CCC机组控制系统在乙烯制冷压缩机中的应用

熊浩，方群伟，程锋

(1. 中韩(武汉)石油化工有限公司，湖北 武汉 430070；2. 海南炼油化工有限公司，海南 洋浦 578101)

某乙烯装置乙烯制冷压缩机(简称“压缩机”)为沈阳鼓风机集团股份有限公司制造的四段十二级离心式压缩机，机组设计了“四返一”“四返二”“四返三”防喘振和石墙控制系统，以提高机组运行安全性和稳定性，带控制回路的压缩机气路结构如图1所示。原控制系统采用某公司综合透平压缩机控制系统(ITCC)，自2013年投产运行以来，“四返二”防喘振阀在半自动情况下仍有36%的开度，全自动情况下压缩机工作点的安全裕度只能控制在3%。为了保证机组安全运行，“四返二”防喘振阀不能全关，防喘振控制器无法投全自动，造成压缩机能耗过高。2020年，该乙烯装置因扩能改造更新乙烯制冷压缩机，新增美国压缩机控制公司冗余CCC控制系统，实现防喘振控制、石墙控制、蒸汽透平速度控制、抽汽控制及压缩机入口压力性能控制等功能，原ITCC系统保留安全联锁保护及辅助单元的自动控制协调使用。

1 原机组控制系统问题

原ITCC系统主要有如下四个问题：

1)喘振曲线没有实测。压缩机在初始投料开车期间，原ITCC系统没有做过喘振曲线实测，其性能曲线是制造商提供的理论设计参数。因为压缩机出厂前验收时，无法在真实工艺气配比的工况下测试，制造、安装误差和运行损耗使设计喘振曲线和实际喘振曲线相比可能存在偏差[1]。如果实际喘振曲线偏右，会使防喘振阀提前打开，产生不必要的能耗；如果偏左，就起不到防喘振保护作用。

2)控制裕度设置过小。防喘振控制线与喘振曲线之间的控制裕度太小，当入口流量减小时，工作点运行到防喘振控制线左侧时，防喘振阀还没来得及调整，工作点就瞬间触碰到喘振曲线，使防喘振阀全开，对系统造成较大的扰动。

3)石墙控制功能无效。三段石墙控制原设计由三段出口压力PID调节，因控制效果不理想一直处于手动控制，当压缩机高负荷运转时，如果在三段发生阻塞工况，石墙控制阀无法自动打开，则不能够有效保护机组。

4)无解耦控制功能。压缩机入口压力与转速设置了串级控制(即性能控制)[2]，但防喘振控制与性能控制之间没有解耦控制。当压缩机工作点距离防喘振控制线很近时，此时如果再继续降低转速，机组就会有发生喘振的可能性。

图1 带控制回路的压缩机气路结构示意

2 改造目标及方案

将该压缩机控制系统更新为冗余CCC机组控制系统，通过开工初期喘振曲线实测及控制算法优化，精确计算乙烯制冷压缩机喘振曲线和机组性能，优化防喘振控制与性能控制及回路解耦控制，实现乙烯制冷压缩机防喘振控制、蒸汽透平速度控制、蒸汽透平抽汽控制、入口压力性能控制以及三段石墙控制等功能。

2.1 防喘振控制

2.1.1防喘振控制原理

压缩机在不同工况下有不同的性能曲线，CCC机组控制系统以实测压缩机喘振曲线获得喘振极限线(SLL)为基准，通过防喘振控制算法分别生成喘振控制线(SCL)、阶跃响应线(RTL)、安全响应线(SOL)等多条不同喘振深度的防喘振控制线[3]，不同工况下的防喘振控制线如图2所示，其中Rc为压缩比。

图2 防喘振控制线示意

防喘振控制器通过时刻监测压缩机工作点与喘振极限点之间的距离来保护压缩机不受喘振的影响，这个距离不能直接被测量，而是压缩比、流量、转速、导叶角度以及气体压力、温度和成分的函数[4]。

CCC机组控制系统防喘振控制算法： 在SLL右侧设置了一条距离为可变安全裕度b的SCL，这样就可以在工作点移动到SLL之前开始控制防喘振阀门动作，及时补充压缩机入口流量，从而尽快将工作点移动到SCL右侧安全区域。

