李 雁，丁理格，黃 愿，陳 俊

（1.中石油西南油氣田公司 川東北作業(yè)分公司，四川 達(dá)州 635000；2.重慶精本科技發(fā)展有限公司，重慶 400000）

0 引言

天然氣凈化廠每套裝置包含脫硫單元、脫水單元、硫磺回收單元和尾氣處理單元，硫磺回收和尾氣處理單元通常配備兩用一備風(fēng)機(jī)，滿足燃料爐空氣供給。為有效利用硫磺回收和尾氣處理單元燃燒爐產(chǎn)生的中壓蒸汽降低裝置的電耗量，在硫磺回收及尾氣處理裝置各自配備兩臺中壓蒸汽透平風(fēng)機(jī)、一臺電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)以滿足燃料爐空氣供給，正常生產(chǎn)時投用兩臺中壓蒸汽透平風(fēng)機(jī)，電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)作為備用。倘若風(fēng)機(jī)在工作過程中出現(xiàn)喘振，風(fēng)機(jī)及相連接管道將產(chǎn)生大幅振動，造成設(shè)備損害。同時，影響硫磺回收和尾氣處理單元的正常運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的防喘振控制及優(yōu)化就成為裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

1 風(fēng)機(jī)喘振原因

圖1 喘振線、安全線與控制響應(yīng)線Fig.1 Surge line, safety line and control response line

風(fēng)機(jī)的喘振是風(fēng)機(jī)的固有現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)啟動時入口導(dǎo)葉逐漸增大，風(fēng)機(jī)出口空氣壓力逐漸增大。由于供給總管的空氣一般是由兩臺甚至多臺風(fēng)機(jī)提供，在此過程中出口空氣壓力如果大于總管空氣壓力則向空氣總管供風(fēng)，如果出口空氣壓力小于總管空氣壓力則空氣總管的空氣會倒回至風(fēng)機(jī)，如此反復(fù)則會出現(xiàn)風(fēng)機(jī)的喘振。從風(fēng)機(jī)監(jiān)控的數(shù)據(jù)可以看出：此時振動監(jiān)測值增高，如果防喘振閥門不能及時動作則會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)、機(jī)械損傷。從圖1風(fēng)機(jī)的喘振線、安全線與控制響應(yīng)線可以看出：防喘振控制的目的是防止風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，通過將風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)控制在安全線以內(nèi)以確保風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)硬件配置

為滿足風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的精確控制，PLC系統(tǒng)選用西門子S7-300控制系統(tǒng)，性能優(yōu)良、性價比高。S7-300是模塊化的PLC，可以根據(jù)需要自由組合模塊，可拆的模塊前面板接線端子易于維護(hù)。S7-300有350多條指令，其編程軟件STEP 7功能強(qiáng)大，支持梯形圖、功能圖、STL等編程語言，完全滿足風(fēng)機(jī)的防喘振控制編程要求。風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)硬件配置參見表1。

控制器采用CPU314C-2PN/DP，該CPU包含兩個通信接口：MPI/DP和PROFINET（PN）接口。MPI/DP接口可與現(xiàn)場觸摸屏連接，方便現(xiàn)場人員進(jìn)行風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的監(jiān)視與控制；PROFINET（PN）接口可與中控的工程師站進(jìn)行連接，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控程序以及與DCS系統(tǒng)進(jìn)行modbus通訊，有利于數(shù)據(jù)的整合與遠(yuǎn)程控制位于現(xiàn)場的風(fēng)機(jī)。

2.2 風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)風(fēng)機(jī)即將進(jìn)入喘振區(qū)時，防喘振閥應(yīng)迅速開啟，然而隨著防喘振閥的開啟，工作點(diǎn)將回到防喘振線的下方，此時防喘振閥在關(guān)閉過程中又應(yīng)放慢，即要求在打開、關(guān)閉防喘振閥的過程中，所用的速度是不一樣的。由于PLC編程的靈活性，通過其內(nèi)置的STL編程語言可以對防喘振閥控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修改以滿足防喘振閥的快開慢關(guān)要求。典型的設(shè)置就是通過修改PID的積分時間和增益，積分時間修改的順控邏輯及STL代碼實(shí)現(xiàn)如下：

