蔣 威，董文林2，霍小永2，楊亞軍，朱 雷

(1.浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310052； 2.河南金山化工集團，河南 鄭州 450046)

聯(lián)堿工藝中氯化銨結(jié)晶工序氨冰機是聯(lián)堿裝置的核心運轉(zhuǎn)設(shè)備之一。上世紀(jì)八九十年代，聯(lián)堿行業(yè)制冷一般采用活塞式壓縮機，其制冷量約為465～1163 kW(40～100萬kcal/h)，主電機功率一般為200～450 kW，單臺設(shè)備制冷能力較低，一般與4～20萬t/a聯(lián)堿裝置配套；2000年后，螺桿冰機以其制冷量大、維護保養(yǎng)費用低、操作簡單等優(yōu)勢逐漸為聯(lián)堿行業(yè)所青睞，其單臺設(shè)備制冷量約為1 163～2 908 kW(100～250萬kcal/h)；近幾年，螺桿冰機大型化取得新進展，6 048 kW(520萬kcal/h)的螺桿冰機已經(jīng)成熟，逐漸為大型聯(lián)堿企業(yè)所采用。

2000年后，聯(lián)堿生產(chǎn)能力約100萬t/a的大型聯(lián)堿企業(yè)一般配置10～12臺螺桿冰機，配備的主電機功率一般為900～1 200 kW，裝機容量約8 000～13 000 kW。聯(lián)堿結(jié)晶工序冰機崗位電耗約50～80 kW·h/t堿(聯(lián)堿行業(yè)制堿、制銨當(dāng)量差別很大，且結(jié)晶工序投量AⅠ溫度差別也很大，故單位產(chǎn)品冰機電耗參差不齊，相差很多)。

近幾年，盡管螺桿冰機也實現(xiàn)了大型化，但是單臺螺桿冰機最大制冷量約5 815 kW(500萬kcal/h)，所以100萬t/a聯(lián)堿系統(tǒng)結(jié)晶工序仍需配置4～5臺大型化的螺桿冰機，設(shè)備數(shù)量多，且大型化的螺桿冰機配備的主電機功率一般為1 800～2 000 kW，如果采用蒸汽汽輪機拖動，需配置4～5臺汽輪機。不僅螺桿冰機配套的蒸汽汽輪機數(shù)量多，投資大，而且因螺桿冰機驅(qū)動軸功率一般低于2 000 kW，也存在蒸汽汽輪機運行效率偏低的問題。

目前，單臺離心冰機制冷量遠(yuǎn)大于螺桿冰機。一臺離心冰機即可提供23 260～40 705 kW(2 000～35 00萬kcal/h)制冷量，能滿足年產(chǎn)100～120萬t/a大型聯(lián)堿裝置結(jié)晶工序制冷量之需。

若能將離心式冰機用于聯(lián)堿行業(yè)，不僅可解決聯(lián)堿冰機大型化問題，也可化解汽輪機拖動所面臨的投資性價比低的矛盾。大型化氨離心冰機采用汽輪機拖動，驅(qū)動軸功率遠(yuǎn)高于螺桿冰機，一般高于6 500 kW，不僅具有投資性價比高的優(yōu)勢，且機組系統(tǒng)自動化控制投資費用也會因冰機數(shù)量的減少(及配套汽輪機數(shù)量減少)而大幅度降低。

近幾年來，我國大型合成氨裝置(煤氣化空分制氣、等溫變換、低溫甲醇洗、液氮洗、循環(huán)壓縮機、合成氨工藝)中配置的冰機基本實現(xiàn)了大型化，且氨冰機運行穩(wěn)定、可實現(xiàn)無人值守運行。需要說明的是合成氨工藝冰機進口氣氨壓力基本穩(wěn)定，波動很小，而聯(lián)堿工藝提供的氣氨不具備此有利條件。

