乙烯联合装置压缩机控制系统浅析

关键词：三大机组；调速器；防喘振；改进 中图分类号：TP274 文献标识码：A Analysis of compressor control system in ethylene plant SHI Cheng-wu,CHENG Liang-lun (Automation Institute, GuangDong University of Technology, Guangzhou 510090,China) Abstract: The article expound the composition of three compressor control system and control principle of steam turbines compressor. Analysis and feature of 505E digital governor, Series 3 plus antisurge controller, and Shut - Down system. Improve plan of three compressor control system. Key words: three compressor; governor; antisurge controller; improve plan 1 引 言 本文重点对广州石化压缩机控制系统进行解析，阐述乙烯装置三大机组控制系统的压缩机性能及防喘振控制、数字电子调速系统和机组紧急停车系统的控制性能，以及各控制系统之间的关系，力求找到整个自控系统的优点和不足，以利于控制系统的改进升级。 2 乙烯三大机组控制系统现状分析 目前，国内同类乙烯装置在大机组控制方面情况如下：蒸汽透平大多采用了专业的电子调速系统；性能和防喘振控制各有千秋，有采用简单的 DCS控制，有采用快速反应的智能调节器控制，有采用智能调节器与DCS相结合的控制，也有采用专业压缩机控制公司生产的具有多种控制策略的专用控制器；振动监测几乎都采用了本特利振动监测系统，大部分机组都增加了振动监测专家诊断系统；机组的紧急停车系统有采用继电器搭建的，也有采用高可靠的ESD冗余系统来实现的。以上同类装置三大机组的控制系统各家几乎都是分立的控制器组成的，缺少整体性和数据的共享性，缺少整体的事故分析和记录，设备成本高，可靠性低，维护量大。要想解决上述问题，就要对现系统进行改造，既要解决可靠性，又要考虑系统的处理速度和执行速度。 广州石化乙烯装置三大机组是乙烯装置的心脏，它们分别是有四级组成并由抽汽式透平驱动的 P - 1650丙稀冰机、有三级组成并由背压式透平驱动的P - 1600乙烯冰机和有四级组成并由抽汽式透平驱动的P - 1300裂解气压缩机，其控制系统采用了蒸汽透平压缩机专用的分立式控制器。 2．1 三大机组控制和联锁系统组成 图1描述了三大机组中的任一台机组典型的控制和联锁关系，具体文字描述如下，三大机组的三台蒸汽透平控制，分别由美国Woodward公司制造的两台505E和一台505电子数字式调速器组成，用于完成透平压缩机的全自动开车和正常的速度控制。压缩机的防喘振控制由美国压缩机控制公司(3C)制造的压缩机性能控制器(PIC)、防喘振控制器(UIC)和紧急防喘振手自动站(EAS)组成，其性能控制器的输出信号做为Woodward电子调速器的控制给定值，形成串级控制，其防喘振控制器(UIC)和紧急防喘振手自动站(EAS)形成高性能的串级防喘振控制。轴振动位移监测保护使用了美国本特利公司生产的3300系列轴振动监测系统，透平压缩机每个缸体的轴位移联锁采用二取一的联锁方式，轴振动采用二取二联锁方式，而且本次大修增加了三大机组轴振动监视专家诊断系统。机组的轴瓦温度监测系统是由美国ronlan公司生产的，其联锁方式为一取一方式，三大机组轴温进入机组联锁系统加大了对机组的安全保护力度。机组本体的联锁保护逻辑的搭建由中控室压缩机控制柜内的继电器完成，机组外围联锁由PLC(Honeywell公司的逻辑管理器(简称LM))实现， DCS主要实现机组本体各控制单元的显示、报警和记录以及机组之外部分的控制。 505E自身不仅有灵活的控制，而且在三大机组的控制中采用了远程控制，可以将3系列增强型性能控制器的输出信号作为505E速度基准，进行串级控制，使机组控制不仅稳定而且效率最高。 2．2 三大机组的防喘振控制 2．2．1 防喘振控制和性能控制原理 压缩机喘振保护系统的基本目标是：防止因喘振而引起压缩机损坏及工艺过程波动，同时又不牺牲能量效率或系统能力，将选择的过程限制变量控制在安全或能够接受的范围内。三大机组采用了美国压缩机控制公司生产的3系列加强型防喘振控制器和EAS(紧急防喘振手自动站)喘振检测器，组成了高性能的防喘振控制系统，实现了压缩机的喘振保护。 每台轴流式或离心式压缩机都有一个最大压头和最小流量的极限，超过这个极限，压缩机将发生喘振。