劉寧霞

摘 要：制冷壓縮機是制冷系統(tǒng)的核心和心臟，將熱量從低溫環(huán)境排放到高溫環(huán)境，供工藝生產(chǎn)使用。由于環(huán)境溫度是經(jīng)常變化的，故壓縮機大部分時間是處于部分負荷狀態(tài)，易發(fā)生喘振。和利時專為壓縮機組的控制研發(fā)了三重冗余容錯控制系統(tǒng)和基于無關坐標系防喘振計算和控制算法，實現(xiàn)機組的安全可靠的控制，并有效避免喘振的發(fā)生。

關鍵詞：和利時T880控制系統(tǒng)；制冷壓縮機；無關坐標系

中圖分類號：TB65 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0160-02

某公司是一個以合成氨生產(chǎn)為龍頭，集化肥化工產(chǎn)品為一體的化工企業(yè)，公司的產(chǎn)品有合成氨、尿素、三聚氰胺、純堿、氯化銨等。原尿素裝置中的制冷壓縮機組采用電機拖動方式，控制系統(tǒng)采用TRICON系統(tǒng)對機組進行控制，并對實時狀態(tài)進行監(jiān)測。2015年完成由電機拖動到汽輪機拖動的形式，并將控制系統(tǒng)替換成杭州和利時自動化有限公司的三重冗余容錯（TMR）控制系統(tǒng)，即T880控制系統(tǒng)。

1 和利時T880控制系統(tǒng)概況

1.1 架構圖

T880系統(tǒng)具有安全、可靠、配置方便、控制周期短等特點，能夠最大限度地保證壓縮機組在正常生產(chǎn)期間不發(fā)生誤動作停車，最大程度地提高機組的運行效率。如圖1所示，是和利時公司T880控制系統(tǒng)的架構圖，這種系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是實現(xiàn)保護與控制的相對獨立、提高系統(tǒng)安全性，CPU三冗余配置、通道三冗余配置、通訊卡雙卡雙網(wǎng)冗余，降級運行模式3-2-1-0。根據(jù)壓縮機控制系統(tǒng)點數(shù)特征設計專用控制模板、進行壓縮機系統(tǒng)關鍵回路設計，快速任務與慢速任務在不同的CPU內(nèi)運行、保證快速任務的實時性，快速回路控制速度快、典型應用控制周期≤20ms，IO采集速度快、數(shù)據(jù)更新時間≤2ms，通用DCS結構、通訊功能強大、并支持遠程IO。

1.2 控制目標

和利時T880控制系統(tǒng)的控制目標包括保證制冷壓縮機在安全性高的條件下運行、并能夠提供持續(xù)的喘振防護，喘振防護功能在保證運行安全的同時盡量不引起工藝的波動、不給生產(chǎn)活動帶來能源浪費，最大程度地避免誤停機現(xiàn)象的發(fā)生，并將機組運行效率最大化。機組控制系統(tǒng)（CCS）必須是整個裝置控制系統(tǒng)的一部分，方便實現(xiàn)與DCS和其他控制設備進行通訊等。

2 制冷壓縮機的和利時T880控制系統(tǒng)

2.1 硬件配置

硬件主要包括主機籠SGM101、擴展機籠SGM110及專用控制機籠ETM100，控制器SGM206、通訊卡SGM216、AI采集卡SGM416、AO采集卡SGM526、DI采集卡SGM616、DO輸出卡SGM716、防喘振控制專用模塊ETM281及對應的端子模塊等。根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模，配置不同的硬件數(shù)量。

2.2 軟件配置

軟件使用和利時自主研發(fā)的壓縮機集成軟件包V1.2版本，主要通過任務配置、硬件配置、程序創(chuàng)建、變量定義等實現(xiàn)算法的組態(tài)。組態(tài)簡單直觀，并且提供反編譯功能。

2.3 和利時速度控制器功能

速度控制器的目的是在工藝正常生產(chǎn)時，當汽輪機負荷變化時可以通過控制轉(zhuǎn)速的手段，達到機組動態(tài)平衡。當負荷增加時調(diào)大汽門的開度，增大汽輪機的進氣量，當負荷突然減小時，則要防止甩負荷造成的嚴重后果。和利時提供的汽輪機速度控制器完全可以在操作員界面上實現(xiàn)啟動、升速、暖機、過臨界、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制、串級控制等功能，并提供超速回避保護、電超速跳車、超加速跳車、外部ESD跳車、啟動安全故障跳車、調(diào)速器失速跳車等安全保護措施。和利時速度控制器的樣式如圖2所示，通過該種控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制能控制在±5RPM，三冗余測速模塊具備超速保護功能。