表1 防喘振控制系統(tǒng)硬件配置Table 1 Hardware configuration of anti surge control system

圖2 快開慢關(guān)變積分防喘振控制順控邏輯及STL代碼實(shí)現(xiàn)Fig.2 Sequence control logic and STL code implementation of integral anti surge control with fast on and slow off

風(fēng)機(jī)防喘振的軟件實(shí)現(xiàn)采用模塊化程序的設(shè)計方法，分別由模擬量的輸入/輸出處理模塊、防喘振控制曲線、PID調(diào)節(jié)控制等部分組成，如圖3所示。其中，將測量到的入口流量差壓進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算后，所得的流量值經(jīng)過折線運(yùn)算后得到的能量頭作為PID控制的設(shè)定值SP，通過風(fēng)機(jī)進(jìn)口的空氣壓力、溫度，及出口空氣壓力計算得到的能量頭作為PID的PV。防喘振控制的偏差：e = PV-SP，即為能量頭的控制偏差。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時，則它的運(yùn)行點(diǎn)應(yīng)該在圖1中防喘振線的下方，此時偏差e＞0；若運(yùn)行點(diǎn)在防喘振線的上方，此時偏差e≤0，則控制防喘振閥具有一定開度。

圖3 防喘振控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of anti surge control system

防喘振控制系統(tǒng)主要由進(jìn)口空氣壓力、進(jìn)口空氣溫度、進(jìn)口流量、出口空氣壓力和防喘振閥組成。防喘振控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

防喘振控制根據(jù)圖3的方案進(jìn)行設(shè)計。防喘振控制器是具有連續(xù)輸出信號的數(shù)字多分量控制器。該輸出信號作用于防喘振放空閥的定位器，當(dāng)控制器或驅(qū)動源發(fā)生故障時，通過閥門打開，實(shí)現(xiàn)故障安全行為。

根據(jù)圖1的防喘振控制系統(tǒng)框圖，向控制器提供傳感器的模擬信號。當(dāng)前工作點(diǎn)通過以下公式計算：

入口空氣流速：

式（1）中：?PF ——入口空氣流量差壓；T1——進(jìn)口空氣溫度；P1abs ——進(jìn)口空氣壓力。

能量頭測量值：

式（2）中：t1——進(jìn)口空氣溫度 P1；abs——進(jìn)口空氣壓力P2；abs——出口空氣壓力。

圖4 防喘振控制工作點(diǎn)移動原理圖Fig.4 Schematic diagram of anti surge control working point movement

能量頭設(shè)定值：

式（3）中：a——防喘振控制線斜率；b——防喘振控制線截距。

風(fēng)機(jī)在不同的防喘振工作區(qū)域，它的防喘振控制限值曲線不同，能量頭設(shè)定值對應(yīng)的a、b值也不同。風(fēng)機(jī)的防喘振控制分成兩部分，根據(jù)出廠風(fēng)機(jī)參數(shù)可知：

根據(jù)能量頭測量值計算公式，計算出當(dāng)前能量頭測量值。根據(jù)入口空氣流速與V1Limit（V1Limit在風(fēng)機(jī)出廠時給定，不同的風(fēng)機(jī)V1Limit值不同）相比，在不同的防喘振區(qū)域可計算出當(dāng)前能量頭測量值對應(yīng)的防喘振設(shè)定值。當(dāng)能量頭測量值超過能量頭設(shè)定值時，風(fēng)機(jī)將進(jìn)入喘振區(qū)，此時應(yīng)控制防喘振閥打開，以降低能量頭測量值，將風(fēng)機(jī)控制在正常工作區(qū)內(nèi)。風(fēng)機(jī)處于正常工作區(qū)時，防喘振閥逐漸關(guān)閉實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)效能的最大化。風(fēng)機(jī)防喘振控制工作點(diǎn)移動圖如圖4所示。

當(dāng)壓縮機(jī)啟動時，入口導(dǎo)葉閥IGV處于最小開啟位置αmin（速度控制時的最小速度）。在此過程中，防喘振放空閥打開。機(jī)組加速后達(dá)到第一個工作點(diǎn)A，如圖4所示。防喘振控制器被激活，時間斜坡開始。通過該可調(diào)斜坡，可確?？刂破魍ㄟ^最小選擇關(guān)閉防喘振放空閥的速度不會太快。

