压缩机综合控制系统在催化裂化装置中的应用

李红春，夏毅

（大连西太平洋石油化工有限公司，辽宁大连116600）

2011年大连西太平洋石油化工有限公司（简称西太）对催化裂化（FCC）装置的机组联锁及控制系统硬件升级改造。原机组控制系统采用日立电动单元组合仪表加PLC S5相结合的控制系统，电动单元组合仪表用于模拟量显示、操作及PID控制，PLC S5用于联锁逻辑控制。旧的系统由于运行时间长，仪表设备老化，备件型号淘汰无法采购，系统稳定性、可靠性降低，不能满足机组安全生产运行及新规范的高稳定性和高可靠性的要求。2011年FCC装置检修期间，西太对FCC机组控制系统进行升级改造，控制系统硬件采用了Tricon TMR控制器。

1 Tricon TMR系统简介

1.1 Tricon TMR系统特点

a）主处理器和I／O卡件完全三重化；点通道间隔离，通道与现场隔离。

b）DI模块每个输入点的三条电路都会周期检测“Stuck－on”故障；DO模块每个输出点三条电路都会周期性检测Stuck－on／off故障，对每一个输出进行容错的硬件四方表决输出。

c）覆盖全面的自诊断功能内置于Tricon的硬件内，不需要用户编程，系统不会因单点故障导致系统失效；消除误停车，系统的可靠性和可用率都非常高（大于99.999%）。

d）系统执行的程序可进行在线修改和下装；可在线进行故障卡件的更换。

e）系统采用Tristation1131软件和具有专利的透平／压缩机控制软件，可综合控制机组的性能控制、防喘振、联锁保护等控制逻辑功能。

f）系统的执行时间最快可达20～30ms，可保证防喘振的快速响应。

g）系统的SOE分辩率为毫秒级，可分辨出造成停车事故的第一联锁报警事件。

h）Tricon TMR通过TUV的AK5－6级和SIL1－3级认证。

1.2 以Tricon为控制器的透平／压缩机综合控制系统（ITCC）

改造后的ITCC以Tricon为控制器，系统硬件包括1个主机架、3个扩展机架、1个远程机架共计5机架，1台远程操作站、1台就地操作站、1台工程师站。ITCC改变了以往在机组控制中多控制器并行运行的方式，即对于1台透平／压缩机机组，就有透平调速控制器、性能控制器、负荷分配控制器、防喘振控制器等多台控制器同时运行，各自控制相对应的对象，这些控制器彼此之间只能以外部通信的方式建立联系，而通信方式的传输速率较慢，可靠性较差。ITCC系统将以上所有的控制功能集成在一起，控制功能相互之间非常容易协调；Tricon TMR系统具备多种接口强大的通信功能，还可以方便地将机组检测保护系统如Bently 3500及DCS等数据无缝的集成，为操作人员提供单一机组控制系统人机界面。

2 FCC轴流式主风机控制简介

在FCC中，烟气轮机－轴流风机－电动／发电机是应用最多的主风机组配置方式。轴流式主风机是FCC的核心工艺设备，烟气轮机是催化装置能量回收的关键设备，主风机组的安全平稳运行，直接关系到装置的安全生产和经济效益。因为轴流式主风压缩机动态稳定工作区的限制条件苛刻，轴流风机极易因反再压力波动产生喘振，严重时则发展为逆流，从而造成大的生产设备事故，轴流机的防喘振控制技术成为机组控制保护设计、制造和运行过程中的研究重点。烟气轮机－轴流风机－电动／发电机另一个潜在的风险是机组超速失控，而且一旦发生超速失控，事故将是灾难性的，经济损失非常惨重，轴流式主风机组的保护和控制方案，一直是自控设计和实际运行中的重点和难点，倍受关注。

