CCC机组控制系统在甲醇制冷压缩机的应用

摘 要：介绍了美国压缩机控制公司（CCC）开发的离心式压缩机组控制系统的防喘振工作原理及其在甲醇制冷压缩机上的应用。该系统的成功应用大大提升了机组操作的自动化程度和可靠度，同时降低了汽轮机的蒸汽消耗约16.6%，取得了良好的经济效益。

关键词：防喘振;节能;性能控制;CCC

1 项目背景

中煤陕西榆林能源化工有限公司煤制甲醇装置于2014年建成投产，低温甲醇洗工段的丙烯制冷压缩机1142C101/201采用凝气式汽轮机驱动的多级离心式压缩机。机组主要参数下表1。

机组控制系统（CCS）集成了安全联锁、防喘振、调速等功能。由于种种原因，系统只有转速控制回路能够投入自动，防喘振回路一直在手动控制状态。在出现生产调整或气化炉停炉等工况时，必须由操作员手动操作，操作负荷大;特别是受限于手动控制需要留有足够的操作安全裕度特点，致使制冷压缩机的防喘振回流阀门一直开度较大、无法关闭，长期维持40%以上的开度，造成压缩机能耗居高不下。

2 原有系统问题分析

原机组控制系统是一套按安全仪表系统（SIS）标准研发的控制系统，可以很好地完成机组的联锁保护和一般的监控和记录;而由于压缩机压缩机理的特殊性，其防喘振控制和性能控制需要专业的控制算法完成，这是原始系统组态所欠缺的，也是机组控制出现问题的原因。原有系统的具体问题有：压缩机性能控制无法投入自动控制。压缩机入口压力手动控制，且一直处于定转速运行，分别使用三段防喘振回流阀阀手动操作，控制丙烯压缩机入口压力。因为手动操作使得机组能耗增加，并且机组入口压力波动大，致使酸性气吸收效果较低，进而影响后续工段运行;当生产运行出现波动时，存在机组入口压力控制不住，导致压缩机进入液相丙烯，引发压缩机喘振、机械损害、联锁停车等。

①压缩机防喘振控制存在问题，控制系统指示曾多次发生喘振，但综合压缩机振动等参数判断实际并未发生喘振;②压缩机各段回流流量计算不准确。把补气侧流流量当作二段、三段入口流量用于计算。当制冷压缩机为侧流结构时，除一段外各段的气体应为由前段气体流量和补气侧流气体流量之和组成，除一段外的各段流量须由上一段气体流量加上补气侧流气体流量计算;③防喘振参数和计算方法不够先进。目前系统中一段、二段防喘振计算，分别使用该段入口压力以及三段出口压力进行防喘振保护是不准确的。各段喘振防护应使用该段压力和流量参数才能正确更合理的完成喘振防护，达到压缩机各段均实现防喘振保护目的;④压缩机各段防喘振曲线仍未理论曲线，未经实测。因机组在设计和制造阶段存在误差，使得机组真实喘振曲线和理论计算喘振曲线存在明显误差。所以理理论计算喘振曲线不能达到准确和适度的喘振防护，此项误差可通过实测喘振线来消除;⑤机组喘振回流阀未全关闭、能耗大。1142C101三返一喘振回流阀开度达44.9%;1142C201三返一喘振回流阀开度达35.9%;⑥控制算法有不合理，未采用解耦控制消除各段耦合情况，控制回路不能投入自动。且手动操作增加了劳动负荷，在装置波动等异常工况时更容易引发压缩机运行波动，容易触发联锁停车;⑦计算提示压缩机负荷和蒸汽耗量不大相符，单位千瓦蒸汽耗量大。综合全厂蒸汽平衡判断，蒸汽耗量数值比较可信，压缩机流量数值存在较大误差。

3 CCC机组控制系统简介

压缩机控制公司（Compressor Controls Corporation，CCC）是专业的压缩机控制系统提供商。CCC开发的压缩机组控制系统基于压缩机的机械热力学原理，已经有上万台压缩机的运行业绩，在制冷压缩机上也多有成功应用，都取得了成功。

CCC的控制技术以防喘振控制为核心，以服务过程生产为目的，能够在保护压缩机防止喘振的基础上为过程生产提供高效、专业、智能的压缩机控制控制系统。

在硬件上，控制系统以高速为特色，关键的机组控制回路，如防喘振控制、调速控制、抽汽控制等的回路响应速率为20ms，保证可以及时发现压缩机工况变化，提前反应，防止压缩机喘振。

