大机组自动控制策略性能优化

翟宏伟，谢建军(中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317)

1 概述

本次机组自动控制策略性能优化涉及以下：40000 m3/h空分装置大机组(包括空压机组和氮压缩机组)，其中空压机组由三部分组成：汽轮机(杭汽)、空压机(MAN)和增压机(MAN)，氮压缩机组由二部分组成：汽轮机(杭汽)、氮压机(cameron)；氨制冷机组：汽轮机(杭汽)、压缩机为沈鼓设计制造的二缸三段压缩机，设计有三回一、三回二、三回三、三段防喘振。上述机组控制系统均采用TRICONEX 的TS3000控制系统。

2 大机组智能自动控制策略性能优化的必要性

自投用以来，由于工艺、设备、机组控制系统调试等问题，上述三套压缩机组防喘振控制一直在半自动控制状态，为保证机组的安全运行，防喘振阀无法投用自动，同时防喘振阀门需保持一定开度以保证运行点与防喘振线的较大的安全裕度。

氨压机存在问题：各段都未实测过防喘振线，防喘振阀一直不能全关。在实际操作中，当机组运行点靠近喘振控制线时(在喘振线右侧未达到喘振线时)，防喘振阀就出现喘振全开。为保证机组的安全运行，防喘振阀无法投用自动，同时防喘振阀需保持一定开度以保证运行点与防喘振线的安全裕度。机组很多控制回路控制偏差大或手动控制，操作员要实时监视调整氨冰机喘振测试结果。喘振测试结果偏差很大，一段原喘振线比实际喘振线偏离了20%左右，在运行中工作点距离喘振线20%就发生喘振。上述问题都需要操作人员投入精力去观察机组的重要参数，实时进行人工手动调节，这样既不安全也不经济，造成能量的浪费。

改进方法：增加防喘振线控制死区线，避免投用自动时产生控制振荡。增加防喘振阀启动死区控制，使防喘振阀能适应性能控制的需要。修改慢关功能，目前为固定的速率2%/秒。修改为依据阀的开度和控制裕度自动实现裕度大速率快，裕度小速率慢的慢关速率自动调整。参加控制的主要仪表要有故障退守测量，防止因仪表回路故障引起机组运行事故。依据机组运行数据和操作需求重新明确防喘振控制功能和调整防喘振控制参数，能够实现防喘振自动控制[1]。

为了保证工艺装置的安全长周期稳定运行，需要使用更新的技术、更加可靠的应用软件组态来控制压缩机组，实现机组的自动化优化运行。因此需对压缩机组控制系统进行优化。

3 机组运行现状及系统优化方法

氨制冷压缩机入口压力(性能)控制程序无法投自动，无法实现机组入口压力与转速的串级控制。抽汽流量控制，冬季要求加大抽汽量，夏季要求减少抽汽量；压缩机防喘振控制：防喘振控制图压比量程过大。

改进方法：(1)完善自动控制回路程序，采用不同工况自动选择不同的控制参数，实现控制参数根据工况变化的优化整定，确保控制参数稳定；(2)通过压缩机运行数据和设计数据对比分析，找到压缩机二段防喘振阀不能全关的原因，重新核算喘振线和数据分析找到压比过高的原因；(3)完善压缩机防喘振控制程序，依据机组特性调整控制参数，在保护压缩机的同时减少控制对工艺影响，检查参与防喘振控制的仪表，分析历史运行数据，确定仪表稳定正常。喘振测试，重新标定喘振线，使压缩机在稳定工况下运行的同时，能节能控制运行；(4)抽汽压力原有自动控制基础上增加手动控制功能；(5)通过速度和防喘振控制的解耦控制在机组的节能运行情况下来实现压缩机入口压力的稳定，对于氨压缩机用入口压力作为主控参数实现性能控制，修改自整定参数程序，增加控制死区；(6)依据运行数据分析，结合设备测试结果，修改控制参数。如：防喘振线PID器控制参数、比例控制器最大开度、阀门快开和慢关速率等；(7)控制压缩机的入口压力或出口压力或流量为主要参数，通过速度和防喘振控制的解耦控制在机组的节能运行情况下来实现压缩机入口压力的稳定。对于氨压缩机用入口压力作为主控参数实现性能控制。

如果单纯的用入口压力控制与调节转速做串级控制，当压缩机的工作点距离控制线很近时，这时再降转速，是危险的，有发生喘振的可能性；入口压力要求迅速提高时，只降转速是来不及的，这时需要迅速打开一段入口回流阀来提高入口压力，待入口压力稳定后，再关回流阀同时降转速，保证压缩机的入口压力保持不变。在装置低负荷时，(喘振阀有开度)这时就需要用回流阀来控制入口压力，此时如果用转速来控制入口压力就有发生喘振的可能，解耦控制能够有效地解决以上问题。

控制框图如图1所示。

在机组启动过程中和停机过程中，空压机和增压机的入口导叶为手动控制，造成操作繁琐和存在操作失误的可能。

改进方法：(1)按照工艺要求设计好启停机组过程导叶控制的时机和大小，用程序控制减轻操作强度，实现机组自动启停；(2)空压机、增压机1段、增压机2段机组停车过程导叶开度控制，在机组停车过程中，当速度<200 r/min时，程序将导叶开度设置为0，接着操作人员可以操作；(3)机组启动过程导叶开度限制：模式等于2时程序设置导叶开度到5%,范围在4%～8%之间可操作；在机组启动过程中，当速度>1300 r/min时，在12%～15%之间可操作；在机组启动过程中，当速度>5262 r/min时，在15%～100%之间可操作；机组正常操作的时候，程序设置导叶开度的最小值和最大值，性能控制调节范围在最大范围和最小范围进行调节。