当工作点缓慢跃过SCL时，防喘振控制器触发PI响应，调节防喘振阀开度，PI响应为小的干扰提供足够的保护；当工作点越过SCL并快速向左移动时，利用工作点移动的变化率动态增加喘振控制裕度，这使得防喘振控制器PID响应可以更早地做出反应；当防喘振控制器PID响应太慢，以至于不能抵御扰动时，CCC机组控制系统又在SLL和SCL之间设置了一条隐藏的RTL，如果工作点越过RTL，则防喘振控制器将在PID响应的基础上叠加多个快速重复阶跃开阀信号，快速打开防喘振阀，此时如果防喘振控制器处于手动状态，系统将强制切换至自动然后执行开阀动作。

如果阶跃响应仍然没有使压缩机远离喘振区，工作点将有可能会越过SOL，此时表明压缩机已经处于喘振状态，SOL响应将叠加RTL响应动作，同时SCL和RTL同步向右移动0.05的安全距离，增加额外的安全保护裕度，右移后的RTL和SCL将保证下一次压缩机在进入喘振区之前防喘振阀提前动作。触发SOL响应后，新生成的SCL和RTL不会自动复位，当人工复位后，安全裕度值才会恢复到SOL响应之前的数值。

2.1.2防喘振控制模型及算法

CCC机组控制系统的专用控制算法通过计算工作点斜率与喘振极限点斜率的比值来确定工作点与喘振点的相对位置，称为接近喘振变量Ss。防喘振控制的目的就是通过调节使压缩机的工作点远离该区域而始终保持在Ss值小于1的正常工况区间内运行。

CCC机组控制系统的防喘振控制方式主要根据Ss建立喘振的数学模型，并计算出工作点和喘振极限之间的喘振控制裕度d(d=1-Ss)，再加入安全裕度b1即可得到SCL和SLL的相对距离，然后进一步确定工作点和SCL之间的距离DEV(DEV=1-Ss-b1)，即可得到CCC机组控制系统防喘振控制的相关参考曲线，从而实现压缩机的安全、平稳控制，防喘振控制模型如图3所示，图3中，hr是简化压头；OPL是工作点运行线，a是SOL与SLL间的响应裕度，工作点跨越SLL后，经过a即跨越SOL后，就会触发快开响应；b是RTL与SCL的响应裕度，工作点跨越SCL后，经过b即跨越RTL后，就会触发阶跃响应。

图3 防喘振控制模型示意

2.1.3喘振曲线实测

由于压缩机入口介质条件如温度、压力、相对分子质量不同，喘振曲线是分散的多条曲线，给防喘振控制带来很大困难[5]。CCC机组控制系统特有的喘振检测机制和快速扫描周期，并结合“简化压头(hr)-简化流量(qV)”的变工况专利算法，通过压缩机入口压力或流量的快速下降来捕捉初始喘振，并将喘振曲线拟合成与入口条件无关的控制曲线，这样就可以更为方便地确定喘振点。基于该原理可以实现压缩机在开机状态下的喘振曲线实测。根据压缩机不同工况下各性能曲线上的喘振极限点可以绘制出压缩机的SLL。

喘振试验在压缩机正常启动并达到最低工作转速即(70%～75%)额定转速后开始进行，依次选取75%，80%，85%，90%，100%额定转速进行喘振试验，该改造项目选定4 112，4 626，4 858，5 140，5 397 r/min进行实测。喘振试验过程中，工艺人员通过CCC机组控制系统监视压缩机轴振动、轴位移、轴瓦温度等参数，设备人员在现场监视压缩机运行状况。当相应参数有明显升高迹象和接近报警设定值，或发现机组运行异常，或听到有喘振声音等时，应立即停止试验，并记录当前工作点作为一个初始喘振点[6]。

图4 压缩机实际防喘振曲线示意

2.2 极限控制

设置性能控制器输出作为速度控制器的远程设定，同时加入极限控制功能，即在控制一个主要变量的同时，对另外一个变量进行极限约束，以保持压缩机始终在安全区域内运行。性能控制器增加压缩机入口压力极限控制，防止压缩机入口压力低于下限设定值时引起压缩机转速波动；防喘振控制器增加压缩机出口压力极限控制，防止压缩机出口压力高于上限设定值时引起安全阀起跳，甚至压缩机联锁停车[7]。

2.3 石墙控制

石墙同喘振一样，也是离心式压缩机固有的不正常运行工况，是指压缩机在运行过程中某段气体无法排出时发生的内部气体阻塞现象。石墙控制与防喘振控制相似，防喘振控制是在压缩机不同压比下流量小时打开防喘振阀，而石墙控制是在压缩机不同压比下流量大时打开石墙控制阀。当压缩机在某工况下运行时，一段和二段吸入过多的冷剂无法全部压缩而进入下一级，因此要在三段排出一部分气体冷剂返回入口。如果这部分冷剂不排出压缩机，将在二段或三段之间循环，每当要进入三段时就会出现石墙现象。这时，压缩机一段和二段流量会迅速减少，四段则会发生喘振。因此，在压缩机可能出现石墙现象时，要将过多的气体冷剂从三段排出，此时就需要开大石墙控制阀在压缩机外循环至压缩机入口。石墙控制阀的设置如图5所示。

