大機組自動控制策略性能優化

翟宏偉，謝建軍(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017317)

1 概述

本次機組自動控制策略性能優化涉及以下：40000 m3/h空分裝置大機組(包括空壓機組和氮壓縮機組)，其中空壓機組由三部分組成：汽輪機(杭汽)、空壓機(MAN)和增壓機(MAN)，氮壓縮機組由二部分組成：汽輪機(杭汽)、氮壓機(cameron)；氨制冷機組：汽輪機(杭汽)、壓縮機為沈鼓設計制造的二缸三段壓縮機，設計有三回一、三回二、三回三、三段防喘振。上述機組控制系統均采用TRICONEX 的TS3000控制系統。

2 大機組智能自動控制策略性能優化的必要性

自投用以來，由于工藝、設備、機組控制系統調試等問題，上述三套壓縮機組防喘振控制一直在半自動控制狀態，為保證機組的安全運行，防喘振閥無法投用自動，同時防喘振閥門需保持一定開度以保證運行點與防喘振線的較大的安全裕度。

氨壓機存在問題：各段都未實測過防喘振線，防喘振閥一直不能全關。在實際操作中，當機組運行點靠近喘振控制線時(在喘振線右側未達到喘振線時)，防喘振閥就出現喘振全開。為保證機組的安全運行，防喘振閥無法投用自動，同時防喘振閥需保持一定開度以保證運行點與防喘振線的安全裕度。機組很多控制回路控制偏差大或手動控制，操作員要實時監視調整氨冰機喘振測試結果。喘振測試結果偏差很大，一段原喘振線比實際喘振線偏離了20%左右，在運行中工作點距離喘振線20%就發生喘振。上述問題都需要操作人員投入精力去觀察機組的重要參數，實時進行人工手動調節，這樣既不安全也不經濟，造成能量的浪費。

改進方法：增加防喘振線控制死區線，避免投用自動時產生控制振蕩。增加防喘振閥啟動死區控制，使防喘振閥能適應性能控制的需要。修改慢關功能，目前為固定的速率2%/秒。修改為依據閥的開度和控制裕度自動實現裕度大速率快，裕度小速率慢的慢關速率自動調整。參加控制的主要儀表要有故障退守測量，防止因儀表回路故障引起機組運行事故。依據機組運行數據和操作需求重新明確防喘振控制功能和調整防喘振控制參數，能夠實現防喘振自動控制[1]。

為了保證工藝裝置的安全長周期穩定運行，需要使用更新的技術、更加可靠的應用軟件組態來控制壓縮機組，實現機組的自動化優化運行。因此需對壓縮機組控制系統進行優化。

3 機組運行現狀及系統優化方法

氨制冷壓縮機入口壓力(性能)控制程序無法投自動，無法實現機組入口壓力與轉速的串級控制。抽汽流量控制，冬季要求加大抽汽量，夏季要求減少抽汽量；壓縮機防喘振控制：防喘振控制圖壓比量程過大。

改進方法：(1)完善自動控制回路程序，采用不同工況自動選擇不同的控制參數，實現控制參數根據工況變化的優化整定，確保控制參數穩定；(2)通過壓縮機運行數據和設計數據對比分析，找到壓縮機二段防喘振閥不能全關的原因，重新核算喘振線和數據分析找到壓比過高的原因；(3)完善壓縮機防喘振控制程序，依據機組特性調整控制參數，在保護壓縮機的同時減少控制對工藝影響，檢查參與防喘振控制的儀表，分析歷史運行數據，確定儀表穩定正常。喘振測試，重新標定喘振線，使壓縮機在穩定工況下運行的同時，能節能控制運行；(4)抽汽壓力原有自動控制基礎上增加手動控制功能；(5)通過速度和防喘振控制的解耦控制在機組的節能運行情況下來實現壓縮機入口壓力的穩定，對于氨壓縮機用入口壓力作為主控參數實現性能控制，修改自整定參數程序，增加控制死區；(6)依據運行數據分析，結合設備測試結果，修改控制參數。如：防喘振線PID器控制參數、比例控制器最大開度、閥門快開和慢關速率等；(7)控制壓縮機的入口壓力或出口壓力或流量為主要參數，通過速度和防喘振控制的解耦控制在機組的節能運行情況下來實現壓縮機入口壓力的穩定。對于氨壓縮機用入口壓力作為主控參數實現性能控制。

