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案例详细
标题TS3000系统在焦化压缩机控制中的应用
技术领域仪器仪表
行业
简介介绍了TS3000在焦化压缩机控制中的应用，并讨论了TS3000的硬件构成。
内容



1  概述

    中国石化股份有限公司安庆分公司焦化装置机302机组是该装置120万吨/年延迟焦化装置扩能改造工程中的建设项目，该压缩机机组由沈阳鼓风机股份有限公司生产的离心压缩机和杭州汽轮机股份有限公司生产的汽轮机组成，压缩机的设计分子量为26，额定流量为18000Nm3/h。

    该富气压缩机控制系统采用TRICONEX公司的TS3000系统，硬件方面：TRICON CPU模块为三取二系统、I/O模块的输入输出通道也是三取二；系统软件方面：分为上位人机界面组态和下位控制联锁方案组态，上位组态软件是FIX7.0，下位组态软件是TRICONEX公司的MSW312。该系统对压缩机机组各参数进行集中控制、联锁和保护，部分重要工艺参数送DCS系统进行显示。

2  硬件组成

    该系统的硬件包括一台主机架和一台扩展机架，双冗余电源卡8312、EMP Ⅱ3006主处理器卡、NCM卡4329、EICM卡4119A、AI卡3700A、AO卡3805E、DI卡3503E、DO卡3604E和PI卡3511。

(1)  双冗余电源

    主机架的第一个槽位为双冗余电源卡件（任一电源卡能满足一个机架的全部负载），一个电源卡失效不会影响控制器的运行。电源卡为上下分布，上边的电源兼系统故障报警显示。扩展机架的第一个槽位同样是双冗余电源卡件。两个机架之间通过扩展三重冗余I/O总线连接，其长度不能超过30米。

(2)  处理器

    主机架的第二、三、四个槽位为三块互为冗余的主处理器（MP）CPU卡，主处理器就装在电源卡件的旁边。主处理器包括32位微处理器、I/O通讯处理器、通信处理器和2MB的SRAM。每个主处理器独立地用它的I/O子系统进行通讯，以及执行用户编写的控制程序。TRICON控制器中现场信号分三路，输入电路A、B、C，过程数据传到主处理器A、B、C后，每扫描一次，三个MP通过高速三总线（TRIBUS）进行相互通信，进行表决和比较，排除错误的输入数据和输出正确的数据，实现三重冗余，以保证系统的可靠性。

(3)  通讯卡

    NCM（4329）通讯卡NET2口，支持开放网络，可实现SOE功能、DDE服务器功能。使用TCP/IP或IEEE802.3协议，通讯速率可达10Mbps。NCM通讯卡支持以太网通讯功能，与上位机通讯就是通过NCM卡进行，控制系统默认的IP地址是192.168.1.1（双卡默认的第二IP地址是192.168.2.1），对于操作站或工程师站也必须各指定一个IP地址。EICM（4119）提供RS-232/RS-422/RS-485通讯口，以Modbus协议作为标准，与装置CS3000系统以Modbus方式进行通讯，只要对TRICON各变量都指定了Alias，任何标准的Modbus通讯都可以有效地与TRICON控制器进行通讯。TRICON热插拔特性不适用于EICM和NCM。

(4)  数字和模拟输入/输出卡件

    输入输出卡件也是TRICON控制器实现三重冗余的重要部分。所有的输入卡件都有三条隔离的输入支路，独立地处理输入卡件的数据，传送给主处理器A、B、C。数字数据在刚要受到处理之前在主处理器处受到表决、模拟数据用中值选择算法选出一个值来，用以保证每次扫描的正确数据。通过对每个模拟输入卡件各支路进行不断的完全的诊断。任何一条支路上的任何诊断中发现有失效时，卡件就会FAULT报警，输出机架报警信号，AI卡的FAULT状态灯指示的是支路故障，不是卡件本身故障。卡件在有单一故障时能保证正常运行，有时在有多重故障时也能继续正常地运行。每个数字输出卡件内装有适用于三条完全相同但彼此隔离的支路所用的电路。各种输出卡件，除了双重DC卡件外，都采用特别的四重化输出电路，这种电路对各个的输出信号在它们刚要被施加到负载去之前对其进行表决。表决电路的基础是并行―串行通道，三路中的二个驱动器表决决定进入ON。