聯(lián)堿工藝氨冰機(進口)氣氨來自于結(jié)晶工序液氨蒸發(fā)外冷器，因聯(lián)堿工藝特性，外冷器出口的氣氨壓力存在持續(xù)衰減問題，且運行8 h，壓力因衰減到不足以維持生產(chǎn)繼續(xù)進行(氣氨壓力波動范圍可達23%～30%)，必須停車輪換(備用設(shè)備)。

此外，受大氣環(huán)境溫度及循環(huán)水溫度影響，聯(lián)堿冰機冬季與夏季實際運行負(fù)荷相差約20%，也增加了聯(lián)堿冰機大型化、自動化、智能化、無人值守運行的難度。

更主要的是聯(lián)堿冰機制冷量核算選型關(guān)系到設(shè)備的經(jīng)濟運行。制冷量選擇偏高，在冬季會出現(xiàn)運行負(fù)荷低于其設(shè)計負(fù)荷的70%，易在喘振區(qū)運行不經(jīng)濟現(xiàn)象；制冷量選擇偏低，夏季制冷能力不足，會表現(xiàn)出冰機滿負(fù)荷運行也不能滿足制冷量之需，影響生產(chǎn)能力的問題。

河南金山化工集團與浙江中控通過調(diào)速控制、負(fù)荷控制、壓力波動控制、喘振保護控制等相關(guān)技術(shù)方案成功解決了聯(lián)堿行業(yè)采用汽輪機拖動大型化離心冰機的相關(guān)技術(shù)難題。

1)汽輪機全自動一鍵啟機，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速波動基本控制在5 rpm以內(nèi)；

2)離心冰機開停機實現(xiàn)一鍵自動加載和一鍵自動卸載。運行過程中防喘振控制和負(fù)荷控制全自動調(diào)整機組負(fù)荷，實時適應(yīng)聯(lián)堿系統(tǒng)的負(fù)荷波動，縮短了從開機到穩(wěn)定的制冷的時間，實現(xiàn)無人值守；

3)全自動防喘振控制，可以有效避免壓縮機喘振，并且可以自動實現(xiàn)空載待機運行，避免了零負(fù)荷停機；

4)對側(cè)流離心氨冰機的負(fù)荷控制效果穩(wěn)定，入口壓力可控制在1 kPa的壓力波動范圍(0.25%的波動范圍以內(nèi))。

目前，僅開一臺離心式冰機，氯化銨日產(chǎn)量約2 500～3 600 t/d之間，可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，無人值守運行，且氯化銨產(chǎn)能還有繼續(xù)提高的可能。

1 壓縮機控制算法介紹

浙江中控壓縮機機組防喘振控制方案是綜合考慮汽輪機調(diào)速控制，壓縮機負(fù)荷控制和防喘振控制的一體化整體解決方案，為離心式壓縮機組提供了先進的控制手段，可全面保障機組的安全穩(wěn)定運行。

1.1 喘振控制

1.1.1 壓縮機喘振控制進展

總體來說，壓縮機防喘振控制經(jīng)歷了定流量控制、變流量限控制的模擬量控制階段，目前正處于微信號處理機式計算機控制階段。

浙江中控壓縮機機組控制一體化解決方案以浙江中控先進的軟件系統(tǒng)，可靠的硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，防喘振的基本原理采用最小流量限控制，但是考慮壓縮機正常工況，失速工況和喘振工況的不同特性，采取了不同的控制策略，可以有效的避免壓縮機發(fā)生喘振，并且使壓縮機在安全的工作區(qū)域達到最高的節(jié)能效果。

