某石化公司為保證丙烯制冷壓縮機(jī)組的安全高效運(yùn)行，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(ITCC)采用了基于TüV認(rèn)證SIL3級(jí)三重冗余(TMR)技術(shù)的TS3000系統(tǒng)，掃描周期為毫秒級(jí)，目前系統(tǒng)“看門狗”時(shí)間設(shè)置為150ms，滿足防喘振控制時(shí)間300ms以內(nèi)的要求；人機(jī)界面采用Wonderware公司的INTOUCH9.5組態(tài)的監(jiān)控畫面；采用了Triconex專有的防喘振功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的防喘振控制及石墻控制。
1、防喘振控制和石墻控制基本原理
1.1 防喘振控制的基本原理
丙烯制冷壓縮機(jī)是離心式壓縮機(jī)，離心式壓縮機(jī)具有排氣量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、氣體不受油污染以及正常工況下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壓縮氣流無脈動(dòng)等特點(diǎn)。但是對(duì)氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發(fā)生喘振。早在1945年英國技術(shù)人員首先發(fā)現(xiàn)了離心式壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象并引起了人們的注意。喘振是離心式壓縮機(jī)固有的一種現(xiàn)象，具有較大的危害性，是壓縮機(jī)損壞的主要誘因之一。因此，提高離心式壓縮機(jī)的抗喘振性能，保證其安全可靠運(yùn)行對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著非常重要的意義。防喘振控制就是在壓縮機(jī)段間、缸間設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)兩用的控制系統(tǒng)使壓縮機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)始終位于喘振線的右側(cè)。
1.1.1 防喘振控制曲線
該壓縮機(jī)防喘振控制曲線如圖1所示。圖1中縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)某級(jí)出口壓力(Pd)與入口壓力(Ps)的比值；橫坐標(biāo)為某級(jí)入口流量與入口最大流量的比值Hc；實(shí)際喘振線的左側(cè)為機(jī)組喘振區(qū)域，是根據(jù)實(shí)際的機(jī)組性能曲線得到；防喘振控制曲線是喘振線右移了一定的距離，一般為10%，該距離稱為“安全裕度”；操作點(diǎn)即實(shí)際工作點(diǎn)，是一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如：Pd/ps=2， Hc=60%；盤旋點(diǎn)設(shè)定值所在線就是盤旋點(diǎn)的位置，在工作點(diǎn)的左邊，與工作點(diǎn)有一定距離，該距離即盤旋點(diǎn)的裕度設(shè)定值。當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤旋點(diǎn)時(shí)，喘振PID會(huì)有輸出；當(dāng)盤旋點(diǎn)跟上變化，又回到原有設(shè)定的距離時(shí)，喘振PID輸出會(huì)慢慢回零。
圖1 防喘振控制曲線示意
當(dāng)工作點(diǎn)穿過防喘振控制曲線，在“安全裕度”內(nèi)，喘振PID控制開始輸出信號(hào)。當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入喘振超馳區(qū)域，即“安全裕度”左邊70%的區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生喘振超馳輸出信號(hào)，喘振超馳是純比例控制，打開速度更快。當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入快開線區(qū)域，即“安全裕度”左邊2%區(qū)域，一般作為防喘振電磁閥失電的條件，防喘振閥全部打開。
1.1.2 防喘振控制模擬量輸出
