汽轮压缩机组机械式控制系统的现代化改造

张秀萍

[摘    要 ]为了提升汽轮压缩机组的机械式控制系统的现代化水平，对其进行改造。具体是在各种控制、监测、保护系统等多种电子控制装置的协助下，明显提升控制的精准性，在数字化通信、网络化监控协助下，确保机组能在较长时间内安全、稳定地运行。统计实践运用结果，发现电子控制设备改造汽轮压缩机组机械式控制系统，是提升系统现代化水平的有效方法之一，具有较高推广价值。

[关键词]汽轮压缩机组;机械式控制;系统改造;改造实践

[中图分类号]TH45 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–03

[Abstract]In order to improve the modernization level of the mechanical control system of the steam turbine compressor unit， a proposal is made to modify it. The specific use is to significantly improve the accuracy of control with the assistance of various control， monitoring， protection systems and other electronic control devices. With the assistance of digital communication and networked monitoring， it can ensure that the unit can be safe and stable for a long time. run. According to the results of statistical practice， it is found that the electronic control equipment to transform the mechanical control system of the steam turbine compressor unit is one of the effective methods to improve the modernization level of the system， and it has a high promotion value.

[Keywords]steam turbine compressor unit; mechanical control; system transformation; transformation practice

近年，在国家相关政策的正确引领下，国内化工产业快速发展，成绩理想，为我国经济社会发展做出更大贡献。当下，工业行业中运行的汽轮压缩机组达到数千台，采用旧式机械式控制系统运行的机组占比相对较高，该种系统有构造相对简单、迟缓率较大、调节精准度偏低、执行机构灵敏度不足等缺陷，并且长期运行后，在磨损因素的作用下，杠杆联接部位容易出现较大的空隙，给机组运行过程中埋置下诸多隐患。并且传统控制系统也不具备数字化通信功能，亟须利用电子控制设备对其进行现代化改造、升级。

1 整体控制方案

观察旧式控制系统的运转状况，解读化工业气体压缩流程运行阶段对现代化控制技术提出的要求，本课题中设计开发了新兴的整体调控方案。本方案在执行阶段，需要落实的重点内容是拆卸掉机组旧的机械式控制系统，组装电子控制系统。

CCC集成控制为本系统的核心，其功能主要是将既往各个运行状态互为独立的控制回路聚集至同一个电子平台上，统一对其性能进行解耦操作，实现对压缩机组各个运行参数的闭环式调控。ESD、TSI分别用在监测机组运转过程安全程度及停机状态维护领域中;工程师站/操作员站能帮助中控室人员在计算机屏幕对机组运行情况实现远程式操作、控制。整个系统的各构成部分均利用网络传送信息，

在工业以太网以及上级DCS的支撑下完成数据通信任务，传输对象以重要的运转参数与画面为主。

2 系统配置情况

2.1 CCC集成控制系统

在本课题设计中，压缩机组控制系统内置的CCC的构成以调速、抽汽、防喘控制器为主，以上各个类型的控制器均布置了运行状态独立的CPU，其对汽轮机的运转速度及抽气压力值能起到一定调控作用，也能防控压缩机组出现喘振等不良情况。CCC系统应用了可用性能达到99.97%、执行周期是25个/s的单冗余数字控制器。在计算机网络技术的协助下能顺利建设出喘振数学模型，采用控制算法模拟仿真，而后将其尝试用在工业现场控制领域中。

CCC采用了故障式策略运行，能够持续监测各个输入流程的实效性，检出输入故障问题时，系统会智能将其忽略，在发出报警信号的同时，切调到故障策略模式上，进一步提升压缩机组的可用性。

2.2 调速控制器（SIC）

SIC能参照预设的升速曲线智能执行汽轮机暖机功能，不会触碰轴系临界转速，在机组常态运转时能精准的调控机组的转速。SIC接收由3路转速探头监测到的转速信号，经3取2逻辑后作为机组的系统转速，将其和内部转速设计值进行比较分析，放大器处理后传输出流量范围在4～20 mA的电子信号。以上过程中形成的电子信号会被转型成二次油压信号，而后油压信号利用进汽阀的张开度，实现对压缩机组运行速度的精确调控。

2.3 抽汽控制器（PIC）

本课题研究中设定经整改后的汽轮机是抽汽式汽轮机。PIC把抽汽压力的目標设计值和当场反馈的抽汽压力信号经测算后能传输出控制信号，调控抽汽调阀门的张开度，进而调控汽轮机的抽汽压力值。

2.4 防喘振控制器（LIC）

如果压缩机内的气体流量降低时，伴随旋转失速的生成与发展过程，会形成一种失稳工况，压缩机组的气体流量、排气压力周期、频率明显改变时，将会造成机器本体出现强烈振动，以上表现被叫作压缩机的喘振。

防喘振技术是控制系统的核心。传统防喘振器应用阶段需要指派人工前往现场测试检测压缩机上的数个喘振点，参照监测结果，采用折线仿真模拟现实的压缩机运转曲线。其控制准确度不足，经常会使防喘振回流阀过早或过迟启动，不仅会耗损掉大量能量，还可能滋生扰动工艺流程的问题，特殊工况下还会滋生出安全隐患。

利用LIC自带的喘振与调控算法，能够智能检测出实际喘振曲线，并完成相应的测算工作，借此方式确保了压缩机组回流阀开启的时效性、精准性，规避了既往因检测或者操作不规范而引起的安全风险问题。防喘振控制算法的控制功能框架见图1。

