王玉龍

（中國(guó)石油蘭州石化分公司電儀事業(yè)部，甘肅蘭州 730060）

中石油蘭州石化公司化肥廠大化肥裝置于1997年建成投產(chǎn)，空壓機(jī)和氮壓機(jī)壓縮機(jī)由瑞士蘇爾壽公司制造，透平由西門子公司制造，合成氣壓縮機(jī)和氨壓縮機(jī)透平和壓縮機(jī)由三菱重工制造。機(jī)組聯(lián)鎖安全保護(hù)系統(tǒng)采用MODICON PLC 系統(tǒng)，空壓機(jī)、氮壓機(jī)、氨壓縮機(jī)、合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)的調(diào)速控制均為WOODWARD 電子調(diào)速器505E/505。機(jī)組防喘振控制采用橫河可編調(diào)節(jié)器器YS80。合成氨裝置原設(shè)計(jì)渣油為原料，2001 年改為以天然氣為原料，新增加了一臺(tái)阿特拉斯多軸式離心壓縮機(jī)組，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，天然氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)為西門子S7-400 PLC。 機(jī)組調(diào)速、防喘、聯(lián)鎖保護(hù)相互獨(dú)立，控制系統(tǒng)老化，致使系統(tǒng)多次出現(xiàn)故障，使化肥裝置停車。2011 年對(duì)合成氨6 大機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，選用TR1CONEX TS3000 綜合控制系統(tǒng)。

1 離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象

喘振是離心式壓縮機(jī)特有的現(xiàn)象，流量與壓力不匹配，壓力過高而對(duì)應(yīng)流量過小就會(huì)引起壓縮機(jī)及相連設(shè)備喘振。離心式壓縮機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)速下的特性曲線（見圖1）。QB 是最大壓縮比（P2/P1）（壓縮機(jī)出口壓力和入口壓力之比）相對(duì)應(yīng)的體積流量，B 點(diǎn)是在這一工況下喘振曲線和工作曲線壓縮機(jī)能否穩(wěn)定操作的分界點(diǎn)。壓縮機(jī)工作點(diǎn)在A 點(diǎn)，當(dāng)壓縮機(jī)降低負(fù)荷或由于某種原因造成流經(jīng)壓縮機(jī)的流量減小，壓縮機(jī)工作點(diǎn)由A 點(diǎn)移B 點(diǎn)，此時(shí)壓比升至最大；出口壓力也升至最大，流量繼續(xù)下降，則壓縮比也將繼續(xù)下降，出口壓力也進(jìn)一步減小，這是與壓縮機(jī)相連接的管線系統(tǒng)的壓力在這一瞬間卻不會(huì)變，于是管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)所能提供的壓力，瞬間將發(fā)生氣體倒流現(xiàn)象造成部分或全部氣體回流，待管線中壓力下降后，氣體流動(dòng)方向又反過來，氣流在壓縮機(jī)中來回流動(dòng)的現(xiàn)象稱作喘振。B 點(diǎn)時(shí)壓縮機(jī)在這一工況下喘振點(diǎn)。喘振時(shí)壓縮機(jī)機(jī)體發(fā)生振動(dòng)并波及到相鄰的管網(wǎng)，喘振強(qiáng)烈時(shí)，能使壓縮機(jī)嚴(yán)重破壞。

圖1 離心式壓縮機(jī)性能曲線

2 TRICONEX TS3000 防喘振曲線

喘振的發(fā)生與壓縮機(jī)的功率有關(guān)，在不同功率下壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)是不同的，選取不同功率下的幾個(gè)喘振點(diǎn)，連成曲線，既可得到喘振曲線。在化肥機(jī)組改造中，壓縮機(jī)的喘振曲線是由原壓縮機(jī)廠家提供，在TRICONEX 典型的喘振控制曲線中，喘振線橫坐標(biāo)壓縮機(jī)某一段入口流量h%，縱坐標(biāo)為壓比或壓差的百分比。喘振線是根據(jù)原壓縮機(jī)廠家提供的壓縮機(jī)性能曲線經(jīng)過轉(zhuǎn)換計(jì)算出來的。其具體做法為，在壓縮機(jī)性能曲線的喘振線上取5 個(gè)點(diǎn)，然后通過一定的計(jì)算方法轉(zhuǎn)換TRICONEX 控制算法的拐點(diǎn)坐標(biāo)，連接這些拐點(diǎn)便得到了此種控制算法的喘振線（見圖2）。

