黎力，盧喜華

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

離心壓縮機是許多大型石化企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，往往會造成很大的經(jīng)濟損失。如何使離心壓縮機安全、長周期的穩(wěn)定運行，成為各個石化企業(yè)關(guān)注的首要問題。成熟合理的控制和保護系統(tǒng)方案可以為壓縮機安全、穩(wěn)定地運行提供最有力的保障。

隨著安全儀表系統(tǒng)(SIS)的發(fā)展和普及，傳統(tǒng)的將壓縮機組所有相關(guān)的控制和保護都集成在一套硬件系統(tǒng)(ITCC)內(nèi)的做法已滿足不了IEC61511獨立性的要求。API 670： 2014Machineryprotectionsystem的更新內(nèi)容也表明壓縮機組的控制功能和保護功能相互獨立是將來的大趨勢。

在考慮壓縮機組控制和保護系統(tǒng)之前，首先要確定控制和保護系統(tǒng)應實現(xiàn)的目標，本文根據(jù)大量的實際工程經(jīng)驗，并結(jié)合API相關(guān)標準把汽輪機驅(qū)動離心壓縮機分為工藝系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、機械保護系統(tǒng)、盤車裝置、壓縮機啟動和緊急停車系統(tǒng)分別來闡述控制和保護功能，其目的是從工藝和機械的角度出發(fā)增強對壓縮機組的認識，有助于更深刻地理解機組控制和保護方案。

1 工藝氣系統(tǒng)

工藝氣系統(tǒng)控制流程如圖1所示，主要包括防喘振控制回路、性能控制回路和喘振檢測系統(tǒng)三部分。

圖1 工藝氣系統(tǒng)控制流程示意

1.1 防喘振控制

離心壓縮機瞬間流動逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為喘振。喘振過程中，壓縮機出口壓力快速地下降，然后快速恢復，這種循環(huán)的低頻率高振幅的氣流振蕩會造成壓縮機內(nèi)部件嚴重損壞。汽輪機驅(qū)動(可變速)壓縮機的特性曲線如圖2所示，在每個工作轉(zhuǎn)速下，隨著流量的下降，壓氣機都達到一個最大排氣壓力，連接這些點(圖2中A到C點)的線就是喘振線SLL。其中，Δp為壓縮機出口與入口的壓差；Δph為流量計差壓，STL為喘振聯(lián)鎖線，SCL為喘振控制線。

圖2 汽輪機驅(qū)動壓縮機的特性曲線示意

SLL的左側(cè)為喘振區(qū)，右側(cè)為壓縮機的工作區(qū)，防喘振控制的作用就是保護或防止壓縮機的工作點P進入喘振區(qū)。圖1中的UIC為典型防喘振控制回路，防喘振控制器由兩個功能組成，其基本原理如圖3所示。

圖3 防喘振控制原理示意

1)FIC為比例積分控制回路，SCL的值為該回路的給定值SP，計算如式(1)所示：

SP=m(Δp)+b

(1)

式中：m——SLL的斜率；b——SCL與SLL之間的偏移量。

2)FSL為喘振聯(lián)鎖回路，聯(lián)鎖設(shè)定值為STL線的值。當壓縮機的工作點P向左移碰到SCL時，如果FIC的響應速度無法使P點回到SCL右側(cè)，這時P點會繼續(xù)左移直到碰到STL，該聯(lián)鎖觸發(fā)一個階躍信號快速打開防喘振閥。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，各壓縮機控制系統(tǒng)廠家在上述功能的基礎(chǔ)上發(fā)展出各種獨特的控制算法，不僅提高了防喘振控制的調(diào)節(jié)精度和響應速度，還實現(xiàn)了防喘振控制、性能控制和轉(zhuǎn)速控制及解耦控制。

1.2 性能控制

性能控制的作用是通過上游或下游工藝要求來調(diào)節(jié)汽輪機的轉(zhuǎn)速使壓縮機的運行吻合工藝裝置的負荷，性能控制的被控變量一般根據(jù)工藝裝置的主要擾動量來選擇，常用的被控變量有壓縮機吸入壓力、出口壓力、出口流量。圖1中的性能控制器PIC以壓縮機吸入壓力作為被控變量，與轉(zhuǎn)速控制器SIC形成串級控制，性能控制的調(diào)節(jié)范圍為汽輪機最小到最大工作轉(zhuǎn)速。

由于多個防喘振控制回路之間，防喘振控制回路和性能控制回路之間相互影響，當工況變化劇烈時可能會導致壓縮機運行不穩(wěn)定，具有回路解耦功能的控制器會提高壓縮機控制的穩(wěn)定性。以圖1為例，當防喘振控制增加回流量時，性能控制器需要增加其輸出設(shè)定值到轉(zhuǎn)速控制器提高轉(zhuǎn)速，從而提高壓縮機吸入能力。在該種情況下，解耦控制將提供一個從防喘振控制器到性能控制器的前饋功能，以增加性能控制器的輸出。