2.1 机组起动逻辑

机组起动条件：停机时间大于5min、盘车器脱开、实验开关复位、联锁复位、润滑油温度正常、润滑油压力正常、动力油压力正常、静叶开度小于22度、出口单向阻尼阀关、放空阀全开、烟机入口蝶阀全关。当所有启动条件都满足时，才通过启动预检查程序，允许机组主电机合闸，经操作员确认后，允许合闸信号输出送至电气，主电机可以合闸起动。

2.2 机组自动操作逻辑

主电机合闸起动且机组转速正常并延时5min后，或者安全运行及逆流保护联锁复位延时5min后，机组可进行自动操作指示灯亮，操作员检查确认后，机组进入自动操作状态，防喘振放空阀、主风单向阻尼阀、轴流机静叶、烟机入口蝶阀解除闭锁，防喘振控制器、烟机转速控制器、静叶手操器解除闭锁，允许操作员进行自动或手动操作。只有在机组自动操作状态下，操作员方可对防喘振控制器、烟机转速控制器、静叶手操器进行手自动操作，调节机组的运行状态。当发生安全运行、逆流保护、停机联锁时，机组解除自动操作，联锁逻辑程序强制防喘振放空阀全开、主风单向阻尼阀关、轴流机静叶阀关到22度、烟机入口蝶阀全关，强制防喘振控制器、烟机转速控制器、静叶手操器输出为0，操作员对防喘振控制器、烟机转速控制器、静叶手操器不能进行任何操作。

2.3 机组安全运行逻辑

安全运行联锁条件：反再主风切断联锁自保、辅操台主风机手动安全运行紧急按钮开关、上位机安全运行软按钮开关。当上述三个条件有一个发生时，机组进入安全运行状态，解除自动运行。机组安全运行时，机组解除自动操作，烟机蝶阀全关、风机出口单向阻尼闭锁关、放空阀全开、静叶闭锁关到22度，机组安全运行联锁报警信号去工艺反再部分引起主风切断联锁。防喘振调节器、烟机转速调节器、静叶手操器全部闭锁，全部输出为0，操作员不能进行操作。

2.4 机组逆流保护逻辑

机组的逆流检测是通过检测风机喉部压差来实现的。当机组正常运行转速大于5 770r／min，主风机喉部差压值小于1.2kPa时发生喉部差压低低报警，喉部差压低低报警持续时间满1s时，机组发生喘振报警。机组喘振报警持续时间满3s，或在20s内连续发生两次喘振报警，机组发生逆流报警，机组逆流保护联锁启动，机组进入逆流保护状态，解除自动运行。逆流报警持续时间满5s，机组发生持续逆流报警，机组自保停机联锁启动。逆流保护联锁输出同安全运行联锁输出。

2.5 停机联锁逻辑

停机联锁条件：风机轴位移高高联锁报警、烟机轴位移高高联锁报警、润滑油压力“三取二”低低联锁报警、机组转速“三取二”高高联锁报警、机组动力油压力“三取二”低低联锁报警、风机持续逆流联锁报警、主电机故障停机联锁报警（主电机跳闸、机组转速低于额定转速、静叶开度大于最小开度三个条件同时满足时产生主电机故障停机联锁报警）、手动紧急停机，以上任意联锁报警发生时，机组联锁停机。机组停机联锁时，除包含安全运行联锁输出外，还包括烟机闸阀全关、电机跳闸，静叶在机组转速低于90%额定转速且烟机蝶阀开度小于10%的情况下，才关闭到22度。

3 主风机防喘振控制

FCC轴流式主风机的防喘振控制是主风机组的重要控制方案，西太FCC轴流主风机的防喘振控制方案主要包括以下功能：喉部差压温度补偿功能、机组喘振线及防喘振线计算功能、防喘振线移动功能、防喘振PID控制设定点盘旋（徘徊）功能、防喘振PID控制调节参数自适应功能、防喘振纯比例控制功能、防喘振阀的快开慢关功能、联锁保护功能、防喘振控制使能功能。具体防喘振控制功能如图1所示。

