Tricon TS3000系统在泽普化肥厂合成气压缩机组的应用

吴景宝，杨启明，苏国军

(1.中石油塔里木油田塔西南公司仪表运行维护工程部，新疆 泽普 844804；2.中石油塔里木油田塔西南新海公司，新疆 泽普 844804)

Tricon TS3000系统在泽普化肥厂合成气压缩机组的应用

吴景宝，杨启明2，苏国军

(1.中石油塔里木油田塔西南公司仪表运行维护工程部，新疆 泽普 844804；2.中石油塔里木油田塔西南新海公司，新疆 泽普 844804)

主要介绍了Tricon TS3000 系统的硬件构成及其软、硬件配制,分析了Tricon TS3000系统实现机组防喘振控制和超速保护控制的方法。

高性能可编程序控制器；三重化；喘振；超速保护

新疆泽普化肥厂合成氨装置合成气压缩机组是由沈阳鼓风机厂生产的一单吸入蒸汽透平驱动的多级离心式压缩机，其透平的控制采用了美国Triconex公司生产的TriconTS3000控制系统，该系统硬件性能稳定可靠，软件功能丰富齐全，完全能满足机组控制需求，本文将主要分析TriconTS3000的特点及其实现机组防喘振控制和超速保护控制的过程。

1 TS3000硬件结构

TriconTS3000是一种高性能的可编程控制器，具有高水平系统冗余容错能力。它的容错能力是通过三重化模件冗余(TMR)结构来完成的，TMR控制技术具有高可靠性、高可用性、无单点故障等特点。TriconTS3000不论其部件的硬件故障或者是内部或外部的瞬时故障都能做到无差错，不会中断控制过程。如图1所示，它的结构从输入模件经主处理器到输出模件完全是3重化的，每个I/O模件内部有3个独立的分电路，输入模件的每个分电路读入数据并将此信息送到各个主处理器，3个主处理器可利用其专有的高速的3条总线(Tribus)进行相互之间的通讯。每扫描一次，3个主处理器通过3条总线与其相邻的2个主处理器进行通讯，达到同步；同时3条总线可对其数字输入数据进行表决，对输出数据进行比较，把模拟输入数据复制并送到每个主处理器；主处理器执行各种控制算法，算出输出值送到各输出模件。输出数据的表决是在输出模件中完成的，这样可使其尽可能与现场靠近，并对3条总线表决与驱动现场的最终输出之间可能发生的任何错误进行监测和补偿具体冗余容错工作方式：(1)I/O模件是3-2-0工作方式。即对数字量是3选2输出；对模拟量是3选中输出。如果1个分电路故障，则2个好的分电路取平均值输出；如果2个分电路故障，剩下的分电路也将无法工作。(2)主处理器是3-2-1工作方式，当只剩下1个主处理器正常时，此主处理器仍能工作，只是失去了判断比较功能。

图1 TS3000控制器三重化结构图

2 TriconTS3000系统配置情况和控制功能

2.1 硬件配置

系统硬件采用模块化结构，包括主机架、扩展机架、电源模块、处理器模块、智能通讯模块(EICM)、网络通讯模块(NCM)及集线器(HUB)、输入/输出模块及安全栅等相应附件。系统根据点数的多少来配置一个主机架、一个或多个扩展机架，组成不同规模的系统。

2.2 软件配置

下位机组态软件：Tristation1131，Version：3.1.3，配机组用扩展函数，S/NNO：3.10。上位机组态软件：WonderwareInTouch，Version：9.5中文版。

2.3 控制功能

该系统主要实现合成气压机组的控制及逻辑保护功能，主要控制回路：蒸汽透平速度和吸入压力控制，密封油差压控制，压缩机喘振控制，负荷控制，超速保护控制；自保联锁控制：机组允许启动，机组联锁跳车。

