乙烯制冷压缩机组防喘振控制系统的改进

李志峰 于丽丽 杨发义 邹春雨 王永帮

(中国石油辽阳石化公司，辽宁 辽阳 111003)

乙烯制冷压缩机组防喘振控制系统的改进

李志峰 于丽丽 杨发义 邹春雨 王永帮

(中国石油辽阳石化公司，辽宁 辽阳 111003)

分析离心式压缩机组控制方案存在的问题，阐述乙烯制冷压缩机组防喘振控制系统的改进方案及其实施过程。系统改造投运后，装置自动化水平、适应性及可维护性等均得到了提高，实现了节能降耗的目的。

乙烯制冷压缩机组 防喘振控制系统 CCC S5 Duplex Vanguard系统 GE RX7I PLC系统

中国石油辽阳石化公司乙烯裂解装置是20世纪70年代初从法国引进的，其冷区工段有两台制冷压缩机C-401、C-402用于循环制冷，配套乙烯年产量为9万吨。为了配合乙二醇/环氧乙烷的扩能改造，将乙烯裂解装置的年产量扩大到20万吨，并对关键的制冷压缩机组C-401、C-402进行了更换，但仍采用中压蒸汽驱动的多段离心式压缩机。然而在开车调试过程中发现，压缩机组的防喘振控制系统和调速系统存在缺陷，不能有效保证装置的安全运行。因此，笔者采用CCC S5 Duplex Vanguard系统和原GE RX7I PLC系统相结合的改造方案，在装置大检修期间实施，以实现机组的安全可靠运行。

1 离心式压缩机组存在的问题

C-401、C-402制冷压缩机组采用变转速的方法进行工况调节，即通过改变压缩机转速来改变其运行工况点以适应工艺系统的要求。压缩机不同的转速均有与之对应的特性曲线，其主要参数如下：

C-401型号 CC30B6SS

透平速度 12 318r/min(NORM)

12 727r/min(RATED)

透平功率 1 266kW(NORM)

1 418kW(RATED)

C-402型号 CC50H6SS

透平速度 5 914r/min(NORM)

6 075r/min(RATED)

透平功率 4 909kW(NORM)

5 467kW(RATED)

C-401、C-402压缩机组调速控制系统主要由两个转速传感器(霍尔效应传感类型的DSF探头)、安全栅、软件调速器(GE RX7I PLC)、WOODWARD电液转换器、阻尼器、液压执行机构(错油门和油动机)和调节阀组成。防喘振控制系统在随机组引进的GE RX7I PLC冗余系统内由软件算法实现。该冗余系统可将调速控制系统和防喘振控制系统合为一个整体，并通过各种控制模块之间的耦合和解耦运算实现压缩机的控制功能。压缩机组控制系统结构示意图如图1所示。

在开车调试过程中发现，两套压缩机组控制方案均存在如下缺陷：

a. 两台制冷压缩机投运后存在的主要问题是，压缩机防喘振控制系统在全循环状态时喘振点工作在非安全区内，机组开工时无法正常关闭防喘振阀，必须人为手动强制关闭，存在极大的安全隐患。另外，在装置达到95%负荷的情况下，防喘振阀仍有一定开度，增加了机组的能耗。

b. 透平机的电子调速系统存在问题，尤其是刚开车需要尽快将机组稳定下来时，调速系统无法实施自动升速，而一般手动升速一次仅提升5r/min。以C-401乙烯机组为例，从调速器动作(10 182r/min)到压缩机正常运行(12 318r/min)，需要不间断增加近2 000r/min，而手动操作在升速过程中至少需要10min以上的时间，在此期间还要不断地人工对机组喘振阀、喷淋阀等进行调整，制约了机组的稳定操作。而且，每次开车过程中遇到机组波动时，都要花费相当长的时间来调整，造成大量的原料排放火炬，既严重浪费能源又对环境造成污染。

图1 压缩机组控制系统结构示意图

c. 防喘振控制系统不稳定，抗干扰性差，经常出现阶梯开阀响应，引起工艺出现较大扰动，尤其对段间温度变化非常敏感，影响了裂解装置的平稳运行。

d. GE RX7I PLC系统的人-机界面HMI防喘振控制面板为英文界面，操作人员操作困难，缺少人性化。

e. 性能控制与防喘振控制功能不够清晰，两者相互关联，无法有效调节压缩机性能。

2 改进的防喘振控制系统控制方案

2.1总体思路

针对压缩机组投运过程中存在的问题，仪表技术人员和压缩机厂家技术人员经过多次反复交流论证，在确保前期投资和施工时间的基础上，尽量简化现场施工量，确定的改进方案如下：