1.1.2 防喘振控制坐標(biāo)系的建立

傳統(tǒng)的壓縮機防喘振控制坐標(biāo)系是基于壓縮機特定的設(shè)計條件建立的。當(dāng)壓縮機工作工況偏離設(shè)計工況，或者氣體介質(zhì)分子量發(fā)生變化，相應(yīng)的喘振線也會發(fā)生變化，不利于壓縮機防喘振控制。如圖1所示，隨著壓縮機工作介質(zhì)分子量不同，壓縮機喘振線各不相同。為了保證壓縮機的安全運行，需要選取較大的安全裕度，或者選取最安全的喘振線，從而縮小了操作空間，造成了防喘閥開度相對較大，存在能耗浪費的現(xiàn)象。此外，壓縮機實際工作工況很可能與設(shè)計工況偏離較大，并且可能是實時變化的，喘振線的唯一性是防喘振精確控制的前提與保障。浙江中控壓縮機防喘振控制坐標(biāo)系采用無量綱的坐標(biāo)系,將多變的入口條件轉(zhuǎn)化成與入口條件無關(guān)的曲線，將不同工況和不同分子量多條喘振線歸一成唯一的一條，如圖2所示。

圖1 有量綱坐標(biāo)系

圖2 無量綱坐標(biāo)系的建立

1.1.3 算法簡介

如圖3所示，為壓縮機喘振控制矢量圖，圖中有4條線，代表不同的控制策略。

喘振線—Surge Limit Line，SLL

喘振控制線—Surge Control Line，SCL

階躍響應(yīng)線—Step Response Line，SRL

喘振保護線— Surge Protect Line，SPL

圖3 矢量圖介紹

SLL是壓縮機實際喘振線，是其他不同控制策略線的基礎(chǔ)。正常情況下，壓縮機工作點在SCL線上運行，這是壓縮機安全和節(jié)能的最佳平衡點。當(dāng)出現(xiàn)較大的擾動時，壓縮機工作在可能往左移動，直至SRL線，觸發(fā)階躍功能，防喘閥階躍打開，壓縮機迅速脫離喘振。SPL為喘振保護線，觸碰該線，防喘閥全開，快速脫離喘振，保護機組。

1.2 負(fù)荷控制

1.2.1 負(fù)荷控制的定義及控制目標(biāo)

負(fù)荷控制是指壓縮機為了滿足工藝需求，通過自動調(diào)整轉(zhuǎn)速或者壓縮機入口導(dǎo)葉開度，滿足工藝需求的控制功能。

開車初期時，聯(lián)堿系統(tǒng)的產(chǎn)量存在不穩(wěn)定問題，會造成冷量需求的實時變動，此外，設(shè)備的故障，臨時檢修等也會影響生產(chǎn)負(fù)荷，從而影響結(jié)晶工序冷量的穩(wěn)定需求，這就要求壓縮機能夠自適應(yīng)工藝需求，實現(xiàn)自動變負(fù)荷以適用聯(lián)堿生產(chǎn)。

1.2.2 負(fù)荷控制策略

1)工藝操作的負(fù)荷控制，首先通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或入口導(dǎo)葉來實現(xiàn)最高效率的負(fù)荷控制；

2)多回路協(xié)調(diào)優(yōu)化控制；

3)負(fù)荷控制與喘振控制之間的解耦、喘振控制回路之間的解耦；

4)限制控制，性能超弛控制；

5)自動加載卸載功能，可將壓縮機自動平穩(wěn)地并入和切出工藝系統(tǒng)。

1.3 調(diào)速控制

汽輪機轉(zhuǎn)速控制采用專用快速PID算法調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速，此外，還具備以下輔助功能：

1)全自動啟動：汽輪機可以通過按下控制面板的啟動按鈕自動啟動、升速、暖機、越過臨界轉(zhuǎn)速直到最小調(diào)速轉(zhuǎn)速Ngovmin，投入正常運行。全自動啟動可以組態(tài)為熱啟動和冷啟動兩種模式。

2)半自動啟動：通過按怠速1、怠速2和額定按鈕，可以將汽輪機升速到工作轉(zhuǎn)速，升速過程中可以通過“暫停”和“繼續(xù)”按鈕來停止升速和繼續(xù)升速。

3)手動操作：當(dāng)汽輪機沖轉(zhuǎn)達到最小控制轉(zhuǎn)速Nmin，操作員也可以通過按升速、降速按鈕或者直接輸入轉(zhuǎn)速目標(biāo)值來進行升速降速調(diào)節(jié)。

