丙烯透平压缩机组防喘振控制优化改造方案研究

2019-06-26张鹏军訾旭华石月明马卫东

仪器仪表用户 2019年7期

张鹏军，訾旭华，石月明，马卫东

（内蒙古伊泰集团煤化工管理部，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

离心式压缩机组是大型煤化工工厂中提供动力的核心设备之一，而压缩机防喘振控制是保证压缩机正常运行的重要因素，同时压缩机的节能效果对于工厂整体节能也起到关键作用。煤化工工厂中，采用丙烯制冷压缩机保证制冷效果，提供足够冷量，满足净化装置低温甲醇洗对冷量的正常需求。内蒙古伊泰化工公司120万吨/年精细化学品示范项目应用的丙烯制冷压缩机驱动方式为蒸汽透平，高温高压蒸汽高速进入汽轮器推动压缩机运转。压缩机采用三段压缩机结构，压缩介质为丙烯。压缩机设计的调整方法为变转速，范围为4094rpm～5732rpm。压缩机由抽凝式汽轮机驱动，汽轮机进汽压力8.95MPag，抽汽压力为4.1MPag。丙烯蒸汽通过压缩使得气体温度升高，再使排出的气体进入冷凝器冷却成为液体。在流动过程中不断吸收周围物体的热量，达到制冷的目的。目前丙烯压缩机组运行在自动控制投用率低、防喘振回流阀开度大、能耗水平高的状况下，亟需技术改造。

1 机组存在的问题及改造的必要性

图1 丙烯压缩机组操作画面Fig.1 Operation screen of propylene compressor unit

透平丙烯制冷压缩机组自开工以来，入口压力自动控制回路不能投用，只能手动控制，对操作员要求高，控制效果差。装置压缩机的防喘振阀门不能关闭，开度大，造成压缩机能耗居高不下。压缩机三返一防喘振阀门开度在47%左右，三返二防喘振阀开度在32%左右，三返三防喘振阀开度在22%左右，从而导致压缩机运行的能耗过高。

压缩机喘振线未经实测。由于设计、制造误差的存在，压缩机实际喘振线和理论预测喘振线往往存在显著差异。使用理论喘振线往往不能完成准确和适度的防喘振保护。

现有控制系统选用算法比较简单，未根据丙烯制冷压缩机的工艺过程使用专用的控制算法，压缩机性能控制不能投用。现有系统设计有压缩机入口压力性能控制，但不能投入自动运行，基本上是由防喘振控制阀门手动调整压力。这一般是由于系统使用简单PID而非专用于机组控制的控制算法。

压缩机入口压力完全依靠人工手动操作控制，易诱发误操作。现有系统实际上不能自动控制压缩机入口压力，依靠频繁的人工介入和手动操作方可维持压力平稳，操作难度大，控制效果差，影响装置平稳运行和产品质量。

综上所述，现有机组控制系统算法简单，对人员素质要求高，存在一定安全隐患；机组运行能耗高，亟需改进，使用高效的控制方式，降低机组能耗。

2 改造的难点和解决思路

现有丙烯制冷压缩控制系统采用压缩机主机厂原配套的Triconex TS3000，压缩机组控制方案中存在的问题：

1）压缩机喘振线不能有效补偿实际工况与设计工况偏差；2）机组喘振线不准确；3）机组控制处于手动操作状态；4）压缩机性能控制为简单的PID串级控制（入口压力与转速）未考虑速度与喘振控制器之间耦合，导致性能控制无法投用。因上述原因压缩机机组防喘阀一直处于开启状态，操作画面如图1所示。

考虑到原有系统的不足，通过技术改造方案为：

图2 汽轮压缩机组耦合控制实例Fig.2 Coupling control example of steam wheel compressor unit

1）现场进行喘振试验，计算绘制实测防喘振线，实现实测防喘振控制。

2）解决从手动到自动的压缩机组性能提升控制，对于较复杂的回路进行解耦控制。

3）基于无关坐标系的算法，得到归一化的压缩机喘振线进行优化控制。

3 实测防喘振控制

压缩机厂家会提供一组压缩机的理论计算喘振线。由于设计院或压缩机厂家的设计余量考虑，往往给出的压缩机喘振线比较保守，而且压缩机出厂前，因为无法进行工艺气配比等原因，无法实测喘振线。而通过在压缩机开机过程中在不同转速下实测喘振线，准确定义压缩机的喘振线。通过压缩机的运行工况能够和工艺需求更好地匹配，真实地反应了压缩机的运行工况。

