解耦控制在酸气压缩机性能控制中的应用

许 峰

(中国石油化工股份有限公司中原油田分公司天然气处理厂，河南 濮阳 457061)

0 引言

伊拉克米桑油田某天然气处理装置地处伊拉克东南部，天然气处理量为200 Nm3/d，硫磺产量为114.8 t/d。该装置主要包含酸气增压单元、脱硫单元、硫磺回收单元以及公用工程单元。酸气增压单元作为整套装置的核心单元，其运行工况的稳定性将直接影响下游单元的顺利运行。酸气压缩机是酸气增压单元的核心设备，其由6.6 kV变频电机驱动。为了确保机的组稳定运行，必须配置测量、控制、联锁等系统，对机组进行实时监测、保护。压缩机的转速控制和防喘振控制则是机组高效、安全运行的重要环节。

1 工艺流程及系统简介

酸气压缩机(工艺代号:C-621001)由日本日立公司制造，为两段式离心压缩机组，机组型号为2BCH608。该机组共有8级叶轮，分为2组，采用背对背安装方式，叶轮直径为600 mm。压缩机两端采用约翰克兰干气进行密封。在额定工况下，排气流量为19 741 m3/h，排气压力为4.202 MPa。酸气压缩机由ABB公司生产的变频电机驱动，电机型号为AMI 800，额定电压为6 600 V，额定功率为10 300 kW。采用气水冷却方式，进行电机冷却。采用增速齿轮箱，将转速由1 500 r/min提升至8 304 r/min。

H2S含量为2.1%、压力为0.482 MPa的原料气进入天然气处理装置。经入口分离器分离杂质后，气体进入酸气压缩机C-621001的一段入口管线，被增压至15.36 MPa，同时温度升高至123.4 ℃。增压升温后的原料气通过压缩机的一段出口空冷器A-621001冷却至54 ℃，再进入压缩机二段入口分离器V-621002进行液相分离。分离液相后，原料气进入酸气压缩机的二段入口，增压至4.09 MPa，温度升高至126.9 ℃，然后进入压缩机二段出口空冷器A-621002冷却至45 ℃。通过二段出口分离器V-621003分离重烃、水等杂质后，原料气被送至酸气脱硫单元。

酸气压缩机工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

酸气压缩机控制系统采用美国Tri-sen公司的TSx系列PLC，主要由系统机架、电源、节点处理器、机架处理器、I/O卡件、通信卡、I/O电缆、卡件端子板和交换机构成。TSx采用独特的多处理器结构和冗余控制模式。控制器及I/O模块均三重冗余，可以进行输入信号、处理器和输出信号的三取二表决。冗余的节点处理器布置在不同的机架中，可以避免因某一机架故障而导致整个系统停止工作。系统能够在5 ms的扫描周期内完成PID运算、系统I/O扫描、逻辑运算和报警处理(共300个)，具有强大的运算能力。每个处理器均含有并行工作的多个CPU。节点处理器的CPU进行系统逻辑运算、工程单位转换、运算结果有效性检验、报警通信、数据存档通信、HMI通信、点对点通信和通信有效性检验。机架处理器的CPU进行系统机架I/O扫描、1 ms的事件顺序(sequence of event,SOE)记录时间标记、输出有效性检验、I/O总线有效性检验、I/O完整性检查、现场设备检查和现场接线检查，以确保系统准确工作。控制系统框图如图2所示。

图2 控制系统框图

2 耦合现象

在实际运行过程中，酸气压缩机入口参数受井口、油气处理终端设备和其他外部因素影响，出现波动现象。如果不及时调节，将造成下游脱酸单元压力和流量波动，影响装置的平稳运行。而压缩机的性能控制主要通过驱动电机的变频调节系统[1]和压缩机防喘振系统来完成。变频控制系统通过改变驱动电机的运行频率来调节压缩机转速。

防喘振系统通过调节一、二段防喘阀FV-622301和FV-622302开度，分别控制一段和二段压缩机的防喘振流量。其额定工况下的最大回流量分别为98 770 kg/h和102 800 kg/h。