4)超速試驗：正常運行中汽輪機轉(zhuǎn)速不能超過最大連續(xù)轉(zhuǎn)速Nmax，超速試驗功能將暫時屏蔽這個轉(zhuǎn)速限制功能，使得汽輪機能夠升到超速跳車轉(zhuǎn)速，以測試超速保護裝置的功能。

5)抽汽控制：速度控制可以與抽汽控制回路配合實現(xiàn)單抽、雙抽、抽注汽汽輪機的控制。

2 浙江中控機組控制在河南金大地聯(lián)堿項目中的應(yīng)用

2.1 項目簡介

氨冰機制冷原理是通過離心式氨冰機將液氨蒸發(fā)外冷器蒸發(fā)的氣氨(0.33～0.42 MPa)壓縮到一定的壓力(1.2～1.55 MPa)，在此壓力(1.2～1.55 MPa)下，通過循環(huán)水(或蒸發(fā)冷凝器)將離心式冰機出口的高溫氣氨冷凝成低溫液氨；然后將冷凝的液氨送至結(jié)晶工序液氨蒸發(fā)外冷器內(nèi)，通過減壓氣化蒸發(fā)成氣氨，再進入離心式冰機進行壓縮，繼續(xù)進行循環(huán)。液氨蒸發(fā)外冷器內(nèi)液氨通過減壓蒸發(fā)吸收熱量，用于降低液氨蒸發(fā)外冷器列管內(nèi)母液以及冷析結(jié)晶器內(nèi)母液溫度，冷析結(jié)晶器內(nèi)可析出NH4Cl產(chǎn)品。此前，國內(nèi)聯(lián)堿行業(yè)基本采用螺桿機進行氨制冷，本項目是我國聯(lián)堿行業(yè)首次采用大型化離心冰機進行氨制冷。

圖4 浙江中控汽輪機升速控制原理圖

2.2 項目重點和難點

如圖5 所示，為河南金大地化工聯(lián)堿項目離心冰機主流程圖，主要顯示了離心冰機氣氨工藝圖。來自液氨蒸發(fā)外冷器的氨氣先進入壓縮機入口的一級氣液分離器，然后進入壓縮機，此外，還有一股側(cè)流氨氣進入壓縮機，兩股氣體混合之后，經(jīng)過壓縮機做功，高溫高壓的氨氣首先經(jīng)后冷卻器初步冷卻，然后再去氨蒸發(fā)冷凝器進一步冷凝。該壓縮機有兩段防喘和一個出口壓力高限制放空閥。壓縮機后冷卻器后氨氣經(jīng)2個防喘振閥分別回到一級氣液分離器和二級氣液分離器。壓縮機出口有一個高壓放空閥，正常該閥門關(guān)死，當(dāng)壓力過高，該閥門打開，氨氣直接回到一級氣液分離器。整個控制過程非常復(fù)雜，存在許多難點。

1)控制復(fù)雜：氨氣通過兩段壓縮冷卻后，冷凝成液氨去液氨儲罐。每一段入口分離器的溫度都對應(yīng)相應(yīng)的飽和蒸汽壓和過熱度。主要控制目標(biāo)是一段入口壓力控制、溫度控制和喘振控制，以及每段入口的溫度和防喘振控制。壓縮機入口壓力控制、溫度控制和喘振控制之間互相影響、互相干擾，壓力的變化會引起溫度的變化，溫度的變化會影響喘振控制，喘振控制回流會升高溫度。這是一個多變量影響的復(fù)雜邏輯過程，控制難度大。

2)開工困難：由于制冷壓縮機各段入口壓力與冷段溫度是相對應(yīng)的。在開工初期，壓縮機是全回流啟動，各冷段溫度沒有降到設(shè)計溫度。壓縮機的加載過程就是隨著各冷段溫度的下降，逐步關(guān)閉各段防喘閥。在這一過程中，任何一個波動或操作失誤都會打亂平衡，造成壓縮機喘振或停車。因此，靠手動操作壓縮機極易喘振，致使開工時很難穩(wěn)定。即使最有經(jīng)驗的操作員手動操作也需很長時間才能穩(wěn)定。

