透平压缩机综合控制系统的应用

韩权涛

(河南能源化工集团永城永金化工有限公司 河南永城 476600)

透平压缩机综合控制系统的应用

韩权涛

(河南能源化工集团永城永金化工有限公司 河南永城 476600)

概述了透平压缩机综合控制系统的软件和硬件，介绍了透平压缩机综合控制系统的控制功能。透平压缩机综合控制系统先进的控制理念和控制方式为压缩机机组的可靠运行提供了保障，其可靠性和经济性以及维护的方便性完全满足了使用要求。

透平压缩机；综合控制系统；速度控制；防喘振控制

1 透平压缩机综合控制系统简介

在压缩机机组的传统控制方案中，采用PLC控制与DCS控制相结合的方式，中间通过通讯来实现数据的传输，存在反应速度慢、稳定性差的缺陷，从系统维护以及经济方面考虑，其弊端较大，故透平压缩机综合控制(Integrated Turbine/Compressor Control，简称ITCC)系统已成为当前压缩机机组控制的主流发展趋势。

河南能源化工集团永城永金化工有限公司(以下简称永金化工公司)乙二醇装置中的2套大型压缩机机组均选用了美国TRICONEX公司的ITCC系统——TS3000系统，其三重化冗余容错硬件和丰富灵活的应用软件为机组控制的可靠性和功能的丰富完善性提供了坚实可靠的基础，自身的升速程序取代了传统的505调速器，防喘振控制系统设计独特，SOE顺序事件记录更是给机组判断问题和事故带来了极大的方便，从而确保了乙二醇装置的长周期安全稳定运行。

2 系统硬件和软件

TS3000系统的硬件核心是基于三重模件冗余容错(TMR)结构的容错控制器——TRICON系统。TRICON系统有3个主处理器，其工作方式为3- 2- 1- 0或3- 2- 0，系统中所有输入和输出信号都要经过三取二进行表决[1]。

系统硬件包括控制柜(控制器3008、通讯卡、I/O卡、安全栅、继电器、接线端子等)、电源柜、操作站、通讯装置、通讯电缆等，软件包括下位机组态软件Tristation 1131和上位机监控软件INTOUCH，下位机软件与上位机软件通讯通过DDE软件来实现数据交换。TS3000系统控制方案示意如图1所示。

图1 TS3000系统控制方案示意

3 系统对机组的控制

3.1 控制功能

ITCC系统主要针对大型压缩机机组进行控制，相当于一套大的容错的PLC系统，其控制点数适当，软件和硬件可靠，反应速度为毫秒级，很好地解决了国内压缩机操控的难题。ITCC系统对机组的主控制主要包括开车允许启动系统、油路系统、工艺气路系统、蒸汽系统、调速系统、防喘振系统、机组保护系统、通讯系统、自诊断系统等。

3.2 机组速度控制

机组的开停车主要是对其升降速进行控制，速度信号来自脉冲输入卡。脉冲输入卡三路信号经各自处理后将数据传给主处理器，并在被处理之前进行表决，从而保证了高度一致。任何一支路都进行不断诊断，任何一次诊断失败都会激发卡件的FAULT指示灯亮，然后再激发机架指示灯亮。FAULT指示灯亮表明卡件支路有故障，卡件有单点故障存在时仍能保证正常工作。脉冲输入卡支持热插拔备件功能，并要求有1个独立的ETP终端。

速度信号经PI卡传至ITCC系统显示后，其下位机组态软件Tristation 1131通过机组供应商提供的升速曲线进行编程，控制输出标准的电流信号至电液转换器，电液转换器将标准的电流信号转换成二次油压信号，二次油压控制错油门使一次油压走不同的通道以控制主气门的开度，最终通过调整蒸汽输入量来控制机组的转速。

在机组升速启动过程中，下位机组态软件Tristation 1131通过定义方式控制升速过程，并由上位机监控软件INTOUCH进行直观显示。合成压缩机组的控制程序共定义了7种方式，方式一为停机状态，方式二为暖机(0～1 200 r/min)，方式三为暖机(1 200～1 800 r/min)，方式四为升速(1 800～4 559 r/min)，方式五为运行(4 559～6 383 r/min)，方式六为正常停车，方式七为超速试验(目标转速7 090 r/min)。机组的启动程序是根据汽轮机供应商提供的汽轮机性能曲线并通过下位机组态软件Tristation 1131进行定义，调速器控制输出程序，主要由VPID功能块来完成。

3.3 机组防喘振控制

喘振现象是机组非正常情况下的一种工况，其破坏程度特别大，可使监测仪表失灵、破坏机组安装质量、损坏机组设备，进而造成停车等严重事故。防喘振控制可防止机组进入喘振区，一旦机组将要发生喘振，程序会自动打开防喘振阀来避免喘振的发生。

机组投入运行后，TRICON系统将根据压缩机的入口流量、入口压力、出口压力及相应温度，利用独特的防喘振技术来判断是否会发生喘振。如会发生喘振，则由防喘振控制器的输出值来调节防喘振控制阀。压缩机的喘振点可由压比(Pd/Ps)及入口流量表测得的入口流量计算得出，入口流量的测量值与出口压力Pd、入口压力Ps、出口温度Td、入口温度Ts等用于计算等价孔板值h(该孔板可视为位于压缩机入口)，进而可作出喘振预测[2]。