如果單純的用入口壓力控制與調節轉速做串級控制，當壓縮機的工作點距離控制線很近時，這時再降轉速，是危險的，有發生喘振的可能性；入口壓力要求迅速提高時，只降轉速是來不及的，這時需要迅速打開一段入口回流閥來提高入口壓力，待入口壓力穩定后，再關回流閥同時降轉速，保證壓縮機的入口壓力保持不變。在裝置低負荷時，(喘振閥有開度)這時就需要用回流閥來控制入口壓力，此時如果用轉速來控制入口壓力就有發生喘振的可能，解耦控制能夠有效地解決以上問題。

控制框圖如圖1所示。

在機組啟動過程中和停機過程中，空壓機和增壓機的入口導葉為手動控制，造成操作繁瑣和存在操作失誤的可能。

改進方法：(1)按照工藝要求設計好啟停機組過程導葉控制的時機和大小，用程序控制減輕操作強度，實現機組自動啟停；(2)空壓機、增壓機1段、增壓機2段機組停車過程導葉開度控制，在機組停車過程中，當速度<200 r/min時，程序將導葉開度設置為0，接著操作人員可以操作；(3)機組啟動過程導葉開度限制：模式等于2時程序設置導葉開度到5%,范圍在4%～8%之間可操作；在機組啟動過程中，當速度>1300 r/min時，在12%～15%之間可操作；在機組啟動過程中，當速度>5262 r/min時，在15%～100%之間可操作；機組正常操作的時候，程序設置導葉開度的最小值和最大值，性能控制調節范圍在最大范圍和最小范圍進行調節。

不能做到自動一鍵升速，機組啟動過程過分依賴操作人員的操作經驗，這樣操作強度大對操作人員的經驗要求高。

改進方法：根據機組制造廠所規定的升速曲線和操作經驗和依據運行數據分析，優化調整機組自動啟動參數。(1)允許在線修改一段暖機時間、二段暖機時間、三段暖機時間；(2)升速過程(不在臨界區)中自動/手動可以進行無擾動操作；(3)加速區對機組振動等情況判斷后，如果需要降速至暖機區，在程序中增加“降速至暖機區按鈕”，然后可以降速至暖機區；(4)在保留原來控制方式的前提下，增加一鍵啟動功能，兩種模式可以無擾動切換操作。完善升速過程中自動升速程序，程序通過對振動情況和汽輪機蒸汽溫度等，條件綜合判斷暖機結束后是否繼續升速，做到一鍵自動升速到運行速度；(5)自動升速過程中操作員可隨時解除自動控制，速度停留在臨界速度外的當前速度。

不防喘振控制采用空壓機吸氣壓差和排氣壓力來控制。沒有對喘振線進行溫度補償，溫度變化比較大時，喘振線存在一定的偏差。

改進方法：(1)修改防喘振控制程序。關閥速率修改為依據工作點和防喘振線的距離，程序自動選擇速率；(2)增加空壓機喘振線溫度補償；(3)增加防喘振線控制死區線，避免投用自動時在閥有開度的時候，產生控制振蕩；(4)增加防喘振閥啟動死區控制，使防喘振閥能適應性能控制的需要；(5)修改慢關功能，依據閥的開度和控制裕度自動實現裕度大速率快、裕度小速率慢的速率自動調整；(6)增加參加控制的主要儀表要故障退守策略，避免因儀表回路故障引起機組運行事故；(7)機組進行喘振驗證測試，性能控制投用后工作點運行在防喘振線附近，做機組防喘振線驗證試驗，確保機組工作點達到喘振線時機組不發生喘振，確保機組能安全運行，喘振線驗證試驗，同喘振試驗，只是不一定要做到機組喘振，當工作點達到喘振線時就結束試驗。