3)容易波動：運行過程中一旦工藝操作波動，制冷壓縮機控制不好會放大波動，造成控制振蕩，很難恢復(fù)。對于壓縮機的每一段入口來說，溫度壓力都是一個動態(tài)平衡的過程，平衡的要素是冷源(冷劑)和熱源(喘振回流量)的平衡，這兩個要素任何一點波動都會帶來整個壓縮機和制冷過程的波動，甚至于停車(冷劑加入過多會造成泛液聯(lián)鎖停車)。因此，防喘振控制要與溫度控制(激冷控制)協(xié)調(diào)解耦。

4)喘振的側(cè)流控制：氨制冷壓縮機的二段除了有一段壓縮來的氣體，還有入口分離器來的氣體，這種應(yīng)用稱之為側(cè)流控制。側(cè)流控制非簡單意義上的上一段來的流量和本段氣體流量的相加，而是經(jīng)過嚴(yán)格的側(cè)流計算。浙江中控開發(fā)的側(cè)流控制算法解決了這一問題。

2.3 項目實施過程及控制效果

如圖5所示，為河南金大地化工聯(lián)堿離心冰機主流程圖，左側(cè)為汽輪機蒸汽流程圖，主要顯示蒸汽壓力和溫度和抽汽閥門輸出；右側(cè)主要顯示了離心冰機氨氣工藝圖。

該壓縮機為側(cè)流壓縮機，壓縮機二段中的氨氣量為一段和二段的總和，不同狀態(tài)的氣體由于密度不同，不能直接相加，此處的處理采用了浙江中控壓縮機控制的側(cè)流算法，取得較好控制效果。

圖5 河南金大地化工聯(lián)堿項目離心冰機主流程圖(100%負(fù)荷運行)

2.3.1 汽輪機啟機效果

如圖6所示，河南金大地聯(lián)堿冰機汽輪機啟機升速過程。B線條為轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，C線為轉(zhuǎn)速實際值，A線條為閥門輸出值。在滿足汽輪機啟機條件之后，按下控制面板的啟動按鈕，汽輪機自動啟動、升速、暖機、越過臨界轉(zhuǎn)速直到到達最小調(diào)速轉(zhuǎn)速，投入正常運行。整個升速過程中，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，實際轉(zhuǎn)速歷史趨勢線與汽輪機升速曲線基本重合。汽輪機控制實現(xiàn)了全自動一鍵啟機，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速波動基本控制在5 rpm以內(nèi)。

圖6 聯(lián)堿冰機汽輪機啟機升速過程

2.3.2 壓縮機防喘振控制效果

如圖7所示，為壓縮機喘振負(fù)荷控制畫面，主要顯示了壓縮機正常運行工況，防喘振副線全部關(guān)閉，符合設(shè)計工況要求。

如圖8和圖9所示，壓縮機加載完成之后，一段工作點被控制在了壓縮機喘振控制線上，達到了安全和節(jié)能的最佳平衡點。開車初期，整體生產(chǎn)負(fù)荷較低，防喘閥開度相對較大。二段防喘閥已經(jīng)關(guān)死，工作點落在壓縮機安全工作區(qū)內(nèi)。

圖7 聯(lián)堿離心冰機喘振負(fù)荷控制畫面(100%負(fù)荷運行)

圖8 聯(lián)堿離心冰機喘一段振性壓線控制圖

圖9 聯(lián)堿離心冰機二段喘振控制效果

2.3.3 負(fù)荷控制效果

聯(lián)堿項目結(jié)晶工序離心冰機最直接的工藝指標(biāo)變量應(yīng)為實時需求的制冷量。因離心冰機制冷量指標(biāo)冷量不易直接量化監(jiān)測，且工藝所需的冷量目標(biāo)值更難以實時設(shè)定，故需找出與工藝所需制冷量有邏輯關(guān)系工藝指標(biāo)作為控制目標(biāo)值。