當(dāng)防喘振放空閥關(guān)閉時，壓縮機(jī)的系統(tǒng)阻力增大。這導(dǎo)致沿入口導(dǎo)葉閥IGV傳送性能曲線αmin的工作點(diǎn)發(fā)生變化，可能達(dá)到點(diǎn)B?？刂破鹘庸芊来穹趴臻y的控制，并且通過最小值選擇啟動斜坡將變得無效。當(dāng)入口導(dǎo)葉閥IGV從αmin打開到α1時，假定的恒定阻尼曲線（RK）操作點(diǎn)B將移到C。超過控制極限曲線會導(dǎo)致控制器的控制偏差，從而導(dǎo)致防喘振放空閥打開。因此，工作點(diǎn)D可能位于控制極限曲線上。當(dāng)進(jìn)一步打開入口導(dǎo)葉閥IGV時，重復(fù)此程序，直到止回閥朝系統(tǒng)方向（工作點(diǎn)E）打開，將設(shè)備阻力曲線（RA）向右移動，遠(yuǎn)離控制性能曲線。

在壓縮機(jī)運(yùn)行期間，喘振控制裝置隨時準(zhǔn)備好切入，以便在出現(xiàn)任何運(yùn)行故障時立即打開防喘振放空閥。通過限位控制器打開防喘振放空閥，限制排放側(cè)的絕對壓力p2max，abs。

防喘振控制在壓縮機(jī)停止后關(guān)閉，防喘振放空閥自動打開。

3 風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化

風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化的目的是充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)的效能，將風(fēng)機(jī)出口的壓縮空氣全部送進(jìn)燃燒系統(tǒng)。從表面上看就是防喘振閥門在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時處于全關(guān)，燃燒系統(tǒng)供風(fēng)壓力、流量滿足燃燒要求。從控制系統(tǒng)的角度出發(fā)可以從以下兩個方面進(jìn)行防喘振控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.1 風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)速的計算

根據(jù)防喘振控制理論，進(jìn)口空氣風(fēng)速決定了風(fēng)機(jī)防喘振的控制模式：流量控制、出口壓力控制。根據(jù)入口空氣流速的計算公式：可以看出：入口空氣流速在入口空氣流量差壓、入口空氣溫度、入口空氣壓力測量準(zhǔn)確的情況下，可以修正的參數(shù)為K1，通過對K1的修正觀察計算出的進(jìn)口空氣風(fēng)速與該管線上另外一個聯(lián)鎖控制的風(fēng)機(jī)入口空氣流量，兩者之間的差值應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)。同時，監(jiān)控風(fēng)機(jī)防喘振閥的開度曲線，確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常。

3.2 風(fēng)機(jī)防喘振PID參數(shù)的優(yōu)化

圖5 防喘振優(yōu)化控制曲線Fig.5 Anti surge optimization control curve

防喘振閥的動作通過PLC控制系統(tǒng)的PID功能塊進(jìn)行控制，通過PID參數(shù)的變積分設(shè)置確保了在能量頭的設(shè)定值與反饋值相差過大，PID輸出快速動作，能量頭的設(shè)定值與反饋值接近時，PID輸出動作減緩。在運(yùn)行中為保護(hù)防喘振閥門，減少防喘振閥門不必要的動作同時兼顧防喘振閥門的快開慢關(guān)特點(diǎn)，可通過設(shè)置PID死區(qū)來減少防喘振閥門不必要的動作。

經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后，風(fēng)機(jī)的能量頭控制在能量頭控制線附近，防喘振控制曲線如圖5所示。

4 結(jié)論

風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行對燃燒爐的穩(wěn)定燃燒起著至關(guān)重要的作用，風(fēng)機(jī)的防喘振控制復(fù)雜，工作人員只有充分理解其控制原理，結(jié)合風(fēng)機(jī)自身特點(diǎn)才能制定出切實(shí)有效的優(yōu)化方案。本裝置的風(fēng)機(jī)經(jīng)過優(yōu)化后，運(yùn)行效果良好，沒有再次出現(xiàn)因為風(fēng)機(jī)的喘振導(dǎo)致燃燒爐停爐，為工廠的保質(zhì)、保量運(yùn)行提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。