2.4 壓縮機性能控制

和利時T880控制系統(tǒng)還能對壓縮機性能進行很好的控制。性能控制包括定風量控制，即將風機的送風量作為過程參數(shù)，控制汽輪機的轉(zhuǎn)速從而達到滿足工藝要求的送風流量。定風壓控制，即將風機的排氣壓力作為過程參數(shù)，通過調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速，從而達到滿足工藝要求的排風壓力。性能控制可以與轉(zhuǎn)速控制串聯(lián)控制，形成完全的自動化控制。

2.5 和利時壓縮機防喘振器功能

喘振是壓縮機固有的一種特性，是壓縮機與管道耦合后的振蕩現(xiàn)象，反映在當壓縮機的流量減少到某一數(shù)值時，壓縮機出現(xiàn)的極為不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，引起機組的劇烈震動，從而造成葉輪的斷裂等。壓縮機防喘振控制是要避免壓縮機因發(fā)生喘振造成嚴重的設備損壞與停工，避免壓縮機因發(fā)生喘振對工藝操作造成巨大的擾動。

和利時的防喘振控制算法是基于無關坐標系防喘振計算與控制算法。該控制算法將壓縮機的喘振極限線SLL與分子量MW、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口比熱比ks和入口氣體壓縮因子Zs無關，只與壓縮機組內(nèi)部構造有關。

基于無關坐標系的防喘振控制算法，通過公式計算將壓縮機在不同工況下的多組性能曲線換算到無關坐標系中，再依據(jù)無關坐標系中的性能曲線獲取到機組喘振極限線。為了提前有效地防止壓縮機喘振現(xiàn)象發(fā)生，在機組喘振極限線的右邊通過可調(diào)參數(shù)設置安全裕量，形成喘振控制線，這樣就可以在機組運行點達到喘振極限線之前開始動作，增加壓縮機的流量，從而阻止喘振情況發(fā)生，保證壓縮機的正常運行。為了保證工藝系統(tǒng)的平穩(wěn)性，在喘振極限線與控制線中間設置快開響應線，如果運行點超過快開響應線，防喘振控制算法將快速小開度打開防喘振控制閥。又在快開響應線與喘振極限線中間設置了安全響應線，即定義一個操作極限，如果運行點超過這個極限，則表明壓縮機已經(jīng)發(fā)生喘振，安全響應將增加喘振控制線的裕度，并階梯大開度地打開防喘振閥，迅速制止喘振，達到安全生產(chǎn)的工藝要求。

壓縮機喘振控制器的HMI面板提供三種操作方式：（1）全自動控制：防喘振閥的控制信號完全由預設的程序控制輸出。（2）軟手動控制：當運行點處在安全區(qū)域，防喘振閥的開度由操作者控制，當運行點處在非安全區(qū)域時，由系統(tǒng)自行切換到全自動控制模式，此過程中防喘振調(diào)節(jié)閥按照程序調(diào)節(jié)，不會一次開到100%，最大程度的保證工藝的穩(wěn)定性。（3）硬手動控制：防喘振閥的開度完全由操作者控制，所以在正常生產(chǎn)過程中不建議長時間在該控制方式下運行。只有當喘振信號源故障時，切到該控制方式下檢修儀表，當故障消除后，應及時切回到全自動控制或者軟手動控制方式下。壓縮機防喘振控制界面如圖3所示，圖中機組運行在低負荷狀態(tài)下，防喘振的控制均在自動狀態(tài)下。

3 結束語

和利時T880控制系統(tǒng)是完全國產(chǎn)化的，基于無關坐標系的防喘振計算與控制算法，為壓縮機的控制帶來了較為明顯的優(yōu)化，汽輪機的控制完全在操作員界面上實現(xiàn)，實現(xiàn)了機組控制系統(tǒng)一體化、集成化。該廠的制冷壓縮機組自2016年7月投運以來，轉(zhuǎn)速控制可靠，防喘振控制始終運行在自動運行模式下，最大程度地降低了操作者的勞動強度。

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