TS3000系统在催化主风机防喘振控制中的应用研究

袁国利

(北京交通大学电气工程学院，北京 100044)

0 引言

中国石化武汉分公司催化裂化装置两机系统由主风机和富气压缩机组成。其中主风机为三台离心式压缩机，1#机组为电机拖动，2#机组为烟气轮机拖动，3#机组为蒸汽透平驱动，控制系统为TRICONEX公司的TS3000系统，由此实现所有机组的调速控制、防喘振控制、状态监测以及机组ESD紧急停车系统。

1 防喘振系统配置及其原理

TS3000系统是TRICONEX公司的ITCC(透平－压缩机综合控制系统)系统，实现机组控制和状态监测。主控制器为Tricon控制器，该系统为TMR三重化冗余模件。每一个I/O模件内都包容有三个独立的分电路，输入模件上的每一分电路读取过程数据并将这些信息传送给相应的主处理器。三个主处理器通过一个专用的TriBus高速总线系统通讯。三重化冗余保证了设备的容错能力，并且能在原部件出现硬件故障或者来自内、外部瞬态故障的情况下提供完好的不间断控制，因此系统具有很高的可靠性和稳定性。TMR三冗余原理如图1所示:

1.1 TRICON系统的特点

图1 控制器的三重化结构

该系统是一种具有高容错能力的可编程控制器及过程控制技术。系统由三个完全相同的系统通道组成(电源模件除外，该模件是双重冗余的)。每个系统通道独立地执行控制程序，并与其它两个通道并行工作。硬件表决机制则对所有来自现场的数字式输入和输出进行表决和诊断。模拟输入则进行取中值的处理。因为每一个分电路都是和其它两个隔离的，任一分电路内的任何一个故障都不会传递给其它两个分电路。对于各个分电路、各模件和各功能电路的诊断工作能够及时地探查到运行中的故障，并进行指示或报警。诊断还可以把有关故障的信息存储在系统变量内。在发现有故障时，操作员可以利用诊断信息以修改控制动作，或者指导其维护过程。因为此三重系统工作起来和一个控制系统一样。用户将传感器或执行机构连接到一路接线端上，并且应用一组逻辑为Tricon编程。其余的事都由Tricon自行管理。维修工作，包括拆卸和更换有分电路故障的故障模件都可以在线情况下进行，而不中断过程控制。(在有热备卡件的情况下，并确认热备卡件处于工作状态，方可进行)。

1.2 系统软件组成

系统编程软件Tristation1131，利用功能块FBD语言编写程序。通过编制相应的程序完成模拟量处理运算、顺序控制逻辑、控制算法等任务。上位监控软件为INTOUCH，实现现场采集的数据的显示、监控功能，实现对现场执行机构的操作。1131通过DDE(Dynamic Data Exchange)程序，实现与上位监控软件的数据连接。

2 压缩机防喘振控制方案

由于离心压缩机本身固有的特性，当压缩机的入口流量小于某一流量 Qmin时，压缩机气体流量和排气压力发生周期性地低频率、大振幅地波动，引起机器的强烈振动，这种现象即压缩机的喘振。伴随喘振而来的是压缩机振动剧烈上升并伴有巨大异常响声，如果不能有效采取控制措施会对压缩机造成严重的损伤。压缩机喘振除和压缩机本身特性有关外还与压缩机管网特性有一定关系。喘振工况的发生非常迅速，因而需要精确、快速的控制算法才能实现有效的控制。

图2 压缩机喘振过程示意图

2.1 防喘振控制几种方法

防止压缩机喘振采取的方法称为防喘振控制。在给定的入口温度和压力下，通过试验可得到压缩机流量与压比以及流量与效率的关系，进而可绘出压缩机的性能曲线。目前现场工业应用一般采用两种防喘振控制方法，就是固定极限流量法与可变极限流量法。都是通过先确定压缩机的喘振点，当压缩机运行至喘振点时打开回流阀或者放空阀增大压缩机入口流量减小，压缩机出口压力，消除喘振。这里讨论催化主风机的控制，由于风机不存在物料回收利用、节能问题，因此，防喘振控制不采用压缩机出口回流入口的方式，而是采用防喘振阀直接放空的方式进行防喘振控制。

固定极限流量法是压缩机的流量始终保持大于最大转速下喘振点的流量值 Q极，当流量小于 Q极时，防喘振阀门打开。但是它在转速降低，压缩机处于低负荷运行时，极限流量的裕量过大会造成能量浪费大，优点是实现简单，目前实际应用中已很少用到。可变极限流量法，压缩机的负荷随着转速的变化而发生变化，在不同转速下，喘振流量为不同值。防喘振控制方程为:

为了防止喘振的发生，必须使

根据体积流量与入口孔板差压的关系可以得出:

式中:Ps为压缩机入口压力 (绝压);Pd为压缩机出口压力 (绝压);Ts为压缩机入口压力;a、b压缩机性能相关参数，k为气体绝热指数;hs为压缩机入口流量差压值;QV为压缩机入口流量;K为压缩机入口测量装置流量系数;ρs为压缩机入口气体密度。