图1 FCC轴流式主风压缩机防喘振控制功能示意

3.1 喉部差压温压补偿功能

喉部差压温压补偿功能，对应图1中的1号功能块，压缩机的喘振曲线是制造厂在特定温度环境下实验标定得出的。由于主风机喉部差压的测量受温度变化影响，而压缩机入口温度全年变化较大，因而需要对压缩机的喉部差压测量进行温度补偿。

3.2 喘振线及防喘振线的曲线函数功能

喘振线及防喘振线的曲线函数功能，对应图1中的2号和3号功能块。压缩机的喘振曲线为压缩机厂家实际试验标定出来的，防喘振曲线是在压缩机喘振线的基础上，加上一定量的安全裕量，经过向右（轴流式主风压缩机向下）平移得到的。根据压缩机厂家提供的喘振曲线和防喘振曲线的坐标，利用系统本身的曲线函数功能，可以很方便地进行压缩机喘振线和防喘振线的计算。防喘振线与喘振线之间的距离叫做固定（额定）安全裕度（Operator－entered Safety Margin），如果防喘振线发生移动，则移动后防喘振线与喘振线之间的距离叫做总的安全裕度（Total Safety Margin），等于固定安全裕度加上防喘振线的移动距离。压缩机工作点的实际安全裕度为压缩机工作点到压缩机喘振线之间的距离。

3.3 防喘振设定点盘旋功能

防喘振设定点盘旋功能用于防喘振PID控制的设定点计算，对应于图1中的功能块5，详细如图2所示。防喘振PID控制功能的设定点不是由防喘振控制线的曲线函数计算出来的，而是由防喘振设定点盘旋功能计算出来的，该值表示压缩机工作点的安全裕度控制目标值。防喘振设定点盘旋功能的主要作用：当压缩机工作点距离防喘振线较远时，缓慢平稳地改变防喘振PID控制的设定值，通过防喘振PID调节作用缓慢地关小防喘振阀的开度，控制压缩机工作点缓慢平稳地靠近压缩机的防喘振曲线，并且设定点和实际工作点始终保持一定的盘旋距离Khover，防止防喘振PID的PI比例积分作用太强，防喘振阀关闭速度太快，使压缩机的工作点向喘振线方向移动太快而进入喘振区；防喘振设定点盘旋功能尽可能地使压缩机工作点靠近防喘振线，缓慢地且最大限度地关闭防喘振阀，尽量减少防喘振阀的放空或回流，提高压缩机的工作效率，又同时防止压缩机工作点移动过快而越过防喘振线。

图2 设定点盘旋功能

3.4 防喘振线移动功能

防喘振线移动功能对应于图1中的功能块4，防喘振线移动功能有两个主要参数：每次移动量kRCinc和最大移动总量kRCmax。在压缩机的实际运行过程中，存在设计安全裕度偏小，压缩机压缩气体的分子量变小，实际工况偏离设计工况较大等不安全因数，当工艺工况发生大的波动时，压缩机的实际工作点可能瞬间进入喘振区，对压缩机产生破坏性影响。防喘振线移动功能的作用就是在检测到压缩机偶然发生喘振时，额外增加防喘振的安全裕度，使得压缩机的防喘振线与喘振线之间的距离进一步加大，增大防喘振PID调节和纯比例调节的余地。防喘振线移动功能检测压缩机工作点与喘振线之间的位移（也叫实际安全裕度），当检测到实际安全裕度小于－1%时（即防喘振PID调节的偏差ΔE＜－1%时），轴流压缩机防喘振线向下移动一次，移动距离为kRCinc，最大移动距离不超过kRCmax。防喘振移动功能可以复位，使得压缩机的防喘振线回到原设计位置。