1.3 喘振檢測系統(tǒng)

當防喘振控制功能失效時，喘振檢測系統(tǒng)應能準確檢測出壓縮機的喘振，并發(fā)出信號快速打開防喘振閥或停壓縮機。API 670： 2014并未強制要求離心壓縮機設(shè)置喘振檢測系統(tǒng)，但事實上大多數(shù)壓縮機控制系統(tǒng)廠家已把該功能集成在防喘振控制內(nèi)，雖然這樣做并不滿足API 670： 2014中喘振檢測系統(tǒng)和喘振控制系統(tǒng)相互獨立的要求。隨著SIS的發(fā)展和普及，未來的趨勢中該功能應獨立于防喘振控制系統(tǒng)，或集成在SIS內(nèi)。

2 蒸汽系統(tǒng)

抽汽凝汽式汽輪機蒸汽系統(tǒng)控制流程如圖4 所示。

圖4 蒸汽系統(tǒng)控制流程示意

2.1 轉(zhuǎn)速控制

該節(jié)討論的轉(zhuǎn)速控制是指啟動程序結(jié)束后，控制范圍從最小到最大工作轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速控制本質(zhì)上是普通的PID控制回路，通過調(diào)節(jié)SV閥的開度來控制汽輪機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)API 612： 2014Petroleum，petrochemtcal，andnaturalgasindustries-steamturbinesspecialpurposeapplication規(guī)定至少需要配置2個獨立的轉(zhuǎn)速探頭用于轉(zhuǎn)速控制。

抽汽或補汽式汽輪機轉(zhuǎn)速控制的情況要復雜的多，以下重點介紹抽汽式汽輪機的轉(zhuǎn)速控制原理。典型的抽汽式汽輪機特性曲線如圖5所示，實際上抽汽閥EV是安裝在汽輪機中段的機頭上，為了便于理解才把汽輪機分成兩段來表示。

圖5 抽汽式汽輪機特性曲線示意

當抽氣閥EV的開度V2=100%時，蒸汽流量qVF與汽輪機輸出功率P的關(guān)系分為兩部分： 第一部分為圖5中的抽汽量qVp=0線，此時抽汽量為零，所有蒸汽流量都轉(zhuǎn)換為汽輪機輸出功率，qVp=0線的斜率為整個汽輪機的功率轉(zhuǎn)換率；第二部分為圖5中V2=100%線，此時汽輪機抽汽點的壓力達到低壓蒸汽管網(wǎng)壓力，增加的流量值只通過汽輪機1級轉(zhuǎn)換為輸出功率，V2=100%線的斜率為汽輪機1級的功率轉(zhuǎn)換率。

轉(zhuǎn)速控制由轉(zhuǎn)速控制SIC和抽汽壓力控制PIC組成，SIC輸出功率需求量(P1)，PIC輸出抽汽需求量(qVP1)，根據(jù)汽輪機特性曲線可控制主調(diào)閥SV開度V1和抽汽閥EV開度V2。

2.2 超速保護系統(tǒng)

當轉(zhuǎn)速控制失效時，超速保護系統(tǒng)是汽輪機最后一道保護防線，API 612： 2014推薦其設(shè)定值為額定轉(zhuǎn)速的116%。為降低共因失效，超速保護系統(tǒng)應獨立設(shè)置或集成在SIS內(nèi)，不應與一般過程控制共用硬件，特別是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。

根據(jù)API 670： 2014規(guī)定超速保護系統(tǒng)需要配置3個獨立的轉(zhuǎn)速探頭實現(xiàn)“2oo3”邏輯表決。

3 油路系統(tǒng)

油路系統(tǒng)主要由油箱、主油泵、輔助油泵、油冷卻器、油過濾器、高位油箱、閥門、管路及儀表等部分組成。典型的油路系統(tǒng)控制流程如圖6所示，溫度控制TIC和壓力控制PCV保證潤滑油的油溫和油壓維持在正常的操作范圍內(nèi)。為了維持機組連續(xù)運行，油站一般設(shè)置1臺主油泵和1臺輔油泵，當主油泵故障或油泵出口壓力低時，自動啟動輔油泵。

圖6 油路系統(tǒng)控制流程示意

4 機械保護系統(tǒng)

在離心壓縮機各種故障中最常碰到的就是振動問題，引起壓縮機振動的因素很多，振動檢測系統(tǒng)提供的振動數(shù)據(jù)對于分析機組故障原因起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)API 670： 2014的要求，采用油膜潤滑的支撐軸承或推力軸承的旋轉(zhuǎn)設(shè)備傳感器推薦配置，最低要求如下：