3  防喘振控制

    在压缩机与一定容积的管网联合工作时，当流量小于一定值时，叶片背弧气流严重脱离，直至通道受堵塞，气流强烈脉动，此时机、网系统气流的参数出现整体大幅度波动，即气量、压力随时间大幅度周期性变化，压缩机的功率以及声响均周期性变化。这种变化非常剧烈乃至机器无法维持正常运行，这种现象称为喘振。喘振是整个机、网系统发生的现象，因此它不但与压缩机内部流动特性有关，且决定于管网特性，其振幅、频率受管网容积的支配。喘振对机组的危害极大，机组各部件因承受过高的应力，从而造成机组滑动部件的加速磨损；轴承产生疲劳裂纹，甚至烧毁；密封元件被损坏等恶性事故。因此离心式压缩机的防喘振控制是整个机组控制的核心部分。

3.1  防喘振线

    当压比一定时，保证压缩机入口流量，不低于最小流量控制点的值，为喘振点。例如：在某一转速，压比一定时，压缩机入口流量的喘振点，最小流量值为最大流量的30%，如果装置处理量降低，使得压缩机入口流量低于30%，即25%，为保证压缩机入口的最小流量值，就必须用压缩机出口量打回入口，来补充不足的5%流量。这样就起到了防喘振的目的。将喘振点连接成线，称为喘振线。为了安全起见一般喘振线都设有一定的安全裕度（7%~10%），称为防喘振线，如图1所示。



图1  离心式气体压缩机喘振线及防喘振线示意图



    压缩机喘振控制系统的基本原理，采用压比（出口压力/入口压力）Pd/Ps和做喘振曲线，其基本形状为抛物线，而采用Pd/Ps和作图时得到的喘振线则基本呈直线形状（简化后，得，这里的h为孔板的差压，是线性输入）。
其中：Pd为出口压力，kPa；Ps为入口压力，kPa；C为常数（由孔板尺寸决定），m2；h 为孔板差压（与流量的关系式为Q2=h)，kPa；

3.2  防喘振线的计算

    将压缩机出口与入口压力的比，即Pd/Ps（Y轴）和孔板差压h与入口压力Ps的设计压力的百分比，即h/Ps?100%（X轴）。

Y坐标：

X坐标：

其中：ρ为密度kg/m3；

Qm为体积流量，m3/h（质量流量M=ρ?Qm，kg/h）；

Ts为入口温度，K；

Zs为压缩机压缩系数，Zs；

C为常数；

Ps为入口压力(A)，kPa；

MW为压缩机分子量。

表1  喘振点计算表


    将计算出的喘振线五个喘振点输入到TRICONEX公司提供的喘振函数模块中，生成防喘振曲线，将Pd/Ps作为K1Y的系数、h/Ps?100%作为K1Y的系数，系统自动生成喘振线。在此基础上设置好Surge Control Line的参数后，自动生成防喘振线及防喘振线下移的百分比。

    其中防喘振偏置系数e1EBIAS=6.0，r1ADMAR为喘振偏置累计，即工作点每进入一次喘振区，r1ADMAR增加2.0，防喘振线下移的百分比由k1RCINC来确定，一般k1RCINC= 2.0。



图2  喘振控制块功能图



    为了保证机组的安全，喘振偏置累计将使防喘振控制线随着工作点进入喘振区的次数而每次2%向右移动，使压缩机的工作区域减小；必须人为进行复位才能使防喘振控制线恢复到原始位置。

3.3  防喘振控制的实现

    TS3000系统具有一个独特的喘振预测技术，它根据测量压缩机的入口流量、出口压力、入口压力来进行喘振控制。防喘振控制技术由标准的三个喘振控制模块：Surge-Line、Surge-Detect、Surge-Control进行封装。

(1)  防喘振控制功能块

    三个喘振控制模块实现的功能主要有：如果机组发生喘振，防喘振线重新调整；工作点突然移向喘振区，喘振设定值徘徊功能将打开喘振阀；喘振控制器有适配增益和快开、慢关功能；比例功能可忽略控制器的调节，强制打开喘振阀；速度控制器与喘振控制器进行耦合控制，必要时进行解耦；使用自动/手动/半自动控制功能有利于故障检测和控制系统调试；将等百分比阀进行线性化；当工作点接近喘振线时，阀门预置特性打开喘振阀进行泄压调整；如果突然发生喘振或联锁停车，用开关量信号打开喘振阀放空。以上功能可以细分为13个子功能块，功能块结构框图如图2所示，各功能块的作用如下：

    ?  模块1 (Surge-Line)：选定喘振算法；TS3000控制算法分两种：即Pd/Ps～h/Ps喘振算法和 Pd-Ps～h/Ps喘振算法，一般选用Pd/Ps～h/Ps喘振算法；