在某一稳定运行工况下，当酸气压缩机受环境因素影响、入口压力下降时，出口压力与入口压力的比值增大，故出口压力和流量均减小。为保证下游压力的稳定，需提高压缩机的转速。由于压缩机的转速升高会进一步减小压缩机的入口压力，压缩机的动态工作点向喘振区移动。当动态工作点接近喘振控制线时，打开防喘阀[2]。而防喘阀的开度增加使压缩机的入口压力和流量增大、出口压力升高，压缩机转速下降，防喘调节器控制防喘阀关闭。防喘阀的逐渐关闭，造成压缩机入口压力降低。循环过程中，控制系统出现振荡耦合现象[3]。

当压缩机动态工作点在喘振控制线(surge control line，SCL)附近时，振荡耦合会造成控制系统不能正常运行。因此，必须对控制系统进行解耦控制，确保压缩机组的正常、稳定运行。为了解决压缩机运行过程中出现的耦合现象，需要对压缩机的防喘振控制方式及参数进行研究。

3 防喘振控制

在每一个转速下，当出口压力一定，且原料气入口流量小于喘振流量时，整个扩压器发生严重的旋转失速。压缩机排气管网压力高于压缩机组内部压力，导致气体倒流，使排气管网压力降低，形成喘振现象[4]。

上述情况一直持续，直到管网压力小于压缩机出口压力时，压缩机向管网供气，压缩机恢复正常工作。当管网压力重新恢复到初始压力时，入口流量仍小于机组喘振流量，机组又出现旋转失速，管网气流倒流回压缩机。在不采取措施的情况下，压缩机将重复上述过程，气体出现强烈的振荡现象，使压缩机机体和轴承振动幅度加大。严重时，振荡会造成压缩机动/静部件摩擦而损坏、气体倒流引起压缩机内温度急剧上升和机组叶轮、内缸损坏。因此，在压缩机控制中，应尽量使其动态工作点远离喘振区，以防止压缩机在喘振工况下运行。通常采用的办法是增加防喘控制阀，将部分压缩后的出口原料气经防喘阀返回到压缩机入口。由于本装置中酸气压缩机的一段和二段防喘原理基本相同，故仅以压缩机一段的防喘控制为例进行说明。设计工况：入口压力0.482 MPa、入口温度41.5 ℃、相对分子量26.6、额定转速8 304 r/min。

酸气压缩机特性曲线[5](一段)如图3所示。

图3 特性曲线(一段)

3.1 喘振参数计算

为获得上述酸气压缩机特性曲线及了解防喘振控制过程，需要了解压缩机的防喘原理和喘振曲线坐标点的基本计算方法。

3.1.1 一段流量补偿计算

由于夏季伊拉克现场温度早晚温差均在10 ℃以上，因此，对压缩机的出口流量进行温压补偿，以确定压缩机流量[6]：

(1)

式中：Fcompensated_flow为一段补偿流量，kg/h；Fd为一段排出流量，kg/h；Pd为压缩机一段出口压力，Pa；Pabscor为绝压补偿值，1.013 25 Pa；Porifice为孔板设计压力，Pa；Tabscor为绝对温度补偿值，273.15 K；Td为压缩机一段出口温度，℃；Torifice为孔板设计温度，℃。

3.1.2 一段横坐标计算

横坐标采用下列等式计算：

(2)

式中：Fcompensated_flow为一段补偿流量，kg/h；Pbase为与喘振插值相关的压缩机基础压力条件，Bar；Ts为压缩机一段进口温度，℃；Tbase为与喘振插值相关的压缩机基础温度条件，℃。

3.1.3 一段纵坐标计算

纵坐标为压缩机一段出口与入口压力的比值，采用下列等式计算：

(3)

3.1.4 压缩机一段喘振曲线

压缩机喘振曲线[7]采用7点折线法进行绘制，X轴为压缩机入口流量差压值，Y轴为压缩机压力比。压缩机喘振曲线坐标如表1所示。

表1 压缩机喘振曲线坐标

以上为喘振线的各个坐标点。当7个坐标点连接就构成了酸气压缩机一段喘振曲线。在实际应用中，为保证机组的安全运行，设置X轴增益系数(Xgain)，其值应不低于1.0。当机组出现喘振时，增益系数将自动增加0.02，即将喘振线向X轴正向移动，使防喘阀打开，以满足防喘振要求。

(4)

式中：Xgain为压缩机X轴增益系数;X为动态工作点的横坐标值；Xsurge_line为喘振线对应的横坐标值。

3.2 防喘阀控制

防喘阀控制采用标准的PID控制器[8]，操作人员可以将防喘控制器设置成自动或手动模式。需要注意的是：手动模式意味着不设置防喘保护。过程值PV_surge的表达式为：