a. 在保持原GE RX7I PLC硬件系统和开车联锁逻辑不做较大改动的前题下，增设两套CCC S5 Duplex Vanguard系统，分别实现乙烯和丙烯机(C-401、C-402)的速度控制、喘振控制与入口压力控制，优化每台机组的控制操作。确保CCC S5 Duplex Vanguard系统在机组达到最小转速后，防喘振控制在PID作用下能够自动投运。

b. 参与速度、性能和喘振控制的信号通过信号分配器在端子柜分为两路，然后分别进入CCC S5 Duplex Vanguard系统和原GE RX7I PLC系统并参与相关的控制功能。CCC S5 Duplex Vanguard与GE RX7I PLC之间的停车、启动及系统故障等关键信号则通过硬接线连接。

c. 保留原GE RX7I PLC系统在开车阶段的全部功能，在暖机升速正常后，再将乙烯制冷压缩机C-401、C-402的速度控制、入口压力控制和一、二段防喘振控制回路由GE RX7I PLC系统无扰动切换到CCC S5 Duplex Vanguard系统，实现同时在两个系统中的C-401、C-402机组速度控制、入口压力控制一、二段防喘振控制，确保CCC S5 Duplex Vanguard系统具有单独暖机升速的能力[1]。

d. 配置两台CCC TrainView II操作站，用于操作C-401、C-402机组，两者具有互备功能，且其中一台可作为工程师站使用。通过同时在CCC S5 Duplex Vanguard系统内进行现场实测乙烯/丙烯制冷压缩机各段喘振曲线，对制冷压缩机组实施安全、高效的防喘振和性能控制。

2.2改造实施过程

在2010年装置大检修期间完成的主要改造调试工作有以下几点：

a. 原GE RX7I PLC系统中显示的模拟输入AI信号(段间压力、流量、温度信号)经过P+F一进二出安全栅分配器后，分出一路信号进入CCC S5 Duplex Vanguard系统。同时保留GE RX7I PLC系统原有的控制机柜、联锁逻辑功能和相应的操作画面，对现场变送器的供电方式和控制室内的接线做相应的变更和调整。

b. 原机组的现场转速传感器(霍尔效应传感类型的DSF探头)保持不变，两路速度检测信号转换成高速频率信号后进入原GE RX7I PLC系统的高速脉冲输入卡IC697HSC700和CCC S5 Duplex Vanguard系统的频率输入卡。采用将安全栅MTL5032的11(-)、12(+)端子并接的方式实现信号分配。

c. 原GE RX7I PLC系统的速度控制、喘振控制模拟输出信号分别以硬连接的方式先接入CCC Vanguard系统的模拟输入卡，与CCC S5 Duplex Vanguard系统内相应软件控制器的输出信号进行追踪处后再通过CCC S5 Duplex Vanguard系统的模拟输出卡以4～20mA模拟信号进入输出电隔离安全栅，经驱动后输出到现场执行机构(WOODWARD电液转换器等)。

d. 压缩机组在开车暖机升速过程中，仍以GE RX7I PLC系统为主，CCC S5 Duplex Vanguard系统仅监视运行信号是否干预GE RX7I PLC系统的开车过程。当机组达到最小转速后，通过辅助操作台上的手动按钮来实现CCC S5 Duplex Vanguard系统控制器对过程输出信号的接管，以软件切换的方式实现模拟输出信号的单向无扰动切换。

e. GE RX7I PLC系统负责机组的启动，在启动前GE RX7I PLC系统的防喘振和性能控制器应投在“手动”状态，操作台上的硬切换开关全部打在“GE控制”位置，操作员需要确认此时防喘振阀全开。同时，操作员需要复位CCC S5 Duplex Vanguard系统，确保从CCC S5 Duplex Vanguard系统输出到GE RX7I PLC系统的ESD信号已复位，GE RX7I PLC系统所有启动允许条件均处于OK状态。从GE HMI上启动压缩机，当机组升速到最小控制转速后，喘振阀仍全开，此时操作员需要启动CCC S5 Duplex Vanguard系统，验证CCC S5 Duplex Vanguard系统的速度控制器跟踪GE速度信号，然后操作员把操作台上的硬切换开关切换到“CCC控制”位置，由CCC S5 Duplex Vanguard系统进行机组的性能和防喘振控制。