    ?  模块2 (Surge-Detect )：检测工作点离喘振控制曲线的远近情况；

    ?  模块3 (Recalibrate)：喘振安全域度（即喘振控制曲线与喘振曲线之间的距离）修正，一般域度设7%～10%；

    ?  模块4 (Control Line)：生成喘振控制曲线，即喘振曲线加喘振安全域度得到喘振控制曲线；

    ?  模块5 (Controller Setpoint)：计算出喘振控制器的设定值。喘振控制器的设定值根据工作点的变化而变化，如工作点位于喘振控制线的右边，该设定值与工作点的距离为某一设定值，一般设为2%～5%。如果工作点位于喘振控制线的左边，则与防喘振控制线进行高选，来决定设定值；

    ?  模块6 (Controller)：喘振控制器，这是一个快速PID控制器，根据喘振控制器的设定值及当前的入口流量来计算出喘振器的输出值；

    ?  模块7 (Proportional Function)：计算喘振控制器的比例项输出值。如工艺扰动特别大或其它原因，造成机组突然喘振，喘振控制器来不及响应，这时该模块输出一个比例项输出值来迅速打开放空阀。

    ?  模块8 (Startup)：计算机组起动时的控制逻辑输出值。在机组起动时，控制逻辑使放空阀全开，使机组能安全起动，防止意外事故的发生；

    ?  模块9 (Valve Singal Selector)：选择防喘振控制程序的输出值。即在快速PID控制器的输出值、比例项的输出值、机组起动时逻辑控制器的输出值三者之间进行高选；

    ?  模块10 (Speed Bias)：计算喘振－速度耦合控制器的值。如果喘振发生，控制逻辑会使速度控制器的设定值增加，使机组转速升高，增加入口流量防止喘振。当然如果转速升高，机组的出口压力升高，有可能继续引起喘振，这时就应该解除耦合，实现解耦控制；

    ?  模块11 (Auto/Manual)：设定喘振控制逻辑的手动、部分手动及自动控制功能。如果在手动方式，快速PID控制器的输出值不起作用。如果在部分手动方式，快速PID控制器仍然监控机组的运行情况，即防喘振控制优先；

    ?  模块12 (Valve Prepare)： 阀门预置功能，这一功能用来提高阀门的响应速度；

    ?  模块13 (Valve Linearize/Reverse)：进行阀门线性。
以上这些子功能块可以根据实际需要有选择的进行组态，不需要的功能块可以不用组态。

(2)  重要的子模块的功能与实现

?  喘振线

功能：根据输入的喘振点绘制出喘振线。

输入参数：

    K1SUMOD： 选择喘振算法块的形式。即K1SUMOD为“1”时，喘振算法采用入口流量差压与出入口压力比的形式；为“0”时采用入口流量差压与出入口差压的关系式。为了简洁我们选用压比算法；

k1YA-k1YE：喘振点纵坐标即Pd/Ps（出入口压力比值）；

k1XA-k1XE：喘振点横坐标即h/Ps（入口流量差压与入口压力的比值）。

k1PART：出入口压力比值（Pd/Ps）。

输出参数：

    r1HX：若采用K1SUMOD=1，rHX等于流量差压与入口压力的比值h/Ps，若采用K1SUMOD=0，rHX等于流量差压值h，即当前工作点；

    r1SULIN：当前工况下对应的喘振点值（% r1HX）。

?  防喘振线的校正

输入参数：

    k1RECT：防喘振校正的类型，为“0”时，以一个常数进行校准，为“1”时，每次以递增方式校准；

    k1RCINC：校正值；

    k1RECNO：最多允许校准次数；

    r1MAR：实际操作裕度。

输出参数：

    f1INSUR：喘振标志。喘振发生时，此标志为“1”；

    r1ADMAR：喘振发生时所调整防喘振线的总裕度；

    r1RECNO：当前校准次数；

    r1SURNO：当前发生喘振的总累计次数。

当喘振发生时，存在下列表达式关系：

    r1ADMAR（喘振发生时所调整防喘振线的总裕度）= r1ADMAR+ k1RCINC（以常数k1RCINC校准防喘振线）；

    r1SURNO（当前发生喘振的总累计次数）= r1SURNO+1；

    r1RECNO（当前校准次数）= r1RECNO+1。

    根据机组的性能的实际要求，设置最多允许校准防喘振线10次，每发生一次喘振，防喘振线向右平移2%。可通过控制参数g1MARRS=0，使r1RECNO=0（当前校准次数）和r1ADMAR=0（喘振发生时所调整防喘振线的总裕度）。

