CCC控制系统在空分3TY压缩机上的应用

赵丽云

（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南开远 661699）

·经验交流·

CCC控制系统在空分3TY压缩机上的应用

赵丽云

（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南开远 661699）

介绍了CCC控制系统软、硬件的构成；通过对喘振线的确定方法以及控制系统的基本控制功能和特殊响应等情况的分析和介绍，阐述了CCC控制系统的控制功能和控制效果。

CCC控制系统；空分；3TY压缩机；喘振

解化化工分公司空分3TY压缩机选用30000 m3／h空气透平压缩机组，该机组为单轴型离心式压缩机，它由凝汽式汽轮机驱动。离心式压缩机具有输气量大，易损部件少，运转平稳，可利用工艺废热产生的蒸汽作动力等许多优点，但离心式压缩机如果控制不好，在某些状况下运行就会发生喘振。喘振使机组强烈振动，严重时可使密封损坏，甚至会使轴瓦、叶轮乃至整个机组损坏。为了使机组安全高效地运行，选用美国压缩机控制公司的CCC控制系统对机组进行控制，它可以提高压缩机工作效益，同时，可减少甚至消除喘振事故的发生，还可以延长机组的使用寿命，降低生产成本。

1 3TY压缩机组工艺流程简介

3TY压缩机组利用3．0 MPa过热蒸汽驱动NH32／02凝汽式汽轮机做功，为离心式压缩机提供动力。压缩机转子叶轮因旋转所产生的离心力使空气得到动能，经扩压管将动能转化为压力，使空气压力得到提高。

1.1 空气流程

空气进入自洁式空气过滤器除去机械杂质、灰尘后，经导叶装置进入压缩机低压缸。一级压缩后进入一级中间冷却器降温，接着，进入二级压缩及二级中间冷却器降温；然后，进入三、四级压缩，接着，进入三级中间冷却器降温；再然后，进入五、六级压缩及四级中间冷却器降温；最后，进入七、八级压缩，使空气压力达到2．41 MPa，温度＜130℃。经出口阀和止逆阀送到净化转化岗位，富余部分空气减压至0．55 MPa，送2＃、3＃空分生产氧气、氮气［1］。

1.2 蒸汽流程

过热蒸汽来自中压蒸汽管网，经过速关节流阀（2301）、调节汽阀（SV－6801）进入汽轮机做功。做功后的乏汽进入蒸汽冷凝器，与列管内循环冷却水换热，变为凝结水。经冷凝液泵加压进入射汽抽汽器，换热后送至凝结水管网［1］。

2 控制系统的软、硬件构成

CCC控制系统是实时、多任务、开放式系统，采用先进的安全型CPCI总线构架、双重化冗余容错的硬件体系。CCC控制系统的供电采用双电源，其中：交流供电系统加装了两个浪涌保护器，以提高交流电源的质量；直流供电系统对数字量输入回路、数字量输出回路、超速保护系统供电回路、控制器供电回路、隔离器供电回路单独供电，而且每个回路都是双电源供电，中间用二极管隔离，以确保两路供电互不干扰。CCC控制系统主要硬件由一台双冗余控制器（Reliant）、一套超速保护系统（Guardian）和一台操作站组成。其主要软件由透平机械控制运用软件、工程师组态维护软件和人机界面软件等软件包组成。应用软件包中包括防喘振控制、速度控制和性能控制3个模块，分别实现喘振控制、转速控制及性能控制。如图1所示。

图1 控制器Figure 1 Controller

2.1 喘振控制

喘振控制器（UZ－6010）是通过对压缩机入口空气压力、入口空气温度、出口空气压力、出口空气温度、出口空气流量等参数的检测，并进行内部运算后，得出代表压缩机运行状态的运行点（OP）。运行点与通过喘振实验得出的喘振线（SLL）进行比较得到偏差信号（DEV），并在喘振控制器中完成比例、积分、微分响应后，输出一个信号控制放空阀（V6004），从而避免喘振事故的发生。

2.2 转速控制

转速控制器（SIC－6310）是将两个转速测量探头测得的转速信号送入控制器中作为测量值（PV）并与控制器的设定值（或性能控制器输出1）进行比较，然后，输出信号控制调速阀（V6801）对汽轮机入口蒸汽量进行调节，实现转速控制。