控制系统硬件上为全冗余结构，可以在线热插拔更换故障部件。系统具有自学习功能，更换部件后无需下载。

CCC的控制算法一直为业界所称道，是CCC控制技术的核心基石。

CCC的Prodigy控制系统是CCC最新的控制系统，集成了CCC使用多年的、成熟的控制算法，可以满足制冷压缩机等的控制需求。

3.1 压缩机喘振和防喘振控制

透平式压缩机的喘振是机组自身固有的特性。在一定压比下，如果压缩机流量过低，气体会从压缩机出口向入口逆向流动，这就是喘振;待出口压力降低到一定程度后压缩机的气流又恢复正向流动。

当发生喘振时，透平压缩机将出现整个机组管网系统周期性气体振荡现象。它会导致压气机部件的强烈机械振动和热端超温，机组性能恶化，气体参数（压力，流量）产生大幅度脉动，并且会发出如同喘息病患者呼吸时的“呼哧，呼哧”的噪音，极大地加剧机组整个的整体振动。喘振不但会中断装置生产，还会使机组的定子、转子等元件经受交变的动应力，失调的级间压力引起强烈的振动，使轴承和密封损坏;甚至会出现定子与转子元件相碰，压缩气体泄露、引起火灾、爆炸等重大事故。机组严禁出现喘振工况下运行。

机组及管网系统运行工况点位于压缩机性能曲线的左支时，为机組稳定的工作区域。当工况点在A时，如果突然降低机组的出口管道流量，系统曲线会从I位置转移到Ⅱ位置。这时，机组的排气流量Qj、压力会下降。因为管网中的容积很大，容器内的压力下降会产生滞后，所以大容积的管网内压力就会高于机组排气压力。机组流量会进一步减少，促使压力因流量的下降而进一步减小，这种状态会持续循环恶化。当管网中容积足够大时，就会出现管网内的气体向压缩机倒流的现象，机组流量发生快速变化，由正值到零，再由零变为负值。由于管道系统容积很大，在出现反向流的瞬间，管网中的压力出现很小的变化，这样，压缩机的工作点就经过B点跳至C点。此时管网系统内即向外部排出气体，又会向机组内部倒流回气体。这样，容器的压力就要降低，沿图1中的Ⅱ曲线运动，由A'点到F点，机组出口管道内压力也相应下降，其工作点会从C点移动向D点。当到达D点后，以为系统中仍然存在着倒流，管网中的压力仍继续下降。但是，机组运行的性能曲线到达了转折点，压力停止下降，于是压缩机的出口压力超过了管道容积内的压力，则停止倒流。这时，机组重新建立起正常的工作条件，而向管道内送压缩气体。其工作点由D点跳至G点，机组的流量极大地增加，进入管道内的流量就大于管道内排出的流量。于是，管网容器中的压力和压缩机的背压又逐渐上升，压缩机的工作点由G点向A点移动。如此重复循环、周而复始，致使整个机组管网系统发生喘振。

当压缩机管网系统发生喘振时，管网中的容器相当于整个系统基本谐振器。因此，喘振循环中参数变化的频率和幅度的大小，与管网的容量大小有很大的关系。

管网的容积愈大，喘振的频率愈低，喘振的振幅愈大;管网的容积愈小，喘振的频率愈高，喘振的振幅愈小。

在实际工业压缩机上，一个喘振循环的周期在0.3S到3S之间。

从A点到C点的时间在20～50mS间。

3.2 防喘振控制的挑战

看起来防喘振控制只是一个流量控制，但这只是一个静态的表面现象。考虑到不同气体条件下压缩机的喘振线的位置差异很大，防喘振控制需要协调考虑装置连续生产等复杂情况，防喘振控制成为机组控制的核心难点之一。防喘振控制的挑战在于：①防喘振控制方案制定不合理，需要确定一条适用于各种工况的防喘振控制用的喘振线，困难;②需要确定真实喘振线的位置，困难;③防喘振控制响应要在保证机组不喘振的同时尽量降低对生产的冲击;④防喘振阀门之间一般存在强耦合。

3.3 CCC防喘振控制的机理和方程

根据压缩机的机械热力学机理，压缩机压缩机气体的结果是增加了气体的内能。气体内能的增加可以用多变压头表示。多变压头在压缩机机械尺寸和转速确定后具有唯一性，其方程为：