不能做到自动一键升速，机组启动过程过分依赖操作人员的操作经验，这样操作强度大对操作人员的经验要求高。

改进方法：根据机组制造厂所规定的升速曲线和操作经验和依据运行数据分析，优化调整机组自动启动参数。(1)允许在线修改一段暖机时间、二段暖机时间、三段暖机时间；(2)升速过程(不在临界区)中自动/手动可以进行无扰动操作；(3)加速区对机组振动等情况判断后，如果需要降速至暖机区，在程序中增加“降速至暖机区按钮”，然后可以降速至暖机区；(4)在保留原来控制方式的前提下，增加一键启动功能，两种模式可以无扰动切换操作。完善升速过程中自动升速程序，程序通过对振动情况和汽轮机蒸汽温度等，条件综合判断暖机结束后是否继续升速，做到一键自动升速到运行速度；(5)自动升速过程中操作员可随时解除自动控制，速度停留在临界速度外的当前速度。

不防喘振控制采用空压机吸气压差和排气压力来控制。没有对喘振线进行温度补偿，温度变化比较大时，喘振线存在一定的偏差。

改进方法：(1)修改防喘振控制程序。关阀速率修改为依据工作点和防喘振线的距离，程序自动选择速率；(2)增加空压机喘振线温度补偿；(3)增加防喘振线控制死区线，避免投用自动时在阀有开度的时候，产生控制振荡；(4)增加防喘振阀启动死区控制，使防喘振阀能适应性能控制的需要；(5)修改慢关功能，依据阀的开度和控制裕度自动实现裕度大速率快、裕度小速率慢的速率自动调整；(6)增加参加控制的主要仪表要故障退守策略，避免因仪表回路故障引起机组运行事故；(7)机组进行喘振验证测试，性能控制投用后工作点运行在防喘振线附近，做机组防喘振线验证试验，确保机组工作点达到喘振线时机组不发生喘振，确保机组能安全运行，喘振线验证试验，同喘振试验，只是不一定要做到机组喘振，当工作点达到喘振线时就结束试验。

空压机导叶控制按照原控制系统的设计是采用空压机出口压力进行自动调节，投自动后不能稳定运行。单纯调整导叶有发生喘振的风险；导叶控制没有设置输出死区限制，不利于导叶的长期稳定运行。

改进方法：(1)将入口导叶控制方案修改为性能控制，通过解耦控制防喘振阀和入口导叶来达到自动控制出口压力的目的；(2)增加导叶控制死区限制；(3)空压机出口压力用于空压机的性能控制，考虑分子筛切换过程中压力快速降低提前开导叶的动作。

增压机一段和二段导叶控制都为手动控制，压力控制可能调节不及时而波动大，不能投用自动，人工操作强度大。

改进方法：(1)将两个导叶控制由出口压力控制，修改为以出口压力主控参数的性能控制；(2)分析膨胀机和高压板式换热器部分工艺波动时可能的相互干扰。计算膨胀机跳车后对应放空阀相应的开度，待程序修改完后进行参数确认。建立两段性能控制的彼此之间的协调控制；(3)根据现场实际参数的灵敏度选取两台压力变送器中反应灵敏度高的参与二段导叶控制；(4)将增压机一段出口压力和二段出口压力，采用3取2退守策略参与相应性能控制。

点击加载按钮后可以手动关小防喘振阀，开大导叶来加载空压机负荷。开车过程操作员需要频繁操作，操作强度大。

改进方法：(1)改变加载按钮的定义，在机组联锁停车后，性能控制程序切换为手动，出口压力设定值置0；(2)机组运行正常后，按下加载按钮，程序自动投用性能控制，逐步增大出口压力设定值到需要的压力，程序按照出口压力设定值自动调整防喘振阀和入口导叶，将出口压力自动控制到压力设定值。

膨胀机跳车、4返2防喘振回流阀打开造成增压机三段出口压力高，机组发生喘振。目前通过三段入口管线放空阀调节压力，防止入口超压，不能满足。

改进方法：(1)完善增压机一段和二段入口放空阀(PV-1081和PV-1084)的性能控制。将放空阀的压力控制器修改为压力限制控制。压力超过高限后通过PID调整控制；(2)这个放空阀的另一项重要功能是当膨胀机或液氧泵跳车后将送往膨胀机或高压板式换热器的压缩气体排出系统。依据正常时的流量和放空阀的CV曲线计算出对应的放空阀开度作为预设值，当收到膨胀机或高压板式换热器的停车信号时，开到预设的开度后在实施压力控制，达到更有效的控制压力的目的。

4 优化效益

(1)自动加载程序投用自动后，在机组启动时候，加载程序控制机组加载，增加了加载过程的稳定性的同时减少了加载时间，缩短了机组的开车时间带来经济效益。

(2)通过最新的控制技术控制回路都能运行在自动控制，使机组的自动化控制水平提高，减少操作人员的操作的频次节约操作时间，更好的保障装置的操作平稳，带来潜在的效益。

(3)机组性能控制优化后，为机组投用性能控制，使得机组运行更安全稳定，摸索出一套合理的控制方案，可大幅提高煤化工中大型机组性能，使机组做工更节能。优化性能控制，实现异常状态下机组联锁动作的安全合理，完善应急响应，减少停车损失。

5 结语

自动控制优化工作是一项长期工作，也是一项艰巨工作，反映了煤化工管理的综合水平。从此次优化工作的结果来看，不仅提高了机组自动化的水平，而且在节能降耗方面也取得了经济效益，此次控制系统改造优化达到了预期目标[2]。