3.5 防喘振纯比例控制功能

防喘振纯比例控制功能对应于图1中的功能块7，详细如图3所示。当压缩机正常运行时，压缩机的防喘振控制主要由PID功能来实现，当出现异常工况引起压缩机出口压力增大，压缩机的工作点将向喘振线快速移动甚至跨过防喘振线时，防喘振控制方案中的PID控制功能已不能及时地起到调节作用（因为要保证机组防喘振控制最初平稳地投入和正常平稳的运行，不可能把防喘振PID控制的比例P和积分I作用设置太强）。当压缩机工作点越过防喘振线进一步向喘振线移动时，防喘振控制方案中起主导作用的是防喘振控制纯比例功能（如图3所示）。当压缩机的工作点越过防喘振线右边A点时（此刻压缩机工作点离喘振线的距离为70%安全裕度），防喘振控制纯比例功能开始起主导控制（此时机组理论上不会发生喘振，仍可继续正常工作），随着压缩机工作点进一步向喘振线靠近，防喘振纯比例控制功能快速动作，使防喘振控制输出在原值基础上（防喘振控制功能正常调节时，防喘振纯比例功能输出跟踪防喘振控制输出即图1中功能块11的输出但小于一定值如2%）按比例增加，防喘振阀开度增大，当压缩机工作点到达喘振线如图3中B点时（临界点位置机组仍然可正常工作），防喘振控制输出也达到最大，防喘振阀全部打开。综上所述，当压缩机运行出现异常工况，压缩机工作点越过防喘振线迅速靠近喘振线时，防喘振纯比例控制功能在PID控制功能来不及调节时快速增加防喘振阀的开度直至全开，确保压缩机工作点重新回到防喘振线右下方的工作区。防喘振纯比例控制是防喘振控制的主要控制和保护功能。

图3 纯比例控制功能

3.6 防喘振PID控制调节参数自整定功能

根据压缩机工作点的实际安全裕度和防喘振设定点盘旋功能计算出来的设定点，防喘振PID控制调节参数自整定功能按照预先设定的曲线，动态调整防喘振PID调节的比例和积分调节参数的大小，如图4所示。当压缩机的实际工作点向喘振线方向越过防喘振设定点且距离防喘振设定点越远时，压缩机实际工作点越接近喘振线，压缩机喘振的风险越大，防喘振PID调节阀参数自整定功能增强比例和积分调节作用，使压缩机实际工作点快速回到正常的工作区；当压缩机正常工作时，压缩机的实际工作点的安全裕度大于防喘振设定点，防喘振PID调节阀参数自整定功能减弱比例和积分调节作用，使防喘振PID调节更加平稳。

图4 PID调节参数自适应调整功能

3.7 防喘振阀的快开慢关功能

当压缩机工作不稳定，压缩机的实际工作点越过防喘振设定点向喘振线移动时，防喘振控制功能需要及时快速地打开防喘振调节阀，在开阀方向，允许防喘振输出的变化速度大或不受限制；当压缩机实际工作点在防喘振曲线右下方的稳定工作区域时，防喘振调节功能会逐渐关闭防喘振阀，为了防止压缩机实际工作点因防喘振阀门关闭速度过快而不稳定，在防喘振阀的关阀方向，对防喘振调节输出变化率进行限制。

4 结束语

催化主风机控制系统经过改造后，原机组控制室内盘装控制、显示、报警、记录等二次仪表的功能由Tricon ITCC机组综合控制系统全部替代，机组控制系统组成结构及信号连线大幅简化，提高了机组控制系统的可靠性，使系统维护更加简便。在工艺操作方面，系统集中显示控制，使操作员的监控操作更加轻便快捷；在烟机蝶阀控制和轴流机静叶控制功能中，应用爬坡功能和速度限制功能，使得烟机蝶阀和和轴流机静叶控制更加平稳，有效地避免操作输入错误而造成误操作事故。整个催化主风机控制系统经过改造后运行更加平稳，工艺操作更加灵活。

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