其中：Hp：多变压头;Zavg：压缩因子的平均值;Ro：通用气体常数;Ts：入口气体温度;MW：分子量;Rc：压缩比;σ：多变指数，;Rt：温度比;

现场一般使用差压流量元件测量压缩机流量，流量和差压具有如下关系：

其中：ΔPo，s压缩机入口流量差压;Zs：压缩机入口压缩因子;Ps：压缩机入口压力;

前述两个方程进行比值计算，得出新的方程：

在新的方程中，无法直接测量的气体参数，如压缩因子，分子量等，都已经被抵消掉。防喘振控制所使用的参数都是易于现场实际测量的参数如流量差压、压力、温度等。

3.4 在线实测喘振曲线

压缩机制造商提供一组机组设计时理论计算的喘振线。由于压缩机制造商或设计院的设计会考虑余量，往往会给出比较保守的理论压缩机喘振线，因为压缩机出厂前验收，无法进行真实工艺气配比的工况下测试及安装等原因，无法得出实际喘振线。而CCC通过在压缩机开机过程中，在多个转速下对实际喘振测量，绘制准确压缩机的喘振线。通过压缩机的实际运行工况能够与工艺状况更好的匹配，真实的测量出压缩机的运行工况。

根据多次实测喘振线经验，实际喘振线在压缩机的在理论喘振线的右下位置的情况也很多，就会发生运行点未到达理论喘振线而更早喘振，此时，防喘振控制是失效的，也存在较大运行风险。这也是部分防喘振控制无法投入自动控制，防喘振阀门长期保持相当开度的原因之一。所以实测压缩机喘振线是压缩机防喘振控制非常必要的一环。

根据过去经验，CCC的防喘振控制器指示灵敏，反应更迅速，喘振试验时喘振深度较主机厂做的喘振试验浅，不会对机组造成机械上的损害。

4 丙烯制冷压缩机1142C101/201控制系统改造

本次改造的目的有二，首先是实现自动的机组入口压力控制，为低温甲醇洗提供稳定的冷源，其次是尽量关闭防喘振阀门，降低机组蒸汽消耗，达到节能降耗的目的。

改造使用一套CCC的Prodigy控制系统，实现1142C101/201的防喘振控制、调速控制、性能控制和入口罐液位控制。原有控制系统内相应控制功能取消，其他功能如联锁等不变。

①将现有控制系统中的压缩各段防喘振控制、入口压力控制和透平转速控制转入CCC控制系统;②重新计算并设定各段防喘振控制线;③现场实测压缩机机各段喘振曲线，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;④需要将参与压力控制、转速控制及防喘振控制所需要的入口流量、入口压力、入口温度、出口压力、出口温度等信号经一入两出分配器分出接入CCC控制系统，输出由CCC控制器接到防喘振阀和导叶执行机构;⑤增加一台CCC控制机柜并增设两台CCC操作站（其中一台兼工程师站）。

4.1 丙烯制冷压缩机的控制方案

在充分总结了丙烯压缩机的运行情况后，制定的机组控制方案如下：①在机组启动前，使用一段入口液位控制建立一段入口罐液位;②在压缩机启动前，防喘振阀门在全开位置;透平调速阀门在全开位置;③根据机组制造商要求，透平由现场控制暖机、冲转跨越临界，到达最小工作转速后，交由转速器控制器控制转速;④在透平转速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;⑤在透平转速达到工作转速区域时，入口压力控制器投用，开始自动控制入口压力;⑥在机组正常运行时，各段防喘振控制器投入自动状态运行，通过喘振控制線（SCL）与运行点的偏差进行PI调节。在正常工况下，压缩机入口压力通过转速来调节，当入口压力偏高时提高转速，当压力偏低时降低转速;当入口压力偏低较多时，转速调节压力调节能力不足时，自动投用POC控制适度开大防喘振阀门应对。

4.2 喘振线的实际测试

为了实现安全地压缩机防喘振控制，在保证机组安全运行的前提下尽量节约蒸汽消耗，需要对压缩机的喘振线进行实际测试。

喘振测试在压缩机开工初期进行。为不影响装置正常生产，喘振测试安排在低温甲醇洗系统降温过程中进行。根据压缩机的设计参数和实际运行情况，喘振测试的转速设定在5500rpm和5800rpm。