防喘振控制模擬量最終輸出由4個(gè)輸出內(nèi)容高選得到，且與控制模式有關(guān)系，4個(gè)輸出分別為喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過程控制超馳輸出、全手動(dòng)輸出，如圖2所示。
圖2 防喘振控制輸出選擇示意
①喘振PID輸出。如上所述，當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤旋點(diǎn)時(shí)，喘振PID會(huì)有輸出；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入防喘振控制曲線時(shí)，喘振PID也會(huì)有輸出。
②喘振超馳輸出。在“安全裕度”右邊30%區(qū)域內(nèi)，輸出值一直是0，當(dāng)進(jìn)入70%區(qū)域時(shí)，進(jìn)行純比例運(yùn)算輸出，快速上升到100%。
③過程控制超馳輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)速投過程控制時(shí)，才會(huì)有輸出，這是轉(zhuǎn)速控制與防喘振控制的解耦運(yùn)算得出的輸出。
④全手動(dòng)輸出。即手動(dòng)給定的值。
4個(gè)值的選擇還與防喘振控制模式有關(guān)。防喘振控制有三種模式：全手動(dòng)、半手動(dòng)、自動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)模式時(shí)，喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過程控制超馳輸出3個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)半手動(dòng)模式時(shí)，對(duì)喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過程控制超馳輸出、全手動(dòng)輸出4個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)全手動(dòng)模式時(shí)，只選擇全手動(dòng)輸出的值。
1.1.3 防喘振功能使能
“防喘振使能”條件有兩個(gè)：壓縮機(jī)進(jìn)入運(yùn)行模式，第三段壓縮比大于1.15。該使能同時(shí)作用于第四段“防喘振使能”。
1.1.4 防喘振控制曲線校正
防喘振控制程序里有兩項(xiàng)校正功能：
①當(dāng)與防喘振控制計(jì)算相關(guān)的壓力和溫度點(diǎn)任一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，安全裕度直接由10%變成15%，即防喘振控制曲線向左移5%。當(dāng)故障消失時(shí)，安全裕度恢復(fù)為10%。
②每產(chǎn)生一次喘振，就需重新校正一次，即防喘振控制曲線向右移動(dòng)2%，最多進(jìn)行10次重新校正。可以通過復(fù)位功能進(jìn)行重新校正復(fù)位，恢復(fù)原防喘振控制曲線。
1.2 石墻控制的基本原理
石墻一般發(fā)生在離心式壓縮機(jī)某一級(jí)，當(dāng)該級(jí)的氣體流速達(dá)到聲速，該級(jí)的流量再也不會(huì)增加，就形成石墻。解決石墻問題最有效的方法是提高該級(jí)的pd/ps值。提高Pd/Ps值有很多種方法，如提高轉(zhuǎn)速、控制回流、或在該級(jí)入口安裝1臺(tái)降壓閥(石墻閥)。經(jīng)研究第三種方法對(duì)提高pd/ps值最有效。
1.2.1 石墻控制曲線
石墻控制與防喘振控制類似，程序組態(tài)也是通過防喘振功能塊實(shí)現(xiàn)。石墻與喘振不同之處在于：流量越低、Pd/Ps值越高越容易產(chǎn)生喘振；而流量越大、pd/ps值越低越容易產(chǎn)生石墻。石墻控制曲線如圖3所示。
圖3 石墻控制曲線示意