圖2 根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線建立喘振線

在某一轉(zhuǎn)速，壓比一定時(shí)，保證壓縮機(jī)入口流量不低于最小流量控制點(diǎn)的值，為喘振點(diǎn)。為了安全起見需選擇喘振線的安全裕度（2 %～10 %），稱為防喘振線。如果工作點(diǎn)越過喘振線，程序就會(huì)認(rèn)為發(fā)生喘振。這時(shí)就會(huì)認(rèn)為防喘振安全裕度小了，程序會(huì)自動(dòng)調(diào)整裕度一次增加2 %，形成新的防喘振線即喘振下移線。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況改善后可以按“復(fù)位按鈕”可以使裕度恢復(fù)正常，防喘振下移線與防喘振線重合。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)與喘振線之間的距離，通過獨(dú)特的防喘振算法，對(duì)壓縮機(jī)防喘閥進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到防止壓縮機(jī)喘振的目的。

壓縮機(jī)工作點(diǎn)的計(jì)算，可以根據(jù)壓縮機(jī)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，通過一定的轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償?shù)玫狡淇刂扑惴ㄋ枰膲嚎s機(jī)入口流量。工作點(diǎn)計(jì)算方法有以下兩種：

（1）當(dāng)孔板安裝在壓縮機(jī)入口時(shí)，工作點(diǎn)計(jì)算公式為：

其中：rHc-工作點(diǎn)；H_pct-孔板測(cè)量差壓百分比；Psb-壓縮機(jī)入口設(shè)計(jì)壓力（絕對(duì)壓力）；Pfob-孔板測(cè)量設(shè)計(jì)壓力（絕對(duì)壓力）；Ps-壓縮機(jī)入口壓力（表壓）；Ps_abs_cor-Ps 轉(zhuǎn)換為絕對(duì)壓力系數(shù)（當(dāng)?shù)卮髿鈮海?/p>

（2）當(dāng)孔板不是安裝在壓縮機(jī)入口時(shí)，工作點(diǎn)計(jì)算公式為：

其中：rHc-工作點(diǎn)；H_pct-孔板測(cè)量差壓百分比；Psb-壓縮機(jī)入口設(shè)計(jì)壓力（絕對(duì)壓力）；Ps-壓縮機(jī)入口壓力（表壓）；Ps_abs_cor-Ps 轉(zhuǎn)換為絕對(duì)壓力系數(shù)（當(dāng)?shù)卮髿鈮海?；Ts-壓縮機(jī)入口氣體溫度（單位：℃）；T_abs_cor-轉(zhuǎn)換為絕對(duì)溫度系數(shù)（273）；Tsb-壓縮機(jī)入口設(shè)計(jì)溫度；Pfo - 孔板位置氣體實(shí)際壓力；Pf_abs_cor-Pfo 轉(zhuǎn)換為絕對(duì)壓力系數(shù)；Pfob-孔板測(cè)量設(shè)計(jì)壓力（絕對(duì)壓力）；Tfob-孔板測(cè)量設(shè)計(jì)氣體溫度；Tfo-孔板處實(shí)際氣體溫度。

3 氮?dú)鈮嚎s機(jī)防喘振控制

在化肥6 臺(tái)機(jī)組改造中，氮壓機(jī)的防喘振系統(tǒng)的改造最具有難度，氮壓機(jī)工藝系統(tǒng)復(fù)雜，與外部關(guān)聯(lián)設(shè)備較多，通過對(duì)原設(shè)計(jì)的可編程調(diào)節(jié)器YS80 的程序解讀，對(duì)關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，順利實(shí)現(xiàn)了氮壓機(jī)防喘振控制改造。

3.1 氮壓機(jī)工藝流程

空分單元來的0.52 MPa 低壓原料氮?dú)?，?jīng)程控閥UV058 后進(jìn)入氮?dú)鈮嚎s機(jī)，經(jīng)一：二級(jí)葉輪壓縮后，約1.3 MPa，124 ℃的氮?dú)膺M(jìn)入一段冷卻器冷卻至40 ℃進(jìn)入壓縮機(jī)二段，依次經(jīng)三：四級(jí)葉輪壓縮后，約3.35 MPa，155 ℃的中壓氮?dú)饨?jīng)二段冷卻器冷卻至40 ℃以下，一部分經(jīng)程控閥UV060 送往空分膨脹機(jī)做為制冷原料氣，其余氮?dú)膺M(jìn)入壓縮機(jī)三段第五級(jí)葉輪繼續(xù)壓縮后壓力5.15 MPa，97 ℃進(jìn)入三段冷卻器冷卻至40 ℃后分三路送至各單元。一路經(jīng)程控閥UV062 送往空分單元循環(huán)換熱器，第二路經(jīng)分成調(diào)節(jié)閥FV053A 送往液氮洗單元，或在氮洗未開車時(shí)經(jīng)FV053B 防空，第三路經(jīng)分程調(diào)節(jié)閥FV055A 送氣化高壓氮壓縮機(jī)GB102，在GB102 未開車時(shí)，經(jīng)程控閥FV055B 防空。氮壓機(jī)流程圖（見圖3）。