在系统内基本排净不凝气，机组各项参数运行平稳无明显异常，转速达到设定转速后开始喘振测试。

喘振测试时各段防喘振阀门在手动控制模式，使用控制系统和喘振测试专用的记录仪捕捉压缩机防喘振相关的各项参数的变化情况。首先手动小幅度逐渐关闭一段防喘振阀门，压缩机工作点会逐渐向左移动;如出现工作点移动速度加速，控制系统可以立即增加防喘振阀门的开度，防止压缩机进入喘振工况。在完成一段喘振测试后，依次进行二段和三段的喘振测试。

在喘振测试的过程中，在现场和室内各设置一名专职的监视人员。如出现异常情况，可以视情况立即做出调整、停止喘振测试或安全停机等操作，保证机组安全。在实际喘振测试时，由于压缩机没有进入喘振工况，机组位移和振动仅有小幅上升（约3um），现场未观察到和听到明显异常。

图3为压缩机二段在5800rpm喘振测试时出现工作点加速向左移动时的记录。在图上的对应参数变化是dev（下数第三根曲线）快速下降，防喘振阀门（下数第二根曲线）快速适度打开，dev回到正常数值。

经过喘振測试后，最终形成的喘振线见下图。图中红色的线是喘振线，绿色的线是控制线，蓝色的线是压缩机理论预测的性能曲线。可以看出各段的喘振线都发生了大幅向左的移动，这大大增加压缩机的操作空间和操作弹性，也为压缩机的节能运行打下了基础。

5 改造后的实际应用效果

CCC控制系统投用后，实现了防喘振回路的全自动控制，大幅降低了防喘振阀门的开度，也大幅降低了蒸汽消耗;CCC控制系统实现了自动的压缩机入口压力自动控制，在装置负荷变化和气化炉停炉时可以自动调整转速，无需人工介入，降低了操作人员的强度，提供可机组运行的可靠性。

5.1 实现自动控制

改造后各不但转速控制回路在自动控制，所有防喘振回路均投入自动控制，入口压力实现了自动控制。控制系统不但在正常生产时可以自动控制防喘振阀门和入口压力，在发生气化炉联锁停炉时也可以自动应对，无需人工操作。

5.2 节约蒸汽效果明显

在改造实施过程中，我们对涉及机组控制的仪表和防喘振阀门等按规程进行了调校，在开工过程中实测了防喘振曲线。实测结果表明，压缩机实际喘振线大幅低于理论喘振线。这是压缩机能够实现节能运行的重要基础。

改造前后在相同装置负荷下的系统运行参数对照如下表。在表中载明的两个时间点上，装置的负荷基本相同，都是112%上下，但改造后蒸汽消耗大幅下降。

从上表可以看出，改造后C101每小时节约中压蒸约4.2t/hr，C201每小时节约中压蒸汽约3.03t/hr，合计每小时节汽7.25t/h，节能率约16.6%。

中压蒸汽的成本以每吨100元计，可以每年节约动力成本超过635万元。

6 结语

从以往的操作经验看，低温甲醇洗的制冷压缩机的制冷能力远超装置冷量需求（单台机组可以满足两个系列90%的负荷），这也是造成制冷压缩机防喘振阀门开度大、能耗高的重要原因，一度有讨论是否要更换压缩机。使用CCC控制系统后，结合喘振测试和自动控制技术，大幅度关小了防喘振阀门，降低了蒸汽消耗，同时实现了机组的全自动控制。尽管目前防喘振阀门仍有约12%的开度，但根据阀门等百分比特性估算，其实际的回流量仅相当于名义回流量的3%，能耗浪费已经相当低了。

通过改造，我们实现了在装置正常生产时制冷机组的节能经济运行;在单台制冷机组故障时，仍可保持两系列装置90%左右的负荷。这大大拓展了机组的操作弹性和运行空间。

我们的实践说明，采用先进的控制技术，不但可以节能降耗，还可以挖掘机组潜力，在相当程度上弥补机组能力和装置需求间的配套问题。这在机组控制领域带来了全新的理念，对类似机组具有很强的借鉴意义。

参考文献：

[1]杨治龙.CCC系统在煤制甲醇空压机组及氨制冷压缩机组改造及应用[J].化工管理，2016（26）：124.

作者简介：

代辉（1983- ），男，民族：汉，籍贯：黑龙江省依兰县，学历：大学本科，职称：工程师，研究方向：化工仪表、过程控制，以及信息化、智能化应用。