2.2 通用性能曲线控制法

通用性能曲线控制法原理(略)。

3 TS3000防喘振控制分析

随着技术的不断进步各种工业控制器也得到了迅速的发展，具备了更强大的数据处理能力和更加丰富的功能。使得比较复杂的控制理论能够转化为实际工程方案。大量优秀的 PLC、DCS的出现使防喘振控制的实现更加简单、精确适用。TRICONEX的TS3000系统压缩机防喘振控制，采用专用的控制功能模块，用于压缩机喘振曲线的绘制，压缩机操作点的计算、压缩机安全裕度的计算与调整。控制器根据压缩机入口流量、入口压力、出口压力三参数动态防喘振控制算法进行压缩机防喘振控制，这种方法不会因进气的温度，压力，分子量等的变化而对喘振控制产生影响。

3.1 喘振点的确定和喘振线的绘制

TS3000系统利用TRICON防喘振扩展函数功能模块库SGB400中的功能块来完成主风机的防喘振控制。先利用HC_1_02流量计算模块计算流量测量装置位于压缩机入口的压缩机操作点。其要满足如下等式:

这里 H_pct为以百分数表示的孔板入口差压，Pfob为孔板设计基本压力，Ps为压缩机入口压力，Ps_abs_cor测量压力转化为绝对压力的修正值，Psb为压缩机设计基准压力(绝压)。利用该模块只要将各个具体参数引入功能块的输入端即可以计算出压缩机的实际操作点。SRG_LINE功能块，这个功能块用于确定基于压力比(出口与入口绝对压力之比)的喘振点，根据压比和不同的喘振流量点组成的五段线确定压缩机的喘振线。如图3所示:

Hc功能块计算出的实际工作点与SRG_LINE功能块处理输出的喘振点相乘得出当前工作点的裕度，喘振点与速度控制器设定的HOVER值相加即得出盘旋点。程序如图4所示:

REACAL02功能块用于当喘振发生时重新调整安全裕度，SAFETY_MAR功能块用于计算操作安全裕度，调整后的安全裕度与操作安全裕度相加即可以得到整个安全裕度，由此可以画出喘振控制线和调整后的喘振控制线。

图3(a) 压缩机喘振线

图3(b) 压缩机安全裕度与喘振控制线

图4 工作点裕度及盘旋点计算程序

3.2 防喘振控制

防喘振控制程序框图如图5所示。主要由如下几个功能块构成:PID_SRG2功能块为喘振PID控制器，控制器为反作用方式，其设定值是速度控制器设定的盘旋(HOVER)值，测量值是压缩机当前工作点的裕度，比例和积分项分别以两个ADPTV_TN1_02自适应调整模块作为输入，通过该模块适时对比例和积分系数进行调整，使控制更加及时有效。喘振PID控制器的输出作为阀位选择程序的一个输入，实现下面的阀位选择输出功能。

图5 防喘振PID控制程序

阀位选择程序流程如图6所示，主要实现以下几种功能:阀位高选功能，即手动给定值和自动给定值比较，程序选择高信号作为输出，确保防喘振阀在较大开度，防止喘振的发生;比例功能，系统中有一个独立的比例项，自动方式下与PID控制高选输出，它可强制防喘振阀打开，其作用与常规PI调节器之间相互独立，当操作点工作在喘振控制线左侧时，比例项在喘振控制线左侧的某一设定区域内开始打开防喘振阀。本系统设置为0.7(即喘振线与防喘振线之间距离为0～100%，当工作点距离喘振线70%时防喘振阀开始打开，当工作点到喘振线时比例输出为100%，防喘振阀全开);快开慢关功能，设定最大开阀速率75%，最大关阀速率2%，确保喘振发生时防喘振阀迅速打开，慢关特性用于防止阀门关闭过快过大引起压缩机喘振。同时该功能程序还实现有喘振PID输出标志、喘振越过喘振线输出标志、喘振比例项输出标志、手动输出标志状态，这些标志状态在上位机显示，可以使操作人员及时发现防喘振控制的运行情况。

同时还利用两个SEL选择模块，实现如下功能:当主风机联锁发生跳车时，选择模块选择输出100%使主风机防喘振阀全开，主风机放空阀打开，减小主风机出口压力，消除喘振;再通过一个SEL选择模块实现防喘振阀的手动测试功能，一般在主风机正常运行期间该功能是不能投用的，只有在停车期间通过手动测试阀的性能。

4 结束语

本项目以TS3000为基本控制单元，采用Tricon控制器，实现催化两机调速控制、状态监测、机组防喘振控制以及机组设备控制和整个催化主风机和富气压缩机组ESD功能。有良好的可靠性，可避免由于系统单点故障引起的停机，丰富的功能模块，可实现复杂算法和具有强大的控制功能。机组各部分采用同一系统有很好的协调性，优良的操作界面，同时可以和DCS通讯，实现数据的共享。单对机组防喘振控制而言，能够很好的预测喘振的发生，适时的调整喘振控制线和喘振操作点，当喘振发生时通过程序及时采取措施使防喘振阀动作，可有效的避免机组喘振的发生，防止机组在恶劣工况下运行。该系统运行至今机组未发生过非计划非人为停工，运行状况良好。操作和维护简单，有很好的可靠性，取得了很好的经济效益，机组长期安全稳定运行的保证。

图6 阀位选择程序流程图

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