圖3中縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)某級(jí)的Pd/Ps值；橫坐標(biāo)為某級(jí)的Hc值；實(shí)際石墻線的右側(cè)為機(jī)組撞墻區(qū)域，是根據(jù)實(shí)際的機(jī)組性能曲線得到；防石墻控制曲線是將石墻線右移了一定的距離，一般為10%，該距離稱為“安全裕度”；實(shí)際工作點(diǎn)是一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如： pd/ps=1.2，Hc=60%；盤旋點(diǎn)設(shè)定值所在線就是盤旋點(diǎn)的位置，在工作點(diǎn)的右邊，與工作點(diǎn)有一定距離，該距離即盤旋點(diǎn)的裕度設(shè)定值。當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤旋點(diǎn)時(shí)，石墻PID會(huì)有輸出，當(dāng)盤旋點(diǎn)跟上變化，又回到原有設(shè)定的距離時(shí)，石墻PID控制輸出會(huì)慢慢回零。
當(dāng)工作點(diǎn)穿過防石墻控制曲線，到“安全裕度”內(nèi)，石墻PID控制開始輸出信號(hào)。當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入石墻超馳區(qū)域，是“安全裕度”右邊70%的區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生石墻超馳輸出信號(hào)，石墻超馳是純比例控制，使石墻控制閥打開速度更快。
1.2.2 石墻控制模擬量輸出
石墻控制模擬量最終輸出由3個(gè)輸出高選得到的，且與控制模式有關(guān)系，3個(gè)輸出為石墻PID輸出、石墻超馳輸出、全手動(dòng)輸出，如圖4所示。
圖4 石墻控制輸出選擇示意
①石墻PID輸出。當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤旋點(diǎn)時(shí)，會(huì)有輸出；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入防石墻控制曲線時(shí)，也會(huì)有輸出。
②石墻超馳輸出。在“安全裕度”的30%及防石墻控制曲線左邊的區(qū)域，輸出一直是0；當(dāng)進(jìn)入70%區(qū)域時(shí)，進(jìn)行純比例運(yùn)算輸出，快速上升到100%。
③全手動(dòng)輸出。手動(dòng)給定輸出值。
3個(gè)值的選擇同樣與石墻控制模式有關(guān)。石墻控制有三種模式：全手動(dòng)、半手動(dòng)、自動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)模式時(shí)，石墻PID輸出、石墻超馳輸出2個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)半手動(dòng)模式時(shí)，石墻PID輸出、石墻超馳輸出、全手動(dòng)輸出三個(gè)值進(jìn)行高選；當(dāng)全手動(dòng)模式時(shí)，只選擇全手動(dòng)輸出的值。
1.2.3 防石墻功能使能
防石墻功能是無條件長期使能的。
1.2.4 防石墻控制曲線校正
防石墻控制曲線校正與防喘振控制曲線的校正有部分區(qū)別：當(dāng)與石墻控制計(jì)算相關(guān)的壓力和溫度點(diǎn)任一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，安全裕度直接由10%變成15%，也就是防石墻控制曲線向左移5%。當(dāng)故障消失時(shí)，安全裕度恢復(fù)為10%。
2、防喘振控制和石墻控制實(shí)際應(yīng)用中的問題
2.1 防喘振控制實(shí)際應(yīng)用中的問題
2.1.1 工作點(diǎn)較快速波動(dòng)
因工作點(diǎn)的較快速波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致防喘振閥打開。
①原因分析。如上所述，當(dāng)工作點(diǎn)快速靠近盤旋點(diǎn)時(shí)，喘振PID會(huì)有輸出，在自動(dòng)或半手動(dòng)模式下，閥門會(huì)打開。檢查工作點(diǎn)計(jì)算相關(guān)的測量信號(hào)，發(fā)現(xiàn)部分測量值有波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度很小，應(yīng)該不會(huì)影響機(jī)組喘振，不應(yīng)該打開防喘振閥。