3.2 氮壓機(jī)防喘振控制設(shè)置

氮壓機(jī)分三段壓縮，一段入口壓力為0.52 MPa，一段出口壓力為1.3 MPa，二段出口壓力為3.35 MPa，三段出口壓力為5.15 MPa。一、二段共用一個(gè)防喘振閥FV051 回流到壓縮機(jī)一段入口，三段用一個(gè)防喘振閥FV052 回流到壓縮機(jī)三段入口。用壓縮機(jī)二段出口流量FT051，一段入口壓力PA-059，PI054 二段出口壓力做氮壓機(jī)一、二段的防喘振控制。用PI054 二段出口壓力，PI056 三段出口壓力和三段出口流量FT052 做氮壓機(jī)三段的防喘振控制。

圖3 氮壓機(jī)流程圖

在機(jī)組二段出口除一部分氣體去三段入口外，另外一部分氮?dú)饨?jīng)程控閥分流到2 臺(tái)膨脹機(jī)，膨脹機(jī)一開一備，為空分裝置提供冷量。在聯(lián)鎖設(shè)置上，氮壓機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，F(xiàn)V051 或者FV052 閥打開，氮壓機(jī)卸載信號(hào)，觸發(fā)膨脹機(jī)跳車。膨脹機(jī)的啟停過程中影響到壓縮機(jī)的三段入口流量，膨脹機(jī)啟動(dòng)時(shí)三段入口流量減小，使得壓縮機(jī)三段容易進(jìn)入喘振區(qū)；而當(dāng)膨脹機(jī)停止時(shí)，一方面三段入口流量增加，從而三段入口壓力升高，三段出口壓力升高影響到空分裝置的運(yùn)行。鑒于氮壓機(jī)運(yùn)行的此特點(diǎn)，通過反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)膨脹機(jī)啟停過程中，影響氮壓機(jī)運(yùn)行，對(duì)氮壓機(jī)控制方案進(jìn)行改進(jìn)，該方案用三段出口壓力控制輸出來控制三段防喘閥FV052 和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，防喘閥控制和調(diào)速之間采用分程控制。具體做法是當(dāng)膨脹機(jī)啟動(dòng)時(shí)三段出口壓力降低，先關(guān)閉三段防喘閥FV052，在關(guān)閉閥門的時(shí)候若防喘閥已關(guān)閉到5 %，壓力還繼續(xù)下降，此時(shí)汽輪機(jī)則開始升速；反之三段出口壓力高，汽輪機(jī)先降速，若三段出口壓力繼續(xù)升高則慢慢打開防喘閥FV052。膨脹機(jī)停止時(shí)，打開FV051 閥12 %的開度，將進(jìn)入膨脹機(jī)的流量回流到一段入口保證三段入口的壓力沒有太大的波動(dòng)，三段出口壓力調(diào)節(jié)一直在調(diào)節(jié)從而保證三段出口的壓力穩(wěn)定，空分裝置的工藝生產(chǎn)。在氮壓機(jī)總控畫面上設(shè)計(jì)二段出口壓力調(diào)節(jié)器和三段出口壓力調(diào)節(jié)器，在開啟膨脹機(jī)之前，將二段出口壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力設(shè)定在3.2 MPa，三段出口壓力調(diào)節(jié)器設(shè)定值設(shè)定在5.01 MPa，將兩個(gè)調(diào)節(jié)器自動(dòng)投入，開啟膨脹機(jī)后，氮壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，可推出調(diào)節(jié)器自動(dòng)投入。運(yùn)行的膨脹機(jī)如跳車或手動(dòng)停車，兩個(gè)調(diào)節(jié)器自動(dòng)投入，進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 總結(jié)

化肥6 臺(tái)大機(jī)組控制系統(tǒng)改造，機(jī)組實(shí)現(xiàn)了一次開車成功。通過對(duì)氮?dú)鈮嚎s機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，解決了膨脹機(jī)開停車對(duì)氮壓機(jī)系統(tǒng)的影響，消除了因膨脹機(jī)停車導(dǎo)致氮壓機(jī)停車的影響。與原控制系統(tǒng)相比，TRICONEX TS3000 將透平調(diào)速控制、防喘振控制、聯(lián)鎖邏輯控制，壓縮機(jī)工藝控制監(jiān)控整合為一體，完善的SOE 系統(tǒng)能記錄毫秒級(jí)的事故記錄，對(duì)以往壓縮機(jī)非計(jì)劃停車后，事故記錄不清，故障難以查找被動(dòng)局面完全消除。系統(tǒng)改造后，邏輯控制直觀、清晰，邏輯修改容易，聯(lián)鎖維護(hù)非常方便。壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)畫面為操作人員提供了壓縮機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，為操作人員提供了良好的人機(jī)監(jiān)控界面。改造后壓縮機(jī)儀表控制系統(tǒng)的高可靠性，保障了機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，為化肥裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］ TRICONEX TS3000 使用手冊(cè).

［2］ 氮壓機(jī)操作規(guī)程［G］.2010.