2.3 性能控制

在性能控制器（PIC－6010）中，通过软件组态将喘振控制线（SLL）向右移一个安全裕度（b），形成一条性能控制线（SCL），如图2所示。

压缩机运行点与性能控制线比较后改变控制输出，确保压缩机工作在性能控制线上。性能控制器（PIC－6010）有两个控制输出（输出1和输出2）。输出2控制导叶开度，当输出2 为0～8%时，对应导叶开度为30°；当输出2 在8%～90%时，对应导叶开度为30°～90°；当输出2为90%～100%时，对应导叶开度为90°。输出1为转速控制，当输出1为0～100%时，对应转速设定为5500～5700 r／min。当转速控制器工作在性能设定状态时，性能控制器的输出1直接作为转速控制器的给定信号。通过转速控制器控制转速，使整个机组工作在高性能状态。

图2 性能曲线图Figure 2 Performance curves

2.4 超速保护系统

超速保护系统通过3个转速探头的信号值，实现3选2控制。3个转速信号中，若有两个信号超过设定值，就发出跳车信号，这样，既保证了机组的安全，又避免了因某一转速测量探头故障而造成的误动作。

2.5 操作站

操作站上完成了控制系统（风机系统图、空压机I／O表）、趋势、性能曲线图、事件、报警、控制器、打印屏幕等界面显示，为操作人员提供了必要的操作、监视和控制画面。

3 CCC控制系统亮点分析

控制系统的关键是喘振线的确定以及压缩机运行点的运算程序。如果喘振线或运行点不准确，将影响控制质量，甚至造成误跳车。CCC控制系统对压缩机多项参数进行分析控制，具有特殊的控制响应，使压缩机安全、稳定、高效地运行。

3.1 喘振线的确定

喘振线是CCC工程师现场测试后计算出来的。用1台计算机与控制系统相连，在压缩机入口导叶开度保持不变时，缓慢关小放空阀，使运行点接近喘振线。检测到初始喘振时，用快速记录软件记录压缩机参数（此时防喘振控制器中设定的阶梯响应（RT）功能会快速打开放空阀，使压缩机快速远离喘振状态），此时记录的初始喘振点就是这一导叶开度对应的喘振点。改变导叶开度进行另一点的喘振实验。在透平机导叶全行程范围内进行3点以上喘振实验。根据喘振点，描绘出压缩机实际的喘振线，并通过人为模拟工艺过程的扰动对防喘振控制系统进行精调。实验完成后，CCC现场服务工程师计算出实际的喘振线，并输入到防喘振控制器中，形成喘振线（SLL）［2］。如图3所示。

图3 喘振控制曲线图Figure 3 Surge control graph

3.2 基本控制功能

把空压机运行点与喘振线之间的关系用喘振接近度（S）变量表示。S是压缩机喘振线上喘振点与坐标原点连线的斜率和压缩机运行点与坐标原点连线的斜率之比。

S约等于喘振流量与实际流量之比，即：S＝Q喘振／Q实际。当S＝1时，运行点在喘振线上；当S＞1时，实际流量小于喘振流量，压缩机发生喘振；当S＜1时，实际流量大于喘振流量，压缩机不会喘振。

要防止压缩机发生喘振，必须在运行点到达喘振线之前就开始动作，即增加压缩机的流量。CCC控制系统开发了一个性能控制功能，即将喘振线右移一个安全裕度（b），形成一条喘振控制线，也称性能控制线（SCL）。安全裕度（b）的值可用下列公式计算［3－4］。

式中：b为安全裕度，是SCL与SLL之间的距离；b1为初始安全裕度，是SCL与SLL之间的最小距离；b2为安全响应偏值，即每次探测到喘振时，SCL右移的距离；n为喘振次数累积值；b3为微分响应系数；Td0×dS／dt为喘振接近度S的微分作用。

压缩机运行点在性能控制线上是压缩机的最佳工作状态，此时：运行点与性能控线之间的距离，即偏差（DEV）为0。偏差的数学表达式为：DEV＝1－bf4（Z）－S。当运行点在压缩机性能控制线上时DEV＝0，此时性能控制器输出不变；当工艺出现扰动，至使运行点移到性能控制线左侧时，DEV＜0，性能控制器将根据DEV值的大小打开导叶阀，增加出口流量，使运行点右移，同时喘振控制器将根据S的大小调整防喘振控制阀，使运行点回到性能控制线上；当运行点在性能控制线的右侧时，DEV＞0，此时在性能控制器和喘振控制器的作用下，朝相反方向调整导叶阀和防喘振阀，保证运行点工作在性能控制线上［3－4］。