TRICON系统的防喘振控制器将压缩机气路出入口流量、出入口压力、出入口温度等参数通过自身的模块来整定及运算，实现了很好的控制功能，满足了实际需要。

防喘振调节有3种模式，即手动模式、半自动模式和自动模式。手动模式是人为调整防喘振阀开度，系统不自动调节，但由于人反应比较慢，一般还未来得及操作就已经发生了喘振。半自动模式是系统和人为操作同时进行，防喘振阀开度实际输出值取手动和自动输出的高值，人为输入阀位只能大于自动输出，其安全性较高。自动模式即系统自动判断是否会发生喘振，从而自动控制防喘振阀开度以消除喘振。正常运行时，防喘振调节是不允许打手动模式的，运行时只能打在自动或半自动模式。防喘振控制曲线如图2所示。

图2 防喘振控制曲线

由图2可以看出：喘振线下移10%为防喘振线，虚线为喘振线下移7%。在防喘振控制中，纯比例控制是指工作点进入虚线时开始打开防喘振阀，工作点在喘振线上时全开防喘振阀。喘振PID控制是指实际工作点突然左移，给定工作点会自动跟踪实际工作点但不会越过防喘振控制线，并增大防喘振阀的开度，此时实际工作点会向右移，给定工作点与设定工作点最大允许偏差为5%。在自动以及半自动模式下，手动输出自动跟踪防喘振控制程序输出值；在手动模式下，防喘振PID控制输出值和纯比例控制输出值自动跟踪手动输出值，但比手动输出值低3%。每发生1次喘振，防喘振线下移2%，最多允许下移5次(10%)。喘振原因查明并处理后，按ITCC画面上“喘振复位”按钮，防喘振线下移复位，如问题较严重，则需重测喘振线；若不按“喘振复位”按钮，将采用下移后的防喘振线。

为了防止与消除喘振现象，就必须通过调整机组的运行参数及控制程序来解决。入口流量减少是发生喘振的根本原因，一旦入口流量减少就会出现打不上压，从而导致出口压力降低而发生倒流现象，一般在开车过程中全开防喘振阀和放空阀。根据压缩机性能曲线，控制防喘振安全裕度，防喘振系统在正常运行时应投自动或半自动模式。升速、升压之前一定要事先查阅压缩机性能曲线，选好下一步的运行工况点，根据防喘振安全裕度来控制升压和升速速率。防喘振安全裕度是在一定工作转速下，正常工作流量与该转速下喘振流量的比值，一般正常工作流量应比喘振流量大1.05～1.30倍[3]。虽然防喘振控制通过程序来实现，但也离不开操作人员的操作经验及日常机组运行参数的调整，须经常巡视防喘振控制曲线，及早发现异常情况并及时预防解决。

4 维护经验

永金化工公司在试车工程中，由于施工单位调试完毕后关闭了DDE软件，导致机组在暖机过程中出现温度和压力信号无变化。其主要原因是DDE软件是连接下位机组态软件Tristation 1131和上位机监控软件INTOUCH的通讯软件，如果操作画面打开、DDE软件关闭，则上位机监控软件处于保持状态，数据不会实时更新。因此，上位机监控软件INTOUCH运行时必须打开DDE软件。为便于操作，将程序设置成只要上位机监控软件INTOUCH运行，DDE软件同时打开。

操作站在运行过程中，由于电脑长时间运行出现了系统死机后无法启动的问题，重装系统后所有软件都必须重新安装，检查运行软件时发现SOE记录与电脑时间不一致。经查，本系统是从美国进口的，电脑时间必须设置成太平洋时区(美国和加拿大)。电脑时区修正后，SOE记录与电脑时间一致。由于操作站系统需要安装不少软件，为了避免电脑重装系统及应用软件的麻烦，对操作站系统进行了备份，一旦出现问题后只需恢复备份即可。

在故障诊断方面，ITCC系统有诊断软件(Enhanced Diagnostic Moniter)，一般的硬件故障可通过打开诊断软件找到相应的地方进行清除。如果故障清除不了，首先收集事件，再看故障出现的问题，如果是主处理器故障，由于主处理器是三重冗余，可直接在线更换，然后根据收集的故障信息再进行维修；如果是输入输出卡件故障，因每个通道都有2个卡槽，先将备卡插至另一个卡槽，运行正常后将故障卡取下进行维护。

5 结语

采用ITCC系统是压缩机控制系统发展的必然趋势，其先进的控制理念和控制方式为压缩机机组的可靠运行提供了保障。通过几年的实际运行，其可靠性和经济性以及维护的方便性完全满足了使用要求。

[1] 薛健麟，杨军.TRICONEX- TS3000系统在40万t大甲醇机组控制中的应用[J].泸天化科技，2006(2)：130- 135.

[2] 石长旭，张立丽，秦岚.透平压缩机防喘振控制的实现[J].自动化与仪表，2009(7)：5- 9.

[3] 刘慧杰，刘莹，刘慧民，等.压缩机喘振问题研究[J].化工设计通讯，2008(1)：38- 41.

ApplicationofIntegratedTurbineCompressorControlSystem

HAN Quantao

(Yongcheng YongJin Chemical Co., Ltd., Henan Energy and Chemical Industry Group Co. Ltd., Yongcheng 476600, China)

The software and hardware of integrated turbine compressor control system are summarized, and its control functions are presented. The advanced control concept and control method of integrated turbine compressor control system provides guarantee for reliable operation of compressor unit, and its reliability, economy and convenience of maintenance can fully satisfy operating requirements.

turbine compressor; integrated control system; speed control; anti- surge control

韩权涛(1982—)，男，河南能源化工集团永城永金化工有限公司检修车间仪表主任工程师；hqt7018@163.com

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