1)鍵相位。每臺機組的驅(qū)動裝置上應當安裝一個非接觸式電渦流傳感器，用于相位基準測量。如果機組具有多個轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)軸(例如通過齒輪箱傳動的轉(zhuǎn)動部件)，則必須在每個不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置一個相位測量。

2)軸振動。每個支撐軸承上應當安裝2個非接觸式電渦流振動傳感器，2個傳感器呈夾角90°安裝，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“2oo2”表決。

3)軸位移。每個滑動推力軸承上應當安裝2個非接觸式電渦流位移傳感器，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“2oo2”表決。

4)振動加速度。對于齒輪箱，除了應當在支撐軸承上安裝電渦流傳感器以外，還應當在齒輪箱外殼上安裝1個振動加速度計式傳感器，用于檢測齒輪相關(guān)信息。

5)溫度。每個支持軸承上應當安裝2個溫度傳感器測量軸承金屬溫度，每個推力軸承的工作面和非工作面推力瓦上都應當安裝溫度傳感器，API 670： 2014推薦停車邏輯采用“1oo1”表決。

5 盤車裝置

盤車裝置的作用是在汽輪機啟動前或停機后，驅(qū)動汽輪機低速轉(zhuǎn)動從而減小上下汽缸溫差，避免轉(zhuǎn)子不均勻受熱產(chǎn)生彎曲變形，同時還可在啟動前檢查汽輪機動靜之間是否有摩擦及潤滑系統(tǒng)工作是否正常。盤車裝置的啟動分為手動模式和自動模式，自動模式需要增設(shè)一個零轉(zhuǎn)速探頭以確保汽輪機完全停車的狀態(tài)下自動啟動盤車電機。典型手動啟動盤車邏輯如圖7所示。

圖7 盤車電機啟動邏輯示意

6 壓縮機啟動

典型透平壓縮機啟動邏輯如圖8所示，不同機組的允許啟動信號會略有增減。

圖8 透平壓縮機啟動邏輯示意

當壓縮機允許條件全部滿足后，可開始啟動程序。常用的啟動程序分為手動、半自動、全自動三種模式，詳細操作流程如圖9所示。

圖9 透平壓縮機啟動流程示意

7 緊急停車系統(tǒng)

典型透平壓縮機緊急停車邏輯如圖10所示，不同機組的停車信號會略有增減。

圖10 透平壓縮機緊急停車邏輯示意

8 控制系統(tǒng)方案

8.1 傳統(tǒng)ITCC方案

傳統(tǒng)ITCC方案采用一套機組控制系統(tǒng)實現(xiàn)所有機組的控制和保護功能，其最大的優(yōu)點是系統(tǒng)界面少、工程實施簡單、維護方便。但隨著用戶對于安全儀表系統(tǒng)越來越重視，機組安全保護相關(guān)的SIF功能要求獨立于一般過程控制回路，該方案已無法滿足此類用戶的需求。

8.2 專用控制器方案

筆者參與設(shè)計的國外某總承包項目中，用戶要求防喘振控制、性能控制、轉(zhuǎn)速控制、超速保護、振動檢測均采用專用的控制系統(tǒng)，機組其他部分的檢測和控制利用工藝裝置的DCS實現(xiàn)，機組安全相關(guān)的保護功能利用工藝裝置SIL認證的SIS實現(xiàn)。該方案不僅完全滿足控制和安全保護功能相互獨立的要求，并且專用控制器先進的算法保證了壓縮機高效穩(wěn)定地運行，機組部分的檢測、控制和操作與工藝裝置采用統(tǒng)一的DCS操作界面。該項目離心壓縮機控制系統(tǒng)方案如圖11所示。

該方案的缺點是各個系統(tǒng)之間的來往的信號線比較多，實施難度較大，要求設(shè)計者和用戶對于壓縮機控制有一定程度的理解，協(xié)調(diào)好各系統(tǒng)之間的控制需求。

圖11 國外某項目離心壓縮機控制系統(tǒng)方案示意

8.3 優(yōu)化版ITCC方案

該方案從傳統(tǒng)的ITCC方案改進而來，機組所有檢測、控制功能和操作利用ITCC實現(xiàn)，機組安全相關(guān)的保護功能從原來ITCC改到SIS實現(xiàn)。該方案同樣滿足控制和安全保護功能相互獨立的要求，但系統(tǒng)之間界面要較專用控制器方案少很多，工程實施和傳統(tǒng)的ITCC沒有大的區(qū)別。

9 結(jié)束語

本文是筆者在項目實施中由于傳統(tǒng)ITCC概念和SIS要求產(chǎn)生矛盾后引發(fā)的思考和探索，壓縮機控制系統(tǒng)配置方案是靈活多變的，工程設(shè)計人員需要更深入地了解機組控制和保護的目的，才能設(shè)計壓縮機及其相關(guān)設(shè)備控制及保護系統(tǒng)的最優(yōu)方案，更好地滿足用戶的操作習慣。