3 TS3000机组控制系统的防喘振控制功能

防喘振控制系统就是要保证离心式压缩机在任何工况下都工作在安全操作区，以防止喘振现象的发生。目前采用的方法有固定极限流量法和可变极限流量法，这两种方法都是用打回流的方法，使压缩机的出口流量部分回流至入口，以便使入口流量保持大于喘振点流量。可变极限流量法，是使入口流量的给定值按一定要求随操作条件而变化，使离心式压缩机在任何工况下都具有相同的防喘振裕度，即沿安全操作线工作，这样在低转速下操作，回流量也会减少，提高了压缩机的工作效率，降低了能量消耗。

泽普塔西南化肥厂合成氨装置合成气压缩机组是四级压缩机，在合成气压缩机起动时循环阀A(FV7)，B(FV8)，C(FV59)被打开来防止压缩机喘振。当最小控制器速度达到时，循环阀将被手动关闭或喘振控制算法间歇地关闭它们。压缩机在每级都能独立地用TS3000喘振算法打开循环阀A、B、C分别对应1、2、3级，以便当操作点处于每一级喘振控制线左侧时为防止喘振，保护压缩机。对于每级的喘振控制点的计算是根据每一级对应的流量测量值FE7，FE8，FE59和对应的每一级压力和温度计算所得到的。第三级的质量流量是通过第二级质量流量加上第三级入口流量得到，第三级的入口温度是来自第二级出口温度和第三级入口温度而来。第二级出口压力和第三级入口压力一致。喘振控制曲线如下图：

喘振控制器由标准喘振控制软件包组成，从HMI(人机界面)上可以选择3种工作模式：

(1)AUTO：自动模式，模块的输出为 TS3000防喘振算法控制输出；

(2)PARTIAL：半自动模式，模块的输出在TS3000输出和MANUAL之间进行高选，比较后输出；

(3)MANUAL：全手动模式，输出为HMI手动，此时防喘振控制失效，故建议正常运行时不要选此模式。

喘振控制器具有如下功能：

(1)采用压比算法的喘振曲线；

(2)正常运行时，若工作点突然移向喘振区，喘振设定值徘徊功能将打开回流阀(防喘阀)；

(3)喘振控制器有适配增益和快开、慢关功能；

(4)比例功能可忽略控制器的调节，强制打开回阀；

(5)速度控制器和喘振控制器进行耦合控制，必要时可进行解耦；

(6)使用自动、半自动、全手动控制功能，可使故障检测和调试变得便利；

(7)如果突然发生喘振或联锁停车，用开关量信号使电磁阀动作，快速打开防喘阀；

(8)发生喘振后，防喘控制线自动向右移2%(可以修改)。

以下说明TS3000系统实现防喘振控制的方法。

TS3000系统防喘振控制技术利用压缩机入口流量、出口压力、入口压力来定义操作点、喘振曲线和喘振控制曲线，判断喘振的发生情况，利用其专用的机组用扩展函数来检测喘振的发生情况并做出相应的防喘振控制，大大提高了喘振检测的准确性，灵敏度。TS3000控制系统的喘振控制方法可用功能框图2来形象地表达，图2中每一个模块都定义一种具体的控制功能，各种控制功能之间相互作用，构成一个完整的防喘振控制系统。

图2 防喘振控制功能框图

(1)SurgeLine：利用 pd/ps～h/ps喘振算法，确定机组喘振曲线。

(2)SafetyMargin：计算出机组喘振裕度。

(3)Recal：喘振裕度校验。如机组发生喘振，说明喘振安全裕度设的不太准确，需自动重新进行调整。气压机组喘振裕度为 9%，机组每发生一次喘振，喘振控制曲线向右平移2%，最多移动6%，复位后恢复到原来的位置。

(4)ControlLine：生成喘振控制曲线，即喘振曲线加总喘振安全裕度得到喘振控制曲线。

(5)TotalSafetyMargin：喘振安全裕度与喘振裕度校验之和即为总喘振安全裕度。

(6)SurgeDetect：监测工作点离喘振控制曲线的远近情况。

(7)SPHover：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，改设定值与工作点的距离为某一设定值，一般为2%～3%。如工作点位于喘振控制线的左边，则与喘振控制线进行高选，来确定喘振控制器的设定值。

(8)Manul：手动控制模块。

(9)SurgePID：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工作点来计算出输出值。一旦工作点向左移动进入控制线左侧，喘振控制器的PID开始起作用。

