膨胀压缩机组冗余型安全控制系统的设计

胡佳琦

（中海油上海分公司西湖作业公司，上海 200030）

随着天然气工业和制冷技术的发展，膨胀压缩机组得到广泛应用。中海油上海分公司天然气处理厂采用由美国MAFI公司制造的EC3.0型透平膨胀压缩机。该机组为径向反作用开式叶轮透平膨胀制冷机，并驱动同轴的离心式压缩机，是天然气液化分离获取冷量所必需的关键设备。因此，2011年设计并投用专门的机组保护控制系统对机组运行状态进行监控和保护。

1 膨胀压缩机组工作原理简介

透平膨胀机利用绝热等熵膨胀原理，当气体通过叶轮周围的可调喷嘴进入膨胀机，均匀吹动叶轮高速旋转实现对叶轮做功时，气体原有压力能经不可逆绝热膨胀变为动能，实现气体能量转换[1]，气体压力和温度降低而被冷却，达到制冷目的。叶轮获得的动能通过轴转化为机械能，驱动压缩机工作。

2 膨胀压缩机组安全控制系统概述

机组安全控制系统分为2个子系统：一是冗余型机组轴振动、转速、温度监控报警系统。采用本特利3500设备保护系统，实现机组振动、温度、转速监测。当运行参数超过安全值时，发出报警信号，提示操作人员检查流程、设备，查找故障；当运行参数超过极限值时，系统按控制程序输出关断信号，关停机组，避免损坏机组设备。二是防喘振控制系统。采用Moore353控制器实现压缩机喘振控制。

机组安全控制系统通过RS485接口以Modbus协议与DCS系统建立通讯，将机组运行参数传送到DCS操作站，通过操作站设定报警和历史趋势记录，实现系统的上位监控。控制系统结构如图1所示。

图1 膨胀压缩机组安全控制系统结构Fig.1 Structure of the expander-compressor safety control system

3 膨胀压缩机组信号检测

3.1 机组轴振动检测

旋转动设备轴振动检测，采用非接触式直接测量，通过电涡流位移传感器实现轴振动检测。电涡流传感器能高线性度、高分辨率地测量被测金属导体距探头表面的距离，反映被测体与探头端面之间静态和动态的相对位移变化，具有可靠性好、灵敏度高、响应速度快、抗干扰力强等优点[2]。

3.1.1 电涡流传感器工作原理

根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2所示。电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流频率f等参数。

图2 电涡流工作原理Fig.2 Principle diagram of eddy current

可将探头线圈的等效阻抗Z表示为

式中：x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。

如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小[3]。

3.1.2 电涡流传感器选型

由于探头线圈产生的磁场范围与被测体表面形成涡流均是一定的，因此对探头直径有一定要求。当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时，要求被测轴直径为探头头部直径3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降。根据机组轴直径，选择本特利3300-8 mm proximitor电涡流传感器。

3.2 机组轴转速检测

机组轴转速采用磁电式转速传感器进行检测。磁电式转速传感器是由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成，测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势[4]。传感器安装在旋转轴上检测齿轮的齿顶端。当齿轮由轴带动旋转时，其齿顶和齿谷交替经过传感器，使传感器与齿轮顶部之间的空气间隙交替变化，引起传感器磁路的磁阻交替变化，从而使线圈的磁通量交替变化，线圈感应出电动势，输出信号，信号频率为

式中：Z为齿轮齿数；n为轴转速。

测出频率，即可计算出机组轴转速。

3.3 机组轴温度检测

机组轴温度采用pt100热电阻进行测量，接入本特利3500系统温度监测卡，作为机组运行监控和报警的信号。

4 本特利3500设备保护系统设计

现场探头检测的信号，送入本特利3500系统进行运算，根据控制程序输出报警和关断信号，实现保护机组的目的。

4.1 冗余设计

本特利3500设备保护系统是保护机组安全运行的核心，系统自身的安全性和可靠性必须达到更高要求，避免出现误报警、误动作造成机组非正常停机。因此，采用三冗余设计。三冗余系统简称TMR（triple modular redundancy），结构如图3所示。3个控制模块同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，通常称为3取2。3个模块中只要不同时出现2个相同的错误，就能掩蔽掉故障模块的错误，保证系统正确的输出。系统设置3个表决面，分别为输入表决面、计算输出表决面和表决器表决面。输入表决面在计算前对3个信号采集模块的输入数据进行3取2表决，屏蔽掉单个模块的输入故障。计算输出表决面在计算后对3个计算模块的计算结果进行3取2表决，通过2个模块的正确结果屏蔽掉另一个模块的计算错误。表决器表决面在输出前对将要输出的信号进行一次3取2表决，选取正确的结果输出。

