郭 濤

（河南晉開化工投資控股集團有限責任公司，河南開封 475000）

0 引 言

河南晉開化工投資控股集團有限責任公司（簡稱晉開化工）二分公司合成氨裝置設計產(chǎn)能為2×600kt／a，氨合成系統(tǒng)共設置4臺合成氣壓縮機組，機組由汽輪機拖動，單臺機組對應合成氨產(chǎn)能為300kt／a。合成氨裝置自2012年試車后轉入正常運行以來，由于生產(chǎn)負荷的波動及合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)設計方面的原因，導致合成氣壓縮機低壓缸進氣流量和壓力較設計值偏低，壓縮機低壓缸防喘振控制系統(tǒng)裕度較小，操作難度增大，防喘振閥長期保持打開狀態(tài)，造成部分高壓氣體一直在缸內循環(huán)，增加了機組的蒸汽消耗，對生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性產(chǎn)生了不利影響。為此，晉開化工二分公司通過充分地調研，最終選定了合適的控制系統(tǒng)應用于合成氣壓縮機組的智能化升級改造，以下對有關情況作一介紹。

1 合成氣壓縮機組的主要性能參數(shù)

晉開化工二分公司4臺合成氣壓縮機主要性能參數(shù)見表1。合成氣壓縮機由陜鼓設計制造，采用兩缸三段結構，二段出口氣與循環(huán)氣在缸內混合；低壓缸型號為EV45-9，低壓缸內有9級葉輪，依次布置；高壓缸型號為EVS45-9，高壓缸內有9級葉輪，前8級為壓縮段，后一級為循環(huán)段；高壓缸、低壓缸分別布置在汽輪機兩側，由1臺雙輸出軸抽凝式汽輪機通過膜片聯(lián)軸節(jié)連接。

表1 合成氣壓縮機主要性能參數(shù)

2 合成氣壓縮機組運行中出現(xiàn)的問題

合成氣壓縮機自2012年投運以來，出現(xiàn)了一些問題，具體情況如下。

生產(chǎn)系統(tǒng)負荷在85%左右時，合成氣壓縮機進口壓力只能夠達到2.85MPa（A），進口流量在105000m3／h左右，此時低壓缸防喘振閥必須保持8%～12%的開度，否則工況點就會越過防喘振線，造成生產(chǎn)系統(tǒng)的波動；生產(chǎn)系統(tǒng)負荷在100%時，合成氣壓縮機進口壓力能夠達到3.0MPa（A），進口流量也能達到115000m3／h，但此時低壓缸防喘振控制系統(tǒng)裕度很小，工況點基本上是靠近防喘振線運行，一旦系統(tǒng)壓力和流量出現(xiàn)輕微波動，就會造成工況點越過防喘振線，防喘振閥大幅度打開，系統(tǒng)波動加劇，對整個生產(chǎn)系統(tǒng)造成較大影響。為減少這種情況的發(fā)生，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，低壓缸防喘振閥被迫保留5%～7%的開度，造成部分高壓氣體一直在缸內循環(huán)，機組能耗增加。

合成氣壓縮機組防喘振控制系統(tǒng)開車之初算法比較保守，當工況點剛越過防喘振線時，防喘振閥就快速打開，并且幅度較大，沒有經(jīng)歷預先調節(jié)的過程，防喘振增益調節(jié)不合理，對機組的安全運行及工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了不利影響。

3 合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 控制系統(tǒng)的工藝需求

鑒于合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)存在的問題，提出以下工藝、安全等方面的技術升級要求。

（1）合成氣壓縮機防喘振控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，具體控制點為低壓缸進口壓力或低壓缸進口流量其中之一，兩個條件目標可以自由切換；正常生產(chǎn)時，自動控制系統(tǒng)投入使用，低壓缸防喘振閥完全關閉，據(jù)控制參數(shù)的變化自動調整汽輪機的轉速，實現(xiàn)機組的節(jié)能降耗。

（2）合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)要充分考慮低壓缸、高壓缸、循環(huán)段的3個防喘振閥之間的關系，設計上要保證防喘振閥按預設目標動作，保障機組的安全運行。

（3）4臺合成氣壓縮機低壓缸進口工藝管線并聯(lián)，2臺以上合成氣壓縮機組同時運行時，控制系統(tǒng)需做好負荷的分配，且實現(xiàn)單臺合成氣壓縮機組負荷可獨立調整。

（4）優(yōu)化后的合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)必須安全可靠，在特殊工況下能實現(xiàn)防喘振系統(tǒng)的及時響應，避免機組出現(xiàn)軸振值過高的現(xiàn)象，以免造成機組跳車或設備損壞。

（5）優(yōu)化后的合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)不能干擾機組原有的安全保護系統(tǒng)，確保機組因聯(lián)鎖跳車時保護系統(tǒng)的及時響應。