②解決方法。加大現(xiàn)場儀表本身的阻尼，降低儀表本身的敏感性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，只上調(diào)1檔，不能調(diào)整過大，否則會(huì)嚴(yán)重影響防喘振控制的及時(shí)性；在程序中提高盤旋點(diǎn)跟蹤工作點(diǎn)的速度。同時(shí)，阻尼也不能調(diào)太快，否則會(huì)影響盤旋點(diǎn)實(shí)際作用，如果工作點(diǎn)實(shí)際靠近太快，則需要打開防喘振閥。
2.1.2 防喘振流量變送器故障
①原因分析。當(dāng)防喘振流量測量出問題，直接影響工作點(diǎn)，如果進(jìn)入防喘振區(qū)域，就會(huì)打開防喘振閥。影響流量測量值的原因有：引壓管積液嚴(yán)重、引壓管過長響應(yīng)滯后波動(dòng)、變送器本身故障但不顯示故障狀態(tài)。
②解決方法有以下兩種：
a)對(duì)于引壓管積液嚴(yán)重和過長問題。需要縮短引壓管，整體引壓管和變送器都在引壓口的上方，可以完全避免積液問題。該措施可以應(yīng)用于所有參與防喘振控制計(jì)算的流量和壓力儀表。
b)流量變送器本身故障。如果發(fā)生故障報(bào)警，控制程序會(huì)自動(dòng)選擇設(shè)定值，不會(huì)對(duì)防喘振控制產(chǎn)生大的擾動(dòng)；如果不發(fā)出故障報(bào)警，此時(shí)需要操作人員要有很強(qiáng)的應(yīng)急能力，生產(chǎn)部門有很好的應(yīng)急方案。把當(dāng)級(jí)的防喘振控制模式立即改為全手動(dòng)，并迅速而平穩(wěn)關(guān)閉防喘振閥。如果達(dá)不到這樣的應(yīng)急能力，那只有將參與防喘振控制計(jì)算的儀表都改成“三重冗余”，信號(hào)“三取中”，可避免該類問題發(fā)生。
2.1.3 防喘振全手動(dòng)功能非最高優(yōu)先級(jí)
防喘振全手動(dòng)功能并非最高優(yōu)先級(jí)，分析如下：
①原因分析。原有防喘振功能塊的功能描述與實(shí)際的功能塊功能不符。經(jīng)過實(shí)測，防喘振使能狀態(tài)由“1”改成“0”時(shí)，會(huì)由“下降沿”觸發(fā)防喘振所有自動(dòng)、手動(dòng)輸出100%，全開防喘振閥。廠家提供的功能塊說明該機(jī)組的防喘振使能的條件有Pd/Ps≥1.15，且應(yīng)用于全部4臺(tái)防喘振閥控制，那么就引入了一個(gè)較大的安全隱患。如果2臺(tái)變送器其中1臺(tái)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致Pd/Ps<1.15，那么“防喘振使能”狀態(tài)由“1”改成“0”，就會(huì)引起4臺(tái)防喘振閥門全部打開，對(duì)生產(chǎn)造成較大的擾動(dòng)，甚至導(dǎo)致停機(jī)、裝置停工。基于該隱患，需要評(píng)估該pd/ps值作為“防喘振使能”的條件是否必要。經(jīng)過和壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家調(diào)研和評(píng)估，建議取消該條件。防喘振使能只要一個(gè)“機(jī)組進(jìn)入運(yùn)行模式”條件就足夠。
另外，檢查全廠的ITCC的“防喘振使能”的條件，發(fā)現(xiàn)都不一樣，如芳烴和新煉油裝置共8套ITCC的“防喘振使能”的條件都沒有用pd/ps條件。老煉油裝置有pd/ps條件、快開線和ITCC的壓力變送器的故障信號(hào)。
還存在另一個(gè)隱患，如果單級(jí)出/入口變送器出現(xiàn)問題，根據(jù)防喘振控制功能，可能會(huì)引起單級(jí)防喘振閥門打開。主要依賴于儀表可靠性，如果發(fā)生故障不可避免，那么就要討論可以解決或?qū)p失降到最低的方案，如：單級(jí)防喘振閥突然打開的完善的應(yīng)急預(yù)案；考慮把參與防喘振計(jì)算的儀表改成“三重冗余”，信號(hào)“三取中”參與防喘振計(jì)算。
②解決方法有以下四種：
a)壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家需要提交準(zhǔn)確的、全面的防喘振功能說明書及防喘振功能測試的內(nèi)容。
b)廠家需要規(guī)范統(tǒng)一“防喘振使能”的條件，取消pd/ps值作為“防喘振使能”的條件。
c)要有完善的單級(jí)防喘振閥突然打開的應(yīng)急預(yù)案，盡量避免造成更大影響。
d)建議將參與防喘振計(jì)算的儀表改成“三重冗余”，信號(hào)“三取中”。
