一键启停系统控制汽拖式压缩机

郑永义

（国家能源集团煤焦化有限责任公司，内蒙古乌海 016040）

国家能源集团煤焦化西来峰分公司西来峰甲醇厂空压机H1037防喘振控制自开工以来，防喘振回路一直在手动控制状态，升速系统为505控制，操作复杂，严重影响机组安全运行，能耗大。介于目前状况，现改造为CCC 一键启停机组控制系统，并利用2021年10月份大检修时完成改造，以达到全自动控制，稳定工艺目标，实现节能降耗目标。

1 目前DCS存在问题

（1）甲醇厂使用的DCS 为德国ABB 的AC900F，该系统可以实现模拟量显示、开关量显示、模拟量控制、开关量控制、逻辑控制、联锁控制；但是制作不了防喘振曲线，实现不了入口压力、出口压力、出口流量控制，也就保护不了机组的安全运行。

（2）由于出口放空阀开度较大，为了达到出口压力设定值，汽轮机经常满负荷运行，主汽门开度经常在100%。当蒸汽压力和温度下降时，汽轮机转速即发生下降，操作人员需要及时关小放空阀来稳定出口压力，操作难度大，如果放空阀关闭过多，容易使压缩机发生喘振。

（3）放空阀开度大，机组机做功大。

（4）目前压缩机入口导叶为手动调节，自动化程度低，在操作中容易出现操作失误现象或工艺波动时操作不及时，造成压缩机波动。容易对设备本身造成损害（如干气密封等），维修费用高等。

（5）Woodward 505 调速器自动化程度较低，无法实现压缩机的全自动暖机升速、一键启停等功能，操作繁琐。

2 汽拖式压缩机改造策略

用一套专业的机组控制系统进行改造，达到全自动控制，稳定工艺目标，真正实现黑屏操作重新计算并设定防喘振控制线。

现场实测喘振线，设定各控制回路的解耦协调控制，POC 控制和RT 控制，从而实施安全、高效的防喘振及性能控制。

需要将参与压缩机组的压力控制、防喘振控制所需要的空压机入口压力、入口温度、出口压力、出口温度、出口流量等信号接入CCC 一键启停系统，输出通过控制器、卡件、安全栅接到HV10016放空阀、FV10015防喘振阀、电液转换器和入口导叶定位器。

3 空分汽拖式压缩机控制改造方案

本次改造涉及的控制回路包括：防喘振控制回路、入口压力控制回路、出口压力控制回路、转速控制回路以及超速试验回路。

在机组启动过程中，导叶在最小位置，防喘振阀门在全开位置。在空压机达到工作转速区域时，防喘振控制器投入运行，自动关小防喘振阀门；同时压力控制器通过分程调节导叶和转速，实现空压机出口流量的自动控制。

3.1 控制方面改造内容

（1）空分机柜间安装一个防喘振控制机柜。

（2）空分操作室安装工程师站1台，甲醇中控操作室安装操作员站1台。

（3）DCS 空压机入口压力、入口温度、出口温度、出口压力、出口流量信号通过一拖二安全栅接入防喘振控制机柜。

（4）505控制器转速信号，电液转换器控制信号接入防喘振控制机柜，由CCC 系统控制。

（5）防喘振控制阀HV10015、HV10016 及导叶PV10010由DCS 控制改为CCC 系统控制。

（6）DCS 联锁信号、允许启动信号、防喘振电磁阀状态信号送CCC 控制系统，CCC 系统机组喘振信号送DCS 报警，CCC 系统停车信号送DCS。

（7）通过CCC 控制系统实现空压机防喘振控制功能。

3.2 现场方面改造内容

修改入口压力PT10010、出口压力PT10015、出口流量FT10015变送器阻尼时间，提高仪表响应速度；HV10016防喘振阀动作缓慢，现场进行改造，在进气缸入口处增加快排阀一个，提高阀门动作速度。

4 防喘振控制系统功能

一键启停控制系统提供了一种多用途、紧凑和经济的手段对汽轮机的转速进行精确的控制，防止超速损坏并实施自动开车和停车程序。对于抽汽式汽轮机转速控制，还可以同抽汽控制相结合以协调功率和抽汽流量或者压力。对汽轮机驱动的压缩机来说，CCC转速控制可以同防喘振控制和性能控制相结合，对整个机组实施全机组控制，并且转速控制的输出信号同上述控制的输出信号直接解耦，因而可以对整个机组实施更加精确的控制和有效的保护。

转速控制主要功能概述：

（1）有效转速范围（Valid Speed Range）能够可靠测量的转速范围。

（2）转速控制范围（Speed Control Range）能够应用闭环转速控制的范围。

（3）正常操作范围（Normal Operating Range）满足工艺要求的正常操作的转速范围。

（4）临界转速范围（Critical Speed Range）透平发生振动停止操作的转速范围。

（5）空载和额定转速（Idle and Rated Speed）自动顺序开始调节透平的起始转速。

（6）当地远程和串级设定值之间的平滑切换。

（7）串级/约束控制用于调节所驱动设备的负荷，可用辅助控制回路限制驱动设备的负荷或其他工艺参数。

（8）与抽汽控制之间的完全集成。

（9）发电机控制自动同期Droop 控制断路器开路保护防止透平转速飞升。

（10）快速PID 控制算法。

（11）临界转速避免。

（12）超速保护与测试。

（13）启动与停机顺序。

（14）自动与手动操作。

（15）高电流输出几乎适应任意的控制阀提供多重回路测试选项，包括阀门定位控制回路。

5 控制系统经济性评估

CCC 一键启停冗余控制系统允许压缩机在更靠近机械、工艺限制区域内安全运行。此安全操作区域由压缩机喘振线和限制变量（如与工艺有关的限制变量，包括最大出口压力、最小入口压力等）。CCC 公司Prodigy 冗余控制系统也允许实现自动的启机、停机操作，并且能够优化压缩机和工艺操作。