一旦引发了喘振，流量和压力就会急剧波动，直到喘振原因被排除或联锁保护设备将机组停下为止，否则机组将发生灾难性的大故障。伴随着喘振会产生过大的轴承推力和叶轮的载荷，产生振动及气体温升，此时可能经过极少次数的喘振周期就会使工艺过程发生波动并使压缩机严重损坏。 防喘振的唯一办法是将部分流量回流到压缩机人口或放空，以使压缩超作点远离其喘振极限。可是，回流或放空部分气体要损失掉大量的压缩功，从而损失了压缩机的效率。因此控制系统必须能够精确地确定压缩机工作点离喘振点有多远，从而维持一个足够但又不过分大的回流。 系列加强型防喘振控制器和EAS(紧急防喘振站)喘振检测器是对喘振的精确预报和特制的控制响应的独特结合，它使压缩机的喘振安全裕量最小。其结果是，既保护了压缩机，又使浪费性的回流降到最低限度。 压缩机的一段吸人压力的性能控制是由3系列增强型性能控制器构成，用以将工艺一段吸入压力变量维持在所需设定点上的比例加积分响应，并断开与防喘振控制器的耦合，该控制器的输出用于向透平调速器提供一个速度设定点。 2．2．2 系列增强型控制器是如何解决趋近喘振的高速度的 实际上，压缩机的喘振极限是不固定的，它是一个复杂的函数，它不仅与流量及压缩比有关，它随着气体组分，入口压力和温度，转速等的变化而变化。 3系列增强型防喘振控制器使用多元函数来计算工作点相对于喘振极限的趋近程度，用多种开路和闭路控制算法精确地制定对扰动大小的响应，并以每秒25次的速率计算压缩机操作点的位置并调整其工况以防止其发生喘振，而这些计算的基础是基于每秒200次的测量采样周期，再加上2秒钟达到防喘振阀全开速度，完全优于通用型的控制系统。 为使控制系统在所有情况下都能防止喘振，他的设计必须能调节压缩机趋近喘振时的高速度。 这种现象是由两个因素造成的，为了提高效率，接近喘振极限的性能曲线平稳，而性能控制器的响应将操作点移至更接近喘振。 如图3所示，涡轮压缩机的性能曲线在喘振极限的附近非常平缓。当操作点与喘振极限之间的距离小于最大流量5％至10％时，压力或压头对流量的降低基本上不敏感。这意味着相对小的扰动也能驱使压缩机很快趋近喘振。对防喘振控制器的要求是要经常将性能控制系统的各种影响协调好。试图维持恒定的出口或人口压力时，该系统将进一步降低其流量。这也加速了压缩机趋近喘振。根据经验，如果一个扰动，使通过压缩机的压力上升了只约2％，但流量信号(差压)很快降低了14％。因为这种流量变化只经过不到400毫秒。显然，防喘振系统必须提供非常快的响应，或者非常大的安全裕量。对这种引起喘振的扰动，如果最初的喘振点已充分靠近喘振极限，趋近的速度甚至更快。 2．2．3 传统的控制器效率低 传统上，防喘振控制系统只采用一个闭环响应。但是闭环控制器太慢，不能较好地保护压缩机而且浪费过多的循环费用。为防止扰动触发喘振，传统的比例积分(P+I)控制将打开防喘振阀，以响应操作点向喘振控制线左边的偏移，在此线与喘振极限之间的距离是控制器的安全裕量，由于固有的稳定性限制，比例积分控制器不能很快响应，不足以防止喘振，除非安全裕量非常大。闭环算法可以用一个微分部件来提高。但是，即使操作点远离喘振极限对喘振控制使用比例积分微分控制也会引起防喘振阀打开，以响应任何向喘振的移动。因此，采用普通算法的控制器，对防止喘振应用是不够的。但特别针对压缩机而开发的控制策略能克服这种限制。 2．2．4 开环和闭环控制 三大机组的防喘振控制系统采用了3系列增强型防喘振控制器专利的开环和闭环相应的结合，它提供了基于工艺扰动的大小和速度的流量调节(见图4)。比例积分的响应保持防喘振阀关闭直到操作点跨过防喘振控制线(SCL)到左边，然后调节防喘振阀，目的是保持操作点在控制线上，从而防止操作点进一步向喘振移动。如果操作点继续移向喘振而不管比例积分的控制作用，阀快开(Recycle Trip)响应会提供进一步的保护。当操作点跨过阀快开控制线(RTL)时，这种算法以台阶量打开防喘振阀直到所有朝喘振的移动被停止。一旦操作点向后移至RTL右边，这种反应就慢慢衰减，从而允许较慢的比例积分响应使操作点向后移至 SCL。(见图5)每个阀快开的响应量之大小可以做成与趋近喘振的速度成比例，从而尽量减少工艺扰动，否则这种扰动就可能发生。作为最后一条防线，开环安全限响应(SO)监测压力和流量的波动，这些波动的特性是在实际发生喘振时立即将防喘振和阀快开控制线向右移动。这不仅能在一个循环后停止喘振(这是造成严重损坏的喘振重复性质)，而且还提供了防止将来喘振的附加安全裕量。这种高性能的控制响应的组合，能更主动地调节控制器，从而降低了循环和放空费用，同时不会增加喘振的风险。 3 三大机组控制系统存在的问题和改进方案 我们知道，虽然三大机组采用了较为专业的控制系统，但由于电子调速器、防喘振控制器、性能控制器、本特利振动监测系统及专家诊断系统、机组本体继电器联锁、机组外围联锁(LM)之间各自相对独立，没有信息的沟通，甚至部分系统没有与 DCS进行通讯，致使系统不能自动进行操作和联锁报警记录，虽然在2003年的装置大修中进行了部分改进，但还存在着很<