2.2 石墻控制實(shí)際應(yīng)用中存在的問題
乙烯裝置8臺(tái)爐運(yùn)行時(shí)，Hc=90%左右，石墻控制打開石墻控制閥。
按照目前pd/ps值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墻線的Pd/Ps的最高限1.31，上面區(qū)域沒有石墻線和防石墻控制曲線，因此不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)入石墻控制的情況。
但是，故障時(shí)Hc=90%左右，石墻閥為何會(huì)打開？經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槭瘔刂魄€中，當(dāng)Pd/Ps=1.31時(shí)，上方無石墻線和防石墻控制曲線，并不一定受石墻控制。經(jīng)過測試，石墻線到100%的位置，從(100，1.31)的坐標(biāo)垂直朝上的線都是有效，同理防石墻控制曲線也是一樣。所以可知為防石墻控制曲線的問題，防石墻控制曲線是石墻線左移了10%安全裕度，當(dāng)Hc≥90%時(shí)，進(jìn)入防石墻控制曲線，就會(huì)開始打開石墻閥。
分析可知，當(dāng)pd/ps值超過產(chǎn)生石墻的可能區(qū)域，則不用考慮石墻控制問題，故障原因可能是實(shí)際防喘振功能模塊存在的缺陷。
通過核對(duì)機(jī)組生產(chǎn)廠家性能曲線和組態(tài)廠家的喘振線、石墻線計(jì)算書，發(fā)現(xiàn)兩者不符，經(jīng)核查，第三級(jí)入口的最大流量數(shù)值有誤，用的是1級(jí)入口最大流量6.4×105kg/h，影響了第三級(jí)防喘振計(jì)算和石墻控制計(jì)算。
因丙烯制冷壓縮機(jī)第三段入口沒有單獨(dú)設(shè)置入口流量檢測元件，給三段性能控制和計(jì)算帶來一些理解上的偏差，但第三段入口流量最大量程是用于性能控制的必要條件之一，現(xiàn)通過壓縮機(jī)性能曲線，壓縮機(jī)數(shù)據(jù)表得出第三段入口流量最大流量用于防喘振和石墻控制。
解決方法：當(dāng)Pd/Ps>1.31時(shí)，取消石墻控制線；按照新的計(jì)算書，修改石墻線程序。
3、日常維護(hù)和常見故障判斷及處理
3.1 日常維護(hù)
丙烯制冷壓縮機(jī)的日常維護(hù)建議如下：
①日常維護(hù)必須按照機(jī)組特護(hù)有關(guān)要求進(jìn)行巡回檢查，發(fā)現(xiàn)防喘振和石墻控制相關(guān)測量點(diǎn)有異常情況，及時(shí)匯報(bào)和處理。
②在未改造引壓管之前，定期對(duì)流量表進(jìn)行引壓管排液處理，排液前要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，編制施工方案。
③向工藝人員詢問儀表使用情況，及時(shí)把儀表隱患消除在萌芽狀態(tài)。
3.2 常見故障判斷及處理
丙烯制冷壓縮機(jī)常見故障判斷及處理方式如下：
①機(jī)組發(fā)生喘振或石墻報(bào)警時(shí)，先查看各個(gè)相關(guān)參數(shù)的歷史趨勢，檢查入口流量表、入口壓力表和出口壓力表，檢查防喘振/石墻電磁閥及防喘振/石墻閥。同樣，處理前要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，編制施工方案。
②防喘振閥/石墻閥誤開時(shí)，操作人員要及時(shí)按照應(yīng)急預(yù)案，慢慢關(guān)閉閥門，以免停車，將損失降低到最小。
③對(duì)防喘振/石墻控制相關(guān)的儀表進(jìn)行故障處理前，需要評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，編制施工方案；防止再次誤動(dòng)作，擴(kuò)大事件損失。
4、結(jié)束語
防喘振和石墻控制對(duì)保護(hù)壓縮機(jī)組、壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)是至關(guān)重要的。如何確保其可靠運(yùn)行，是操作、維護(hù)人員最為關(guān)注的。提供操作、維護(hù)人員的高水平業(yè)務(wù)能力也是迫在眉睫的。有效地改善現(xiàn)存在的問題，是接下來的重要任務(wù)。
作者：陳文勇(福建古雷石化有限公司)
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