離理論喘振線有距離，而且理論喘振線往往在實(shí)際喘振線的右側(cè)，因此，當(dāng)完成喘振測(cè)試后，存在關(guān)小防喘振閥門(mén)開(kāi)度的可能性。根據(jù)CCC 以往的工程經(jīng)驗(yàn)，節(jié)約蒸汽量不低于當(dāng)前蒸汽耗量的5%。

6 一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）CCC 控制系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)原有505控制器所有功能，操作簡(jiǎn)單方便，只要機(jī)組允許啟動(dòng)信號(hào)具備條件，操作人員將DCS 防喘振電磁閥得電，然后點(diǎn)擊CCC 控制系統(tǒng)操作站畫(huà)面轉(zhuǎn)速控制器面板上的正常啟動(dòng)按鈕，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)功能。

（2）在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)意外情況，可以轉(zhuǎn)為手動(dòng)升速功能，繼續(xù)升速；機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速控制器SIC-10061投入自動(dòng)，入口導(dǎo)葉控制器PIC-10010投入自動(dòng)，防喘振控制器FIC-10015投入自動(dòng)，防喘振控制閥根據(jù)負(fù)荷大小開(kāi)始慢慢關(guān)閉，生產(chǎn)正常后全部關(guān)閉，以后操作人員無(wú)需再對(duì)防喘控制閥進(jìn)行操作，減輕了工作量。

（3）該系統(tǒng)維護(hù)方便，控制機(jī)柜內(nèi)所有硬件全部為雙冗余，無(wú)需維護(hù)。維修入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度、出口流量?jī)x表時(shí)，只需將防喘振控制器切換到手動(dòng)和硬手動(dòng)操作就可以進(jìn)行，不影響整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行。

（4）該系統(tǒng)超速保護(hù)試驗(yàn)簡(jiǎn)單方便，當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速以后，允許進(jìn)行超速保護(hù)試驗(yàn)，點(diǎn)擊超速試驗(yàn)，開(kāi)始升速，當(dāng)達(dá)到電子跳閘時(shí)，機(jī)組不停車，只報(bào)警，達(dá)到機(jī)械跳閘前后100轉(zhuǎn)左右，如果機(jī)組還不停車，自動(dòng)發(fā)出命令停車。

7 與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

目前國(guó)內(nèi)外大部分工廠使用離心機(jī)的壓縮機(jī)，為保護(hù)壓縮機(jī)都有不同的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)使用的比較好的有和利時(shí)的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)，國(guó)外有名的是康吉森、西門(mén)子、CCC 防喘振控制系統(tǒng)，相對(duì)比而言，美國(guó)CCC 和康吉森控制系統(tǒng)使用比較多，而且相對(duì)穩(wěn)定。美國(guó)CCC 防喘振系統(tǒng)冗余功能和穩(wěn)定性更優(yōu)越于康吉森控制系統(tǒng)，價(jià)格比其他系統(tǒng)高，操作簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用成功案例多。具體比較如下。

（1）CCC 防喘振控制系統(tǒng)硬件體積小，安裝方便，其他系統(tǒng)硬件體積大，不便于在線安裝。

（2）CCC 防喘振控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)來(lái)的信號(hào)通過(guò)安全柵和繼電器就可以直接到達(dá)卡件，其他系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)中間端子板，通信電纜到達(dá)卡件，而且出現(xiàn)故障不好檢查。

（3）CCC 防喘振控制系統(tǒng)軟件安裝簡(jiǎn)單，不需要授權(quán)，計(jì)算機(jī)帶有兩塊硬盤(pán)，一塊損壞不影響操作；其他系統(tǒng)軟件分上位機(jī)和下位機(jī)軟件，安裝完畢后需要硬件授權(quán)才能工作。

（4）CCC 防喘振控制系統(tǒng)軟件組態(tài)方便，容易易學(xué)，基本上是填表格實(shí)現(xiàn)；其他系統(tǒng)采用功能塊進(jìn)行組態(tài)，遇到復(fù)雜的控制邏輯，極不方便。

（5）CCC 防喘振控制系統(tǒng)控制回路投入自動(dòng)方便，只要設(shè)好控制規(guī)律參數(shù)，就可投入；其他系統(tǒng)大部分處于手動(dòng)狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)。

8 使用效果及帶來(lái)的效益：

通過(guò)防喘振控制系統(tǒng)改造，脫離了工藝人員在加減量及緊急情況下頻繁操作防喘振控制閥，實(shí)現(xiàn)中控室自動(dòng)控制負(fù)荷功能，控制系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)原有505控制器所有功能，操作簡(jiǎn)單方便，為下一步機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)黑屏操作奠定了基礎(chǔ)。

直接經(jīng)濟(jì)效益：經(jīng)統(tǒng)計(jì)，節(jié)約中壓蒸汽2～3 t/h，按市場(chǎng)最低價(jià)170 元/t 蒸汽計(jì)算，減去裝置大檢修30 d，全年節(jié)資2.5×24×335×170=341 萬(wàn)元；每小時(shí)節(jié)約壓縮空氣1 500 m3，按市場(chǎng)最低價(jià)0.01 元/m3計(jì)算，全年節(jié)資1 500×24×335×0.01=12 萬(wàn)元；保守總計(jì)節(jié)省費(fèi)用約為353萬(wàn)元/a，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

間接經(jīng)濟(jì)效益：為甲醇廠降本增效起到了重要作用，同時(shí)減少了放空噪聲污染，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了儀表人員的維護(hù)工作量，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)自動(dòng)控制功能。

9 結(jié)束語(yǔ)

目前西來(lái)峰分公司甲醇廠空分裝置空壓機(jī)控制使用美國(guó)CCC 防喘振控制系統(tǒng)，系統(tǒng)從2020年6月投運(yùn)以后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)任何故障，開(kāi)停車方便，防喘振控制閥、導(dǎo)葉、調(diào)速閥一直處于自動(dòng)狀態(tài)，操作人員無(wú)需任何操作，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了中壓蒸汽和空氣，為甲醇廠起到了降本增效的作用；介于空壓機(jī)CCC 一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)成功使用情況，其他煤化工同類型企業(yè)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)可以考慮使用CCC 防喘振控制系統(tǒng)。