?  防喘振线

输入参数：

    e1EBIAS：设置偏置安全裕度；

    e1EPROP：设置安全裕度比例；

    r1ADMAR：喘振发生时所调整防喘振线的总裕度（模块3）；

    r1SULIN：当前工况下对应的喘振点值。

输出参数：

    r1SUCLN：当前工况下对应的防喘振线；

    r1MARTL：喘振线调整的总裕度。

    防喘振控制线等于喘振线加上总的安全校正裕度，见下列表达式：

    喘振线调整的总裕度：r1MARTL = e1EBIAS+（r1SULIN* e1EPROP/100）+ r1ADMAR；

    防喘振控制线：r1SUCLN = r1SULIN + r1MARTL。

?  喘振控制器的设定点

输入参数：

    k1HOVER：徘徊设定值；

    k1HOVERR：徘徊斜坡比例；

    r1SUCLIN：当前工况下对应的防喘振点；

    r1HX：当前实际工作点。

输出参数：

    r1SUCSP：喘振控制器的设定值。

    当操作点远离喘振线时，喘振控制器的设定点将徘徊接近工作点r1HX，即以k1HOVERR这个比率斜坡靠近点r1HX- k1HOVER。点r1HX-k1HOVER与r1SUCLIN（当前工况下对应的防喘振点喘的值）经过高选后作为振控制器的最终设定值，可见喘振控制器的设定值永远不会小于防喘振点的值，从而保证了所需的防喘振安全裕度。

?  喘振控制器

输入参数：

    r1SUPB：比例增益；

    r1SUINT：积分时间；

    r1SUDER：微分时间；

    k1SURMP：控制器斜坡下降比率值；

    r1SUCSP：控制器的设定值。；

    rHX：当前实际工作点；
 
    r1MAR：实际操作裕度；

    r1MARTL：喘振线调整的总裕度。

输出参数：

r1SUCON：控制器的输出。

    喘振控制器在其他工况下，如同常规PID控制器，除了在当前实际工作点超过防喘振控制线的跨度大于适配增益区设定值这种工况，此时调节比例增益将成倍增大，积分项成倍减弱，调节器输出迅速增大，快速开启防喘振阀，阻止工作点继续左移，即喘振控制器的快开特性。当实际工作点已经逐渐向右移到正常工作区时，此时调节器输出值将与控制器斜坡下降比率值高选结果作为调节器的输出，防喘振阀将以每秒不大于kSURMP的值逐步慢关，（在该系统中防喘振阀慢关速率每秒钟不大于3%），这就是喘振控制器的慢关特性，如图3所示。



图3  喘振控制器的慢关特性

 


4  转速控制和机组联锁

    在该压缩机的TS3000系统中除了防喘振控制外，还有汽轮机转速控制、机组联锁和工艺过程控制。

(1)  转速控制

    在一般的压缩机控制系统中，汽轮机的转速控制由专门的转速控制器来实现，在TS3000系统中由汽机调速模块来实现。主要由调速控制器isMODE的六种操作模式来实现，在每一种模式中按照汽机的性能来进行升速或降速，包括：允许启动qrdstrt、正常运行qrun、超速试验qOSTEST、加速升速qACCEL、暖机qWARMUP、正常停车qSHUTDN。在启动机组时可以按系统提供升速曲线自动进行，也可以手动提速，但转速控制器的设定点必须按升速曲线的要求来设定。在正常运行时，汽机的转速由三种控制方式：PLC手动控制方式、压缩机入口压力控制方式、DCS控制方式。PLC手动控制方式即手动调节转速调节器的给定值，压缩机入口压力控制方式即通过调节转速使压缩机的入口压力满足工艺要求，由压力调节器（主调）和转速调节器（副调）组成串级调节回路，在机组出现喘振时，由防喘振控制器进行解偶控制，将转速调节器的控制方式改为PLC手动控制方式。

(2)  机组联锁控制

    机组联锁控制置主要包括：机组启动条件、启动润滑油辅泵和联锁停车。联锁停车包括七个联锁条件：汽轮机转速高高、润滑油总管压力低低、密封气差压低低、主密封气流量高高、密封气压力低低、压缩机轴位移高高、汽轮机轴位移高高。其中主汽轮机转速、密封气流量、压缩机轴位移和汽轮机轴位移信号是二取二，润滑油总管压力是三取二。

5  结语

    本文介绍了利用TS3000系统的三重冗余的硬件特性和专门的控制模块在焦化压缩机控制中的一些体会，其将防喘振控制、汽轮机的转速控制、机组自保联锁和工艺过程控制集于一体，很好的满足了机组控制的要求，提高了系统的可靠性，确保不会因为控制系统的故障影响机组的正常运行，也提高了故障分析的水平，同时在应用TS3000系统还有很多方面需要更深入地摸索，还需要在实践中不断加以总结经验。