图3 三冗余系统结构图Fig.3 Structure of TMR

4.2 硬件设计

本特利3500设备保护系统模块化结构、框架式安装。根据不同检测要求，选择不同功能模块，插入机架对应槽即可。本模块选型及功能如下：

3500/15电源模块。电源模块能接受175～264 VAC大范围的输入电压，并把该输入电压转换成其它3500模块所需电压，为整个框架卡件供电。电源模块必须安装在框架左边特殊设计的槽口内。本系统采用双电源供电，当主电源出现故障时，可自动切换到备用电源，不影响系统运行。3500/20框架接口模块。框架接口模块必须安装在框架中的第一个槽位。该模块是3500框架的基本接口，通过模块上的RS232接口，可与组态计算机连接，进行程序上传、下装，以及系统功能组态等操作。三冗余型模块具有“监测器通道比较”功能，根据监测器选项中规定的设置执行监测表决，连续比较来自3个互为冗余监测器的输出。如果检测到其中一个监测器的信息与其它2个不相等，它将把监测器标记为错误状态，并且在系统事件列表中生成一个事件。3500/40M四通道位移监测模块。该模块接收位移传感器的输入，对信号进行处理后生成各种振动和位移测量值，并将处理后的信号与用户可编程的报警设置点进行比较。可使用3500框架组态软件对该模块每个通道进行组态，使其具有测量径向振动、轴向位移、差胀、轴偏心、REBAM功能。3500/50转速模块。接收来自涡流传感器或电磁传感器信号，计算轴的转速、转子的加速度。它将这些测量值与已编程的报警点进行比较，当超过报警点时发出报警。3500/61温度监测模块。该模块可接受热电阻、热电偶传感器信号，利用这些输入信号，驱动报警装置。3500/32TMR三冗余继电器输出模块。该模块可提供四通道继电器输出，实现报警、关断功能。通过三冗余表决，可避免误动作。3500/92通讯网关。该模块通过TCP/IP和RS232/RS422/RS485通讯协议将所有框架的监测数据和状态与过程控制和其它自动化系统集成，支持与3500框架组态软件和数据采集软件的以太网。

4.3 软件组态

硬件安装完毕以后，必须通过3500组态软件进行组态，定义每个插槽卡件类型、设置卡件控制参数、编写关断报警控制程序、设置通讯接口。软件组态按如下步骤进行：

（1）定义每个插槽卡件类型。3500组态软件中，除第1、第2插槽默认为电源和框架接口模块，其余插槽均需定义卡件类型。通过鼠标单击空白插槽，从弹出菜单中选择与实际安装对应的控制卡件，即完成对插槽卡件的定义。

（2）设置电源卡件参数。3500系统电源有高压交流、低压交流、高压直流、低压直流4种，根据本系统实际，选择“高压交流”。

（3）设置框架接口模块参数。选择安装方式为“Panel Mounted”，选择电源为“高压交流”，激活插槽为2～7槽。

（4）设置四通道位移监测模块参数。由于测量振动信号，所以信号通道类型选择“Radial Vibration”，并将4个通道激活，设置每个通道探头类型为“3300-8 mm Proximitor”，设置报警值为 1.0 mil，关断值为 1.6 mil。

（5）设置转速模块参数。通道使能，测量参数选择“Speed”，量程范围“0～30000 r/min”，低报警值17800r/min，高报警值 21000r/min，关断值 23700r/min。

（6）设置温度监测模块参数。通道类型设置为温度，探头类型设置为RTD，激活需要使用的4个通道，每个通道设定报警值88℃，关断值93℃。

（7）编写继电器模块控制程序。当轴温度、轴振动、转速超过关断值，各自的测量模块会产生关断信号，此关断信号为系统内部信号，必须经继电器控制模块通过程序进行调用和逻辑运算后，才能由继电器控制模块输出继电器信号，关停机组。

（8）设置通讯网关参数。首先设定接口信息，设置波特率为9600 bit/s，1位停止位，无校验，数据范围0～65535；然后通过组态寄存器，选择需要传送给DCS系统数据的Modbus寄存器地址，便可按照地址向DCS系统传输数据，实现机组状态上位监控。

组态完成，进行下装，即可开始监控机制状态。

5 压缩机喘振控制

喘振是离心压缩机在入口流量小于喘振流量时离心压缩机出现的流量脉动现象，造成周期性的气流倒流和排出气体压力时高时低，并产生巨大噪声和急剧的温升，严重时会导致压缩机损坏[5]。要防止离心式压缩机发生喘振，需工作转速下的吸入流量大于喘振点的流量。因此，当入口流量小于喘振点流量时，需将出口流量旁路返回到入口，以增加入口流量。防喘振线是一个动态折线，压缩机不同转速下喘振点也不同，本文喘振控制系统选择压缩机出口流量与转速的比值即流速比，作为控制对象，针对实际流速比与设计正常工作流速比的偏差进行调控。将压缩机工况压力、进出口差压信号接入控制器，则压缩机标况流量可通过下式计算：

式中：P1为压缩机工况压力；dp为压缩机进出口差压；T1K为工况温度；K 为流量因子，K=0.146；Z 为压缩因子，Z=0.95；mw为气体摩尔质量。再将转速信号接入控制器，则可计算过程PV值为

式中：PV为压缩机实际流速比；Qp为实际流量；Np为实际转速。

将实际流速比作为PV值，设计正常工作流速比作为SP值，通过Moore353就地控制器采用单回路PID控制即可实现压缩机喘振控制，如图4所示。

图4 单回路PID原理图Fig.4 Principle diagram of single-loop PID control

6 上位监控

DCS上位机接收并调用机组安全控制系统传输来的数据，通过组态操作面板和显示画面，监控整个膨胀压缩机组运行状况。当机组在运行过程中出现故障或运行参数超限时，控制系统会出现声光报警，提醒操作人员及时采取措施排除故障。同时，DCS系统还对机组运行参数进行历史数据记录，便于查看分析机组长期运行状况。

7 结语

经试运，膨胀压缩机组冗余型安全控制系统能准确测量机组运行时的各项参数，通过控制程序输出保护信号。采用三冗余设计，可最大限度提高系统自身稳定性，避免误动作。系统自2011年投运至今，未出现过故障，保障了该机组的安全运行。

[1] 黄钟岳，王晓放，王巍.透平式压缩机[M].2版.北京：化学工业出版社，2014.

[2] 徐科军.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3] 永远.传感器原理与检测技术[M].北京：科学出版社，2013.

[4] 余成波.传感器与自动检测技术[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 靳伍银，刘飞跃，剡昌锋，等.离心压缩机的防喘振控制[J].兰州理工大学学报，2007，33（3）：42-45.