（6）現(xiàn)場2臺合成氣壓縮機組同時施工，機組停車至并入系統(tǒng)運行總時長不得超過48h。

3.2 技術方案的選擇

最初合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)的升級方案擬采用小幅度調整，即據(jù)控制系統(tǒng)原始工藝設計要求，只調整工況點的運行范圍，由晉開化工二分公司的儀表技術團隊完成。在后來的技術交流中，考慮到控制系統(tǒng)軟件的專業(yè)性及機組的安全性，最終決定聘請專業(yè)自動化控制系統(tǒng)技術團隊來完成合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)的智能化升級。

為此，技術人員考察了業(yè)內的多家自動化控制系統(tǒng)設計制造廠商，提出了工藝、安全技術需求，并組織進行了多次技術交流，且對部分控制系統(tǒng)設計制造廠商的應用業(yè)績進行了實地考察，對各自動化控制系統(tǒng)設計制造廠商給出的方案進行了技術比對，比對情況見表2。可以看到：北京公司Ⅰ升級方案的各項指標優(yōu)良，能夠滿足合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)自動化升級的各項要求，唯一或最大的不足就是需要硬件投資，投資成本稍高，且需要較長的安裝窗口期；北京公司Ⅱ升級方案的各項指標基本良好，能滿足合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)自動化升級的各項要求，不足之處是成功應用案例較少，安全性有待考證；陜鼓升級方案的各項指標優(yōu)良，能夠滿足合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)自動化升級的各項要求，成功應用案例較多，不需要增加硬件，具有投資成本競爭優(yōu)勢，且安裝窗口期在24h以內。

表2 機組控制系統(tǒng)智能化升級方案的比對

經(jīng)過技術團隊的認真研究與比選，最終決定由控制系統(tǒng)原設計廠商陜鼓來完成合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)的智能化升級改造。

3.3 智能化控制系統(tǒng)的先進功能

3.3.1 防喘振線動態(tài)補償

據(jù)實際生產(chǎn)中工藝氣的溫度、壓力和不同介質的分子量，對整條喘振線和防喘振線進行動態(tài)補償，客觀合理地反映合成氣壓縮機的性能變化。

3.3.2 壓縮機壓力高限控制

增加合成氣壓縮機低壓缸出口壓力高限保護功能，保護合成氣壓縮機在正常工藝指標范圍內運行，且壓力高限值可據(jù)生產(chǎn)需求動態(tài)調整。

3.3.3 先進的防喘振控制算法

據(jù)多變能量頭理論，同一臺壓縮機在壓縮相同容積流量的氣體時，壓縮機對氣體所做的多變壓縮功不變，即壓縮機的多變能量頭不變，且多變指數(shù)不變。當壓縮機以特定的轉速運行時，相同容積流量的氣體通過壓縮機所獲得的壓縮功是固定的，不隨溫度的變化而變化；當壓縮機實際運行在某工況點處，只要它的轉速不變，那么該工況點的多變能量頭也就是一定的。簡言之，當壓縮機以特定的轉速運行時，其能量頭容積流量曲線是唯一的。為此，在計算防喘振控制算法時可將氣體溫度以及壓比的影響放在次要位置，最大限度地提升防喘振控制系統(tǒng)的安全區(qū)域面積，以提升壓縮機組對生產(chǎn)負荷變化的適應性。

3.3.4 設定點動態(tài)跟蹤

為使防喘振控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化，設定點動態(tài)跟蹤，據(jù)多變能量頭的算法基礎，對防喘振閥的動作速率進行了較大地調整，使控制系統(tǒng)具有了提前預分析的功能，控制系統(tǒng)會根據(jù)系統(tǒng)壓力、流量的變化提前使防喘振閥動作，實現(xiàn)快開慢關的功能，提高機組運行的安全性。

3.4 智能化升級后的具體表現(xiàn)

3.4.1 壓比控制線自動浮動

合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)未智能化升級前，系統(tǒng)壓比控制線設置比較保守，機組達到一定負荷后壓比控制線呈水平直線狀態(tài)，機組在繼續(xù)升負荷的過程中，壓比逐漸升高，造成工況點非?？拷鼔罕瓤刂凭€，系統(tǒng)只要發(fā)生輕微的波動，就有可能造成工況點撞線，防喘振控制系統(tǒng)就會動作，機組就會大幅度減負荷。

合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)應用新的算法智能化升級后，壓比控制線為自動狀態(tài)，會根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，在安全的前提下實時跟蹤調整壓比控制線的位置，使之遠離工況點，輕微的系統(tǒng)波動對合成氣壓縮機組造成的影響微乎其微。