空压机H1037通过减少回流量达到节能效果，依据得到的压缩机性能曲线、数据表及空压机的运行数据（表1），进行了初步计算。

表1 H1037运行数据

根据H1037性能曲线及当前运行数据，用坐标系绘制喘振曲线及运行点，横坐标为简化流量，纵坐标是压比，如图1所示。

曲线为理论喘振线，圆圈o 代表空压机运行点（未画出喘振控制线）。

由计算得出的图可看出，当前运行点离理论喘振线有距离，而且理论喘振线往往在实际喘振线的右侧，因此，当完成喘振测试后，存在关小防喘振阀门开度的可能性。根据CCC 以往的工程经验，节约蒸汽量不低于当前蒸汽耗量的5%。

6 一键启停控制系统创新点

（1）CCC 控制系统完全实现原有505控制器所有功能，操作简单方便，只要机组允许启动信号具备条件，操作人员将DCS 防喘振电磁阀得电，然后点击CCC 控制系统操作站画面转速控制器面板上的正常启动按钮，就可实现机组自动启动功能。

（2）在启动过程中出现意外情况，可以转为手动升速功能，继续升速；机组达到额定转速后，转速控制器SIC-10061投入自动，入口导叶控制器PIC-10010投入自动，防喘振控制器FIC-10015投入自动，防喘振控制阀根据负荷大小开始慢慢关闭，生产正常后全部关闭，以后操作人员无需再对防喘控制阀进行操作，减轻了工作量。

（3）该系统维护方便，控制机柜内所有硬件全部为双冗余，无需维护。维修入口压力、入口温度、出口压力、出口温度、出口流量仪表时，只需将防喘振控制器切换到手动和硬手动操作就可以进行，不影响整个机组的运行。

（4）该系统超速保护试验简单方便，当机组达到额定转速以后，允许进行超速保护试验，点击超速试验，开始升速，当达到电子跳闸时，机组不停车，只报警，达到机械跳闸前后100转左右，如果机组还不停车，自动发出命令停车。

7 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

目前国内外大部分工厂使用离心机的压缩机，为保护压缩机都有不同的压缩机控制系统，国内使用的比较好的有和利时的汽轮机控制系统，国外有名的是康吉森、西门子、CCC 防喘振控制系统，相对比而言，美国CCC 和康吉森控制系统使用比较多，而且相对稳定。美国CCC 防喘振系统冗余功能和稳定性更优越于康吉森控制系统，价格比其他系统高，操作简单方便，应用成功案例多。具体比较如下。

（1）CCC 防喘振控制系统硬件体积小，安装方便，其他系统硬件体积大，不便于在线安装。

（2）CCC 防喘振控制系统硬件结构简单，现场来的信号通过安全栅和继电器就可以直接到达卡件，其他系统需要经过中间端子板，通信电缆到达卡件，而且出现故障不好检查。

（3）CCC 防喘振控制系统软件安装简单，不需要授权，计算机带有两块硬盘，一块损坏不影响操作；其他系统软件分上位机和下位机软件，安装完毕后需要硬件授权才能工作。

（4）CCC 防喘振控制系统软件组态方便，容易易学，基本上是填表格实现；其他系统采用功能块进行组态，遇到复杂的控制逻辑，极不方便。

（5）CCC 防喘振控制系统控制回路投入自动方便，只要设好控制规律参数，就可投入；其他系统大部分处于手动状态，不能实现自动。

8 使用效果及带来的效益：

通过防喘振控制系统改造，脱离了工艺人员在加减量及紧急情况下频繁操作防喘振控制阀，实现中控室自动控制负荷功能，控制系统完全实现原有505控制器所有功能，操作简单方便，为下一步机组控制系统实现黑屏操作奠定了基础。

直接经济效益：经统计，节约中压蒸汽2～3 t/h，按市场最低价170 元/t 蒸汽计算，减去装置大检修30 d，全年节资2.5×24×335×170=341 万元；每小时节约压缩空气1 500 m3，按市场最低价0.01 元/m3计算，全年节资1 500×24×335×0.01=12 万元；保守总计节省费用约为353万元/a，达到了节能降耗的目的。

间接经济效益：为甲醇厂降本增效起到了重要作用，同时减少了放空噪声污染，减轻了工人的劳动强度，减少了仪表人员的维护工作量，实现了空压机自动控制功能。

9 结束语

目前西来峰分公司甲醇厂空分装置空压机控制使用美国CCC 防喘振控制系统，系统从2020年6月投运以后，系统运行稳定，无任何故障，开停车方便，防喘振控制阀、导叶、调速阀一直处于自动状态，操作人员无需任何操作，减轻了劳动强度，节约了中压蒸汽和空气，为甲醇厂起到了降本增效的作用；介于空压机CCC 一键启停控制系统成功使用情况，其他煤化工同类型企业压缩机控制系统可以考虑使用CCC 防喘振控制系统。