（1）PID控制响应。针对缓慢且微小的扰动因素，LIC的PID控制相应可智能使运转点位进入至喘振控制线的安全区域。利用LIC的比例积分控制算法，能依据操作点位和LIC两者的间距生成相应的积分响应，防控机组运行点返回至LIC的危险区中。并且其输送出的微分响应有扩增防喘振控制算法安全裕量的功能。在这样的工况下，当运行点朝向喘振方向偏移，但是能确定其没有形成实质的喘振危险，便不会自动开启防喘振回流阀。只有当运行点处在或者临近防喘振控制线时，会应用拓展安全裕度来的方式提高大压缩机的流量值。机组在这样的运行状态下，对于常规的扰动因素，机组并不会屡次启动防喘振回流阀门，一方面能较好的维持了工艺程序的稳定，也能规避发生喘振情况。

（2）迅速重复阶跃响应RTL。在面对较快速、规模较大的扰动因素时，如果LIC的比例积分及微分响应无法将机组运行点为维持在喘振控制线的安全区域，霎那间越到了危险区，LIC便会快速传送出RTL操作信号，指控执行机构快速开启防喘振的回流阀门，快速增加压缩机的流量，防控机组出现喘振情况。

（3）解耦控制。如果压缩机组步入至喘振调节模式并且有增加流量的现实需求，部分工况下也会有同时降低流量的需求。以上这2个控制回路存在着互为反作用的关系，操作稍有不规范，便会增加整个系统失稳的风险。常规防喘振器是一个运行状态独立的回路，和其他控制回路之间无法实现信息资源共享。如果采用LIC的性能控制及喘振控制算法，那么会将各自的输出信号智能加权至对方的控制响应内，进而达到解耦调控，明显提升了2个控制回路运转状态的协调性，快速恢复压缩机组稳定运转状态。

2.5 应急停机维护系统

本课题设计出的该维护系统内，硬件是硬冗余的S7 400H PLC，电源、CPU以及I/O卡件的通信功能统一应用考虑冗余布置。系统的功能主要是防控压缩机组内部分设备运转状态失常而引起严重的损坏事故。在机组投运阶段，维护系统能实现在线检测所有设计的停机信号。一旦机组转速、轴体振动等信号超出限定值时，便会将停机信号输进停机电磁阀中，快速断离主蒸汽的动力来源，实现应急停机。检测机组的动作转速时，本系统会把硬操盘上超速试验钥匙开关安放在“试验位”，试验允许灯亮;就地选择适宜的试验飞锤;设计目标转速3360 r/min，机组转速逐步提升，飞锤击出，机组随即开闸;把钥匙开关安放在“正常”位，开展机组超速试验阶段，DEH超速保护的动作转速自动调整程3390 r/min，转速超出以上限值时，DEH便会传送出开闸命令，将其用作后备保护。另外，本系统还能利用高速数字量采集卡片，完成记录下机组的停机事件，进而更好地满足异常事件顺序记录的现实需求，便于技术人员更快速、精准地判别停机事件的成因。

2.6 轴系监测

本文系统应用BENTLY Nevada 3500系列，功能主要是监测机组轴系的移位、振动等情况。BENTLY Nevada 3500内置3500框架、电源与接口模块、3500/42模块及继电器等。其中，2块3500/32继电器将开关量输送到ESD内实现停机保护;1块3500/93通信模块协助操作员站基于网络通信过程访问轴系监测到的数据信息为主。

2.7 工程师站/操作员站

站台上布置了压缩机组的主控制面、应急停机维护面、轴系移动振动数据面等。在网络数据通信技术的协助下，机组操作人员能够在工程师站/操作员站上利用计算机荧屏上画面的呈现情况，全面监视机组的运行状态，有针对性地进行操控。

3 实践应用

将本课题改造设计出的机械式控制系统用于合成气汽轮压缩机组内。观察本机组的现实运转情况，发现控制系统的控制精准性地达到了美国MEMASM标准内的D级。控制系统的响应、动作时间分别提升至毫秒级、秒级，从根本上规避了人工操作偏差引起的安全风险。控制系统利用网络顺利实现数字化通信与信息资源共享，自动记录了所有重要的运转参数信息。

4 结束语

在各种现代电子设备的协助下，改造旧式控制系统，明显提升了系统响应的时效性和调节过程的敏捷性，并将磨损卡涩等不良现象的发生率降至最低。控制系统现代化改造后所创造出的经济效益，对改造阶段所需的投资起到一定补偿作用。实践表明，本文研发出的控制系统是成功的，希望能为后续阶段大规模进行该方面的改造、升级工作提供一定理论支持。

参考文献

[1] 焦丹丹，李大尉，何冬青，等.压缩机自动化及测控技术研究[J].黑龙江科学，2021，12（6）：96-97.

[2] 宋涛.空压机励磁柜供电系统的改造[J].电世界，2021，62（3）：28-29.

[3] 李丽娜，于亮.往复活塞式压缩机活塞杆温度高故障分析及改造[J].压缩机技术，2021（1）：53-56.

[4] 张雁超.丙烯制冷压缩机干气密封气源存在的问题与对策[J].化学工程与装备，2021（2）：163-164.

[5] 卢向银，李振光，李俊刚，等.铝镁合金瓦在往复式压缩机中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2021（3）：100-101，104.

[6] 张宇.空气压缩机变频节能的研究与应用[J].矿业装备，2021（1）：142-143.

[7] 赵小芳.40萬t/a CO2汽提法尿素装置节电技改措施研究应用[J].氮肥与合成气，2021，49（2）：24-26，41.