f. CCC S5 Duplex Vanguard系统负责机组的正常停机，按照原GE RX7I PLC系统设计的停机参数来组态速度控制器，确保机组能安全停机，避免机组在临界转速区产生振动。当机组转速下降到暖机转速1 500r/min(1st暖机速度)时，CCC速度控制器产生一个跳闸信号，通过ESD信号输出到GE RX7I PLC系统进而跳闸停机。

g. GE RX7I PLC系统全面负责所有的安全联锁停机(如超速保护、振动/位移等)，生产过程异常发出紧急跳闸停机信号的同时输出硬线连接的ESD信号(通断信号)到CCC S5 Duplex Vanguard系统，进而跳闸CCC速度控制器并全开防喘振阀(软件实现，非电磁阀硬件实现)，通过ESD信号来确保两套系统的协调工作。需要注意的是，在开车过程中必须在30s之内达到100r/min以上，否则系统速度控制器将启动停机联锁。

3 使用效果

针对开车期间工艺的复杂性，CCC S5 Duplex Vanguard系统优化了喘振控制、性能控制和回路间的解耦控制，消除了压缩机的喘振威胁。尤其对于工艺装置开工初期的喘振，减少了低负荷下压缩机的回流量，消除了剧烈工艺扰动造成的压缩机入口流量突变和装置波动或停工。同时，为了克服装置运行中的工艺生产扰动，使用了入口压力限制控制、POC控制和出口压力POC控制，以防止由于工艺扰动造成入口分液罐和压缩机损坏，防止出口超压造成的工艺波动或停车[2]。CCC S5 Duplex Vanguard系统在确保透平机组与工艺流程可用性的同时，还可以将计划外的停车时间降至最小，即使在工艺扰动下，CCC S5 Duplex Vanguard系统的解耦控制、前馈控制及压力超驰控制等先进控制亦可增加工艺流程的稳定性。

原压缩机组防喘振控制系统在全循环状态时喘振点工作在非安全区内，开工时无法正常关闭防喘振阀，即使正常全负荷工作时，多数防喘振阀也无法全关，部分防喘振阀甚至有20%左右的开度，极大地消耗了装置的能源。为解决此问题，在查阅压缩机厂家基础设计文件的基础上，重新核算了每个流量测量元件的性能曲线、防喘振阀性能曲线和压缩机喘振线，对原曲线增加了折线点，保留了适当的控制裕度，并在确保机组设备安全的情况下，现场进行了实测喘振曲线，最终达到了全部关闭喘振阀和节能降耗的设计目标。

硬件开路检测功能能够判断现场回路是否故障，同时每个Conditioning Module中设有熔断器，使得每个信号回路都能够在线维护。由于系统采用的是在变送器输入失常后仍可继续运行的保退控制策略，因而可使系统的可用性和可靠性得到提高，降低了故障停机率。同时，在现场实践中每个I/O通道都可以进行仿真模拟(无现场信号时可由计算机输入仿真信号)，即当机组运行过程中有现场信号故障而该信号未设置旁路开关时，模拟功能可以将该信号旁路维持机组运行，从而在线维修现场故障。在实际运行中维护现场仪表时，经常发生因测量孔板结焦而导致的流量下降，此时必须现场排放处理引压系统，以保证机组的正常运行。

制冷压缩机组控制系统改造投运后，全面提高了装置的自动化操作水平，实现了机组转速全自动升速控制，缩短了开工时间，减少了开车过程中的火炬放空。防喘振阀可以随工艺负荷和条件做自动调整，能够在开车初期即投入自动运行，并最终关闭，缩短了装置开工稳定的过渡时间，极大地减少了操作员的工作量。同时，全面提高了压缩机运行的可靠性，降低了机组和工艺的停车率。

4 结束语

制冷压缩机组防喘振控制系统自改造投运后一直运行平稳，该方案既充分利用了原GE RX7I PLC系统的硬件优势，节省了成本，又充分发挥了CCC S5 Duplex Vanguard系统在压缩机组防喘振控制技术方面的技术先进性。在工艺多次出现较大波动的情况下，系统能够自动开关防喘振阀门，无需人工介入，避免了装置非计划停车，且调试时间较短，简化了现场接线，提高了可靠性。实践证明，该系统改造方案功能完整、安全实用。

[1] 翁刚,李志峰,钟相奎.两台不同功率裂解气压缩机并联控制系统研究[J].石油和化工设备,2009,12(3):27～28.

[2] 于庆红.裂解气压缩机控制系统节能技术改造[C].第十六次全国乙烯年会论文集.北京:全国乙烯工业协会,2010:128～133.

TH45

B

1000-3932(2016)11-1216-04

2016-05-11(修改稿)