根据实际情况经验，有相当数量的压缩机的实际喘振线在理论喘振线的右下位置，即压缩机会比理论预测更早喘振。在这种情况下依照理论喘振线控制是无法防止压缩机喘振的，也是比较危险的。这也是部分防喘振控制无法投入自动控制，防喘振阀门长期保持相当开度的原因之一。所以实测压缩机喘振线是压缩机防喘振控制非常必要的一环。

在实测喘振线的基础上，进一步实现自动压线控制，不仅是在压缩机负荷高，工作点远离喘振线时能够投入自动控制，即使在低负荷下，甚至是在开工初期运行波动较大时仍可以投入自动运行。压线控制不但能实现最大的节能效果，更重要的是扩展了压缩机的操作空间。

1）临界喘振点测试

依据经验大多数的压缩机正常运行中，防喘振阀完全关闭后实际工作点都远离喘振区，而在启、停车或不正常状态时工艺条件不是正常的操作条件，防喘振阀的打开对工艺不会造成影响。

2）喘振点测试

对于要准确测试到喘振点的机组，通过判断主要依靠看出口压力表，这是机械式的仪表没有延时反应快。听声音的变化喘振将要发生时机组运行的声音有明显的迹象，快于参数的变化，能更早的发现喘振点。

通常选取以往常用速度附近的3～5个速度75%，80%，85%，95%，100%，做实测喘振测试。

4 解耦控制

压缩机防喘振控制回路之间、防喘振控制回路和性能控制回路之间，存在强烈的耦合关系，调整一个回路会立即、显著地影响到其它的控制回路，缺少解耦控制也是一般控制系统无法投入自动运行的重要原因之一。

以图2的压缩机系统为例，当进气调速阀门开大时，进气量增大，会导致压缩机组转速上升，提供给压缩机组出力增大。当抽气阀开大时，会导致压缩机组转速下降，提供给压缩机组出力变小。所以回路的相互影响，会使得转速调节达到平稳状态很困难，特别是在装置不是满负荷工况有变化的情况下，尤为明显。

不仅如此，丙烯压缩机组为三段压缩式制冷机组，存在三段返一段、三段返二段、三段返三段3个相互耦合的防喘振阀。为了消除回路间的相互耦合干扰，使用一般控制系统时操作员只能把阀门投到手动，并且人为开大一点，让压缩机的运行点离喘振控制线远一点。这样虽然能够消除干扰，但造成能耗变大。采用更高级的解耦控制算法，能够同时监控和协调各段的运行情况，做到全自动的协调控制。

5 无关坐标系算法

即用于压缩机控制的喘振极限线SLL的计算与气体分子量MW、入口压力Ps、入口温度Ts、入口气体比热比Ks和入口气体压缩因子Zs无关，而只与压缩机组本身的内部机械构造有关。使用无关坐标系算法得到归一化的压缩机喘振极限线。

简化压头计算：

简化流量平方计算：

图3 无关坐标系防喘振控制五线示意图Fig.3 Independent coordinate system anti-surge control five line diagram

图4 三段返一段改造后，预期工况与实际工况对比Fig.4 3 Comparison of expected working conditions and actual working conditions after the transformation of the return section

Pd——压缩机出口压力（绝压）。

Ps——压缩机入口压力（绝压）。

Td——压缩机出口温度（绝对温度）。

Ts——压缩机入口温度（绝对温度）。

防喘振控制算法采用基于无关坐标系的5条计算与控制曲线，结合了闭环主PI控制响应和开环阶梯保护响应，使得压缩机在运行中无论是面对一次缓慢的降负荷过程扰动，还是面对由于工艺设备异常工况造成的剧烈扰动，都能够迅速、准确地增加压缩机的流量、保护压缩机始终工作在安全区域；同时，由于采用了先进的、准确的基于无关坐标系的防喘振控制算法，使得压缩机的回流流量（或放空流量）保持在最低水平，从而最大限度地降低能量消耗。