空壓機導葉控制按照原控制系統的設計是采用空壓機出口壓力進行自動調節，投自動后不能穩定運行。單純調整導葉有發生喘振的風險；導葉控制沒有設置輸出死區限制，不利于導葉的長期穩定運行。

改進方法：(1)將入口導葉控制方案修改為性能控制，通過解耦控制防喘振閥和入口導葉來達到自動控制出口壓力的目的；(2)增加導葉控制死區限制；(3)空壓機出口壓力用于空壓機的性能控制，考慮分子篩切換過程中壓力快速降低提前開導葉的動作。

增壓機一段和二段導葉控制都為手動控制，壓力控制可能調節不及時而波動大，不能投用自動，人工操作強度大。

改進方法：(1)將兩個導葉控制由出口壓力控制，修改為以出口壓力主控參數的性能控制；(2)分析膨脹機和高壓板式換熱器部分工藝波動時可能的相互干擾。計算膨脹機跳車后對應放空閥相應的開度，待程序修改完后進行參數確認。建立兩段性能控制的彼此之間的協調控制；(3)根據現場實際參數的靈敏度選取兩臺壓力變送器中反應靈敏度高的參與二段導葉控制；(4)將增壓機一段出口壓力和二段出口壓力，采用3取2退守策略參與相應性能控制。

點擊加載按鈕后可以手動關小防喘振閥，開大導葉來加載空壓機負荷。開車過程操作員需要頻繁操作，操作強度大。

改進方法：(1)改變加載按鈕的定義，在機組聯鎖停車后，性能控制程序切換為手動，出口壓力設定值置0；(2)機組運行正常后，按下加載按鈕，程序自動投用性能控制，逐步增大出口壓力設定值到需要的壓力，程序按照出口壓力設定值自動調整防喘振閥和入口導葉，將出口壓力自動控制到壓力設定值。

膨脹機跳車、4返2防喘振回流閥打開造成增壓機三段出口壓力高，機組發生喘振。目前通過三段入口管線放空閥調節壓力，防止入口超壓，不能滿足。

改進方法：(1)完善增壓機一段和二段入口放空閥(PV-1081和PV-1084)的性能控制。將放空閥的壓力控制器修改為壓力限制控制。壓力超過高限后通過PID調整控制；(2)這個放空閥的另一項重要功能是當膨脹機或液氧泵跳車后將送往膨脹機或高壓板式換熱器的壓縮氣體排出系統。依據正常時的流量和放空閥的CV曲線計算出對應的放空閥開度作為預設值，當收到膨脹機或高壓板式換熱器的停車信號時，開到預設的開度后在實施壓力控制，達到更有效的控制壓力的目的。

4 優化效益

(1)自動加載程序投用自動后，在機組啟動時候，加載程序控制機組加載，增加了加載過程的穩定性的同時減少了加載時間，縮短了機組的開車時間帶來經濟效益。

(2)通過最新的控制技術控制回路都能運行在自動控制，使機組的自動化控制水平提高，減少操作人員的操作的頻次節約操作時間，更好的保障裝置的操作平穩，帶來潛在的效益。

(3)機組性能控制優化后，為機組投用性能控制，使得機組運行更安全穩定，摸索出一套合理的控制方案，可大幅提高煤化工中大型機組性能，使機組做工更節能。優化性能控制，實現異常狀態下機組聯鎖動作的安全合理，完善應急響應，減少停車損失。

5 結語

自動控制優化工作是一項長期工作，也是一項艱巨工作，反映了煤化工管理的綜合水平。從此次優化工作的結果來看，不僅提高了機組自動化的水平，而且在節能降耗方面也取得了經濟效益，此次控制系統改造優化達到了預期目標[2]。