如果工艺扰动较大，使比例积分（PI）和特殊微分（D）响应不足以消除干扰，CCC控制系统的阶梯响应功能可以快速调整防喘振阀，防止喘振。阶梯响应线位于性能控制线与喘振线之间，它与性能控制线之间的距离为RT。其数学表达式为：

式中：C1为最大阶梯响应；Td1为阶梯响应时间常数；dS／dt为运行点的变化率；C0为阶梯响应增益；DEVRT为阶梯响应偏差［3－4］。

3.3 特殊响应功能

CCC控制系统具有完善的控制保护功能，控制系统中喘振线、性能控制线、阶梯响应线等曲线是动态指标，机组发生喘振时，曲线会自动右移，以确保机组的安全运行。除图3中的喘振线（SLL）、性能控制线（SCL）、阶梯响应线（RTL）外，还有自增益响应线（SOL）、阀门紧关线（TSL）等响应线。SOL线位于SLL左侧，TSL位于SCL右侧，共有4个响应以完成机组的控制和保护。

3.3.1 PI控制响应

当系统出现较小较平缓的扰动时，运行点缓慢越到性能控制线的左侧，PI响应开始动作：将回流阀打开，直至运行点回到性能控制线上，防喘振阀关死。PI响应对于轻微工艺扰动能够给以足够的保护和控制［5］。

3.3.2 阶梯（RT）响应

当出现较快的工艺扰动，且PI响应不足以消除时，造成运行点越过RTL线。此时，RT开始动作：快速打开防喘振阀，使运行点右移，从而避免喘振的发生［5］。

3.3.3 SOL自增益响应

在机组发生喘振，运行点越过自增益响应线SOL时，性能控制线和RT响应线自动向右移动：增加安全裕度，保护机组。在查明原因后可以手动复位，各曲线恢复原位［5］。

3.3.4 TSL线响应

当运行点在阀门紧关线（TSL）右侧时，喘振控制器输出为零，防喘振阀完全关闭；当运行点位于阀门紧关线左侧、性能控制线右侧时，喘振控制器输出一固定数值，防喘振阀保持一定开度。这一提前开启量能够消除防喘振控制响应的死区时间，同时又防止因阀门内部卡滞而造成的影响，提高防喘振保护的能力和速度［5］。

4 应用效果

CCC控制系统是国际上成功应用于旋转设备的控制系统，它减少甚至消除了喘振、超速及相关危害事故的发生；既可延长机组的使用寿命，降低了生产成本，又提高了压缩机的工作效率。CCC控制系统使机组在任何状态下不发生喘振，保护了机组的安全，同时，也在低负荷下节省了动力蒸汽。使用CCC控制系统后，开车、停车实现了全自动完成，既提高了压缩机组运行的可靠性，又降低了劳动强度。CCC控制系统从2009年1月投运，到现在4年多的时间里，运行安全、稳定，转速波动不超过3 r／min。CCC控制系统增强了设备和工艺的运行效率，减少了回流量、放空量，优化了压缩机的运行，避免了各种原因引起的跳车事故。

［1］解化化工分公司空分组．Q／JH J3．SCB015－2010空分压缩机岗位工艺操作法［M］．云南：解化化工分公司，2010．

［2］美国压缩机控制公司北京代表处．CCC公司压缩机喘振试验规程［M］．北京：美国压缩机控制公司北京代表处，2006．

［3］美国压缩机控制公司．防喘振控制器培训参考资料快易卡［M］．美国压缩机控制公司，2004．

［4］王飞．压缩机喘振与3C防喘振控制器在压缩机上的设计策略［J］．工业仪表与自动化装置，2013，231 （3）：52－49．

［5］郑爱国，孙立德．CCC防喘振控制系统在延迟焦化富气压缩机节能方面上的运用［J］．GM通用机械：流体输送及炼化技术专题，2012（2）．

Application of CCC Control System in Air Separation 3TY Compressor

ZHAO Li-yun

（Jiehua Clean Energy Development Co．Ltd．，Jiehua Chemical Branch，Kaiyuan 661699，China）

The composition of the soft and the hardware of CCC control system was introduced；By analyzing and introducing the determining method of surge line and the basic control function and special response of control system，the control function and the control effect of CCC control system was introduced．

CCC Control System；Air separation；3TY compressor；Surge；Overspeed protection system．

TQ056

A

1004-275X（2014）02-0061-04

12．3969／j．issn．1004-275X．2014．02．018

收稿：2014-01-13

赵丽云（1962-），女，云南建水人，工程师，主要从事化工自动化仪表工作。