(10)ProportionalTerm：比例控制器，工作点向左移动进入控制线左侧，继续向左越过比例控制线就会使得比例控制起作用。气压机组喘振线右侧6.3%的位置为比例控制线。

(11)ValveSelector：选择喘振控制程序的输出值，即在快速PID控制器的输出值、比例控制器的输出值、手动控制模块的输出值三者之间进行高选，输出控制信号给防喘振控制阀。

4 TS3000机组控制系统的超速保护功能

转速控制的目的是使汽轮机输出功率与负荷保持平衡，当负荷增加时调速系统开大气门，增大进气量，保持在负荷变化时汽轮机的正常转速。另外当负荷突然减小时，调速系统也要防止转速急速升高。气压机组超速保护功能实现过程如下。

(1)速度信号选择处理。速度探头的选择采用了Triconex的扩展函数SPEED_SELECT02功能块。现场共有6支转速探头，其中3个作为速度调节之用，另外3个直接进三取二超速保护装置，中间没有任何转换装置，因此保护是有效可靠的。而该功能块最多可以输入4个转速探头信号，因此，用了2个 SPEED_SELECT02功能块。每个速度选择功能块的基本算法：4个探头信号均正常，选择第二高的速度值；3个探头信号均正常，选择中间速度值；2个探头信号均正常，选择高速度值；1个探头信号正常，选择其自身速度值。

当机组转速大于500 r·min-1后，任何1支小于200r·min-1的探头都被认为故障且不参与选择，直到重新恢复正常为止；任何1支转速探头故障都会产生报警标志，同时发出声音报警。任何2支转速探头的转速差大于200 r·min-1时，同样产生报警。当转速大于等于 9050 r·min-1时，产生超速联锁标志并联锁跳车。

(2)转速 PID控制。其目标设定值由 Triconex的扩展函数 SRAMP03功能块来提供。SRAMP03是Triconex开发的专门用于速度控制的斜坡函数。在此项目中，正常的升降速速率设为1000r/min，升降按钮所用的速率为600r/min，冲临界转速的速率为5000r/min；临界转速区域为2700～4650r/min。联锁停车时，直接将SRAMP03模块的输入目标值强制为0。允许启动后目标值设为1500r/min，直到解除惰性转速后才可以继续升速。转速PID控制采用了Triconex的专用速度PID扩展函数VPID03功能块，VPID03功能块的设定值输入是 SRAMP03功能块的输出，联锁停车时，直接将VPID03模块的输出强制为0。

当机组处于转速控制时(转速在5585～8380r·min-1之间)，VPID03具有比例、积分、微分功能，若机组处于压缩机入口压力控制时，VPID03模块只完成一项功能，就是其设定值输入跟踪测量反馈值。

5 结语

用TRICONTS3000系统实现压缩机组控制，从系统设计上讲，具有完善的综合安全性能和高可用性，TRICON系统达到了IEC61508设备使用安全标准暂行条例规定的3级标准，并获Tuv安全标准第 5、6级的标准认证。与老装置控制、联锁系统相比，该系统具有逻辑功能强大，实现起来灵活，没有过多的硬接线，故障率低，并将透平调速控制、防喘振控制、自保联锁逻辑控制等整合为一体，给操作人员提供了直观、丰富、醒目的信息和灵活、方便、快捷的操作手段，给维护人员提供了方便的诊断方法和事故追忆功能，大大提高了装置的管理和控制水平。

Application of Tricon TS3000 System in Synthesis Gas Compressor

WU Jing-bao, YANG Qi-ming, SU Guo-jun
(Tarim Oilfield, PetroChina, Poskam 844004, China)

TQ 113.2

B

1671-9905(2010)09-0054-04

吴景宝(1979 - ) ,男 ,吉林长春人，助理工程师,毕业于中国石油大学（华东）信息与控制工程学院自动化专业,现在新疆塔里木油田塔西南公司仪表运行维护工程部从事仪表维护工作，电话：13899127362， 0998-7585774，邮箱：wujb-txn@petrochina.com.cn

2010-05-13