图5 石墙控制阀设置示意

当通过压缩机的流量低于阻塞流量时，石墙控制阀保持全关，当流量接近阻塞流量时，石墙控制器开始打开控制阀，将过多气体排出。石墙控制器通过石墙控制线(CCL)来确定其控制响应和动作，CCL定义了工作点和阻塞限制线(CLL)之间所要求的最小安全距离，并且始终位于阻塞限制线的左侧，CCL与CLL之间的距离为安全裕度b2。

压缩机工作点与CCL之间的距离DEV作为偏差参与石墙控制，当工作点在CCL左侧时偏差为正，石墙控制器关小控制阀；随着工作点向CCL右侧移动时偏差逐步减小，当工作点落在CCL上时偏差为零，此时石墙控制器输出保持不变；当工作点移动到CCL右侧时偏差为负，石墙控制器开大控制阀以增加压缩机的排出流量，防止压缩机进入阻塞工况，石墙控制器在整个调节过程中仅通过PI控制来响应偏差变化，使石墙控制阀打开速度更快[8]。压缩机石墙控制模型如图6所示，纵坐标为压缩机某段出口压力pd与入口压力ps的比值，横坐标为某段入口流量与入口最大流量的比值Hc。

2.4 解耦控制

过低的压缩机入口压力会提高压缩机压缩比，造成排气温度上升，影响排气量；过高的入口压力会增加压缩机负荷，降低压缩机效率。压缩机性能控制即通过入口压力与转速调节的串级控制，维持入口压力稳定。但是，当压缩机工作点距离SCL很近时，如果单纯降低转速将增加机组喘振的风险。比如，当压缩机入口压力受到干扰突然降低时，单纯靠降低转速无法维持入口压力稳定，此时需要打开一段防喘振阀来提高入口压力；即使喘振被成功避免，工作点在调节过程中也会产生较大扰动，甚至会造成压力调节失控，严重破坏工艺稳定[9]。

图6 压缩机石墙控制模型示意

压缩机性能控制与防喘振控制之间存在着耦合关系[10]，通过入口压力控制器的输出作为转速控制和防喘振控制的给定值进行解耦，CCC机组控制系统能够很好地解决压缩机入口压力控制、转速控制、极限控制和防喘振控制等多个控制器控制同一变量，或多个控制器之间相互冲突而引起压缩机控制紊乱等问题，最大限度减少或抵消各个控制回路之间相互作用产生的潜在干扰因素，它可以根据其他控制响应的变化来动态调整系统控制响应，监视和补偿各控制器输出有效协调控制，通过多变量控制，保证压缩机始终安全平稳运行。配置解耦功能的压缩机喘振控制曲线如图7所示。

图7 防喘振和性能控制的解耦示意

由图7可知，如果工作点在性能曲线上的A点开始出现一个较大扰动而到B点，性能控制器需要将压力控制到设定点C点。此时，防喘振控制器输出信号到性能控制器来提高压缩机转速和流量，运行点只需要一个很小的调节范围就能重新回到安全区域。这种解耦控制响应在扰动出现时能保证控制的平稳，同时也能保证压缩机在快速响应时不会进入喘振区，造成机组运行状态进一步恶化。

3 结束语

通过CCC机组控制系统实施了压缩机喘振曲线和机组性能的精确计算，并在装置开工阶段完成了压缩机喘振曲线实测，喘振线都发生了大幅向左的移动，增加压缩机的操作空间和操作弹性，进一步实现压缩机节能运行。

通过CCC机组控制系统成功解决了“四返二”防喘振操作安全裕度过低、防喘振阀不能全关以及四段石墙控制功能无效等问题。同时，对压缩机性能控制、抽汽控制、石墙控制及各段防喘振控制等控制策略进行了优化，并根据压缩机操作要求配置了各控制器之间的解耦功能。

在开工初期，乙烯制冷压缩机所有控制器均能投入全自动模式运行，各段防喘振阀均能实现全关操作，多次避免了防喘振阀在工艺波动时的不合理开启。延长了压缩机的寿命，减少了不必要的能耗，提升了自动化操作水平，缩短了装置开工时间，同时提高了压缩机和生产装置的经济性和安全平稳性。