PV_surge=X-Ssurge_line

(5)

式中：PV_surge为压缩机的喘振过程值；X为动态工作点的横坐标值；Ssurge_line为纵坐标相同情况下喘振线对应的横坐标值。

防喘控制器能够实现反作用控制(当喘振过程值增加，则PID的输出值减小)、输出值限制、喘振设定点动态跟踪(即如果喘振过程值每减小1.0%，则喘振设定点将增加2%)和控制器使能/失能控制(即当机组在非运行状态时，阀门失能全开)功能。

当喘振限制线(surge limit line，SLL)确定后，在其右侧的3%位置设置一条比例快开线，在10%位置设置一条SCL。防喘控制器的设定点在SCL右侧的10%区域内浮动，其最大值位于横坐标刻度值的20%处，最小值位于喘振控制线上。当动态工作点位于安全工作区域内时，设定点位于动态工作点的左侧，并保持5%的跟踪距离。当由于压缩机入口工况出现波动，造成流量下降时，动态工作点快速向左侧移动。防喘控制器设定点也以预设速率向左侧移动。若动态工作点的移动速率超过设定点移动速率，并位于设定点左侧区域时，防喘控制器将在动态工作点未到达喘振控制线前打开防喘阀，增加入口流量，使动态工作点向右侧移动，避免压缩机喘振。若上述防喘措施无法满足流量要求时，喘振控制线将以预先设定的幅度向右侧快速移动，增加压缩机的安全裕度，通过阀门定位器快速打开防喘阀。防喘阀控制气路如图4所示。

图4 防喘阀控制气路图

当动态工作点移动到控制器设定点右侧时，防喘控制器将逐渐关小防喘阀，使动态工作点与设定点保持5%的跟踪距离。若压缩机入口工况变化比较剧烈而发生喘振时，动态工作点达到喘振限制线SLL右侧的比例快开线。防喘控制器使防喘阀气路上的防喘电磁阀失电，防喘阀将在3 s内全开。

4 耦合与解耦

如前所述，酸气压缩机的转速控制与防喘振控制之间存在耦合关系[9]。只有采用解耦控制，才能实现离心式压缩机组的高质量控制。该酸气压缩机的解耦采用过程指令调度器(process demand scheduler，PDS)实现。PDS允许采用一个控制器调节转速和防喘阀两个变量。其输入信号为防喘控制器的过程变量，它会持续调整转速和防喘阀控制参数的关系，以避免信号互相间的影响。PDS控制线动作情况、动态工作点位置如图5、图6所示。

图5中：曲线1为压缩机转速控制线；曲线2为防喘阀控制线；曲线3为PDS输出线。

图5 控制线动作情况图

图6 动态工作点位置图

在调节转速、工艺流量、控制防喘阀、喘振控制等情况下，PDS控制线动作情况如图7所示。通过相反的方向移动转速控制线和防喘阀控制线，能够保证工艺流量保持较小的波动幅度。PDS也能够实现输出值以不同速度变化。分程点对比图如图8所示。图8中：当PDS分程点设置在25%处，防喘阀控制线的调整范围相比转速控制线的调整范围小；当PDS分程点设置在75%处，则情况相反。图7、图8的曲线含义同图5。

图7 PDS控制线动作情况图

PDS与防喘控制器结合，能够实现全自动、半自动、手动控制这3种控制方式[10-11]。当防喘控制器和PDS控制器在单元控制盘(unit control panel，UCP)上设置为自动控制时，为全自动方式。机组的转速控制和防喘振控制均由PDS实现。当防喘控制器为自动控制、PDS为手动模式时，系统为半自动方式。当防喘控制器和PDS控制器在UCP上均设置为手动控制时，防喘调节器失去控制作用，机组即使出现喘振现象，也不会打开防喘阀。

图8 分程点对比图

5 结束语

在正常情况下，基于Tri-sen控制系统的PDS解耦控制通过调节酸气压缩机的频率控制转速,使压缩机的出入口压力维持稳定，关闭防喘阀以保证机组正常出力，降低压缩机功耗。PDS解耦控制能够较好地完成系统调试工作。在异常情况下，PDS解耦控制可以分别控制压缩机变频控制系统和压缩机防喘振系统，避免因参数波动造成的机组转速及防喘阀的频繁动作和互相影响，满足机组在各种工艺条件下的过程控制。

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