對于制冷離心冰機而言，在出口氣氨壓力基本恒定，入口氣氨壓力可以間接反映離心冰機做功能力，也可間接反映工藝所需的冷量。因此，聯(lián)堿項目結(jié)晶工序采用壓縮機入口壓力作為負(fù)荷控制的主要工藝指標(biāo)。

可以依據(jù)聯(lián)堿工藝生產(chǎn)對冷量的需求變化，設(shè)置相應(yīng)的入口壓力值，通過升速或者降速調(diào)整壓縮穩(wěn)定的做功輸出，保證聯(lián)堿工藝生產(chǎn)。當(dāng)氣氨進入離心冰機入口的壓力高于設(shè)定值，負(fù)荷控制器自動計算轉(zhuǎn)速的調(diào)整量，在100 ms的控制周期內(nèi)做出及時準(zhǔn)確的指令，提高工作轉(zhuǎn)數(shù)，以增加制冷能力；當(dāng)氣氨進入離心冰機入口壓力低于設(shè)定值，同理，降低工作轉(zhuǎn)速，以保證壓縮機入口壓力的穩(wěn)定，以降低制冷能力。

當(dāng)聯(lián)堿系統(tǒng)工藝生產(chǎn)負(fù)荷提高后，提高了產(chǎn)量，對冷劑的需求也相應(yīng)的增加，此時，防喘閥會關(guān)小，同時，壓縮機轉(zhuǎn)速同步升高；當(dāng)防喘閥關(guān)死之后，如果還不能滿足聯(lián)堿工藝制冷量的需求，只需要將氨離心冰機入口壓力設(shè)定值進一步下調(diào)，氨離心冰機會根據(jù)工藝需求自動提高轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)之需。

當(dāng)聯(lián)堿系統(tǒng)工藝生產(chǎn)減負(fù)荷運行后，防喘閥會自動打開，轉(zhuǎn)速會自動降低，無需人工參與，即可完成調(diào)整。如果聯(lián)堿其它工序突然停產(chǎn)，也不會引起氨離心冰機跳車，氨離心冰機控制系統(tǒng)會自動調(diào)整防喘閥開度和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)空載待機，可以有效避免壓縮機喘振，并且可以自動實現(xiàn)空載待機運行，避免了零負(fù)荷停機。

如圖10所示，聯(lián)堿正常生產(chǎn)過程中負(fù)荷控制效果，隨著壓力的波動，負(fù)荷控制器通過計算輸出汽輪機目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后串級調(diào)速控制器，實現(xiàn)氨離心冰機轉(zhuǎn)速的實時調(diào)整。結(jié)果表明，負(fù)荷控制穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)整及時。

3 項目總結(jié)

聯(lián)堿汽輪機拖動的大型化離心冰機智能化控制的成功運行，不僅可降低聯(lián)堿項目投資，提高聯(lián)堿勞動生產(chǎn)率，而且還可大幅度降低聯(lián)堿運行成本。初步估算，河南金大地化工聯(lián)堿項目大型氨離心冰機裝置年可降低電耗約4 000～5 000萬度，綜合效益可觀。

浙江中控壓縮機智能化解決方案，可為聯(lián)堿工藝“汽輪機拖動的大型化離心氨冰機”機組提供可靠、穩(wěn)定的運行保障，機組控制成功實現(xiàn)了全自動控制，無人值守操作，且節(jié)能效果顯著。

河南金山化工集團的河南金大地化工聯(lián)堿項目“汽輪機拖動的大型化離心氨冰機”的成功運行，開創(chuàng)了我國聯(lián)堿行業(yè)冰機大型化、智能化之先河，對聯(lián)堿行業(yè)節(jié)能、減排、高質(zhì)量發(fā)展意義深遠(yuǎn)。