3.4.2 防喘振閥響應程序智能化

為了降低柱塞及其配合運動部件之間的摩擦力，將盤根和柱塞的摩擦面間定期加入潤滑油，因此需要對原來的部件進行加工。在銅壓套臺階內外各車削一個凹槽，起到導流的作用，凹槽內部鉆3～6個通孔；在盤根壓蓋外部與銅壓套臺階上的凹槽對應處鉆2～3個通孔，通過盤根壓蓋上的通孔與銅壓套臺階外部的凹槽相連通，向盤根壓蓋的任何一個孔內加注潤滑油，都可以通過銅壓套導流槽內的通孔流入柱塞和盤根工作面之間，從而起到降溫和潤滑的作用。不加潤滑油時將螺桿擰進螺孔內作為絲堵，不但可以防止緊固盤根壓蓋時潤滑油的流出，而且防止灰塵及臟物進入孔內。

合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)未智能化升級前，防喘振系統(tǒng)算法一般，以最大程度保護機組為主要目的：一旦出現(xiàn)工況點撞線，防喘振系統(tǒng)即動作，防喘振閥開度直接開至50%左右，控制系統(tǒng)基本上沒有對生產(chǎn)實際情況進行預判，對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的影響較大；為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使工況點遠離防喘振線，實際生產(chǎn)中合成氣壓縮機低壓缸防喘振閥被迫一直保留5%～7%的開度。

合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)智能化升級后，防喘振系統(tǒng)的算法更加精細化、智能化，能根據(jù)合成氣壓縮機低壓缸進口壓力、流量等參數(shù)的變化量和速率進行智能判斷：如果只是輕微的系統(tǒng)波動，工況點撞線后，防喘振閥會選擇一個合適的開度，一般在3% ～8%，系統(tǒng)平穩(wěn)后，防喘振閥會自動緩慢關閉，恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)；如果系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動，為保證機組的運行安全，控制系統(tǒng)會指令防喘振閥快速打開到較大的開度。

3.4.3 機組轉速自動控制

合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)未智能化升級前，機組的轉速控制為手動方式，操作員據(jù)生產(chǎn)需要實時輸入轉速對機組工況及進口氣量進行調節(jié)，這種方式存在誤操作的可能，且對機組轉速的控制不夠線性，易使系統(tǒng)產(chǎn)生輕微的波動。

合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)智能化升級后，轉速控制升級為自動方式，據(jù)需求設定壓縮機進口壓力或流量為控制點，對機組轉速進行實時跟蹤控制，從而可穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力和流量，減輕操作強度，并降低操作人員誤操作的幾率。

4 控制系統(tǒng)智能化升級后機組運行情況

合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)智能化升級改造后，機組的安全性、節(jié)能性大大提高，生產(chǎn)系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，操作更加方便，智能化升級前后機組主要運行數(shù)據(jù)的對比見表3。

（1）合成氣壓縮機打氣量增加。單臺合成氣壓縮機的平均進口氣量由升級前的10800m3／h增至升級后的11512.5m3／h，達到了機組正常生產(chǎn)時的設計進氣量，為合成氨裝置的滿負荷運行提供了條件。

（2）低壓缸防喘振閥實現(xiàn)關閉。單臺合成氣壓縮機低壓缸防喘振閥平均開度由升級前的6.25%降至0，正常工況下低壓缸防喘振閥處于全關狀態(tài)，實現(xiàn)了本次合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)智能化升級改造的主要目標。

（3）合成氣壓縮機組蒸汽消耗下降。單臺合成氣壓縮機平均耗蒸汽量由升級前的74.0t／h降至升級后的72.5t／h，單臺合成氣壓縮機主軸平均轉速由升級前的11487.5r／min降至升級后的11365 r／min，機組整體功耗明顯下降。

（4）合成氨產(chǎn)量大幅提高。合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)智能化升級改造前，由于機組低壓缸防喘振閥不能完全關閉，造成機組轉速高、耗蒸汽量大，且配套汽輪機調節(jié)汽閥開度基本上在90%以上，沒有調節(jié)余量，合成氨產(chǎn)量只能達到163t／h（約3900t／d），未能達到4000t／d的設計產(chǎn)能；控制系統(tǒng)智能化升級改造后，合成氣壓縮機組功耗大幅降低，合成氨產(chǎn)量能夠長期穩(wěn)定在170t／h，達到了4000t／d的設計產(chǎn)能。

（5）合成氨裝置經(jīng)濟效益提升。合成氣壓縮機組控制系統(tǒng)智能化升級改造前，合成氨產(chǎn)量為163t／h、4臺機組蒸汽總耗量為296t／h，即汽輪機的蒸汽單耗（噸氨汽耗）為1.82t；控制系統(tǒng)智能化升級改造后，合成氨產(chǎn)量為173t／h、4臺機組蒸汽總耗量為290t／h，即汽輪機的蒸汽單耗為1.68t，噸氨節(jié)約蒸汽0.14t，按合成氨產(chǎn)量1200kt／a、蒸汽成本100元／t計算，全年可節(jié)約蒸汽成本1680萬元。

5 結束語

合成氨裝置中，合成氣壓縮機組的功耗對合成氨的生產(chǎn)成本影響顯著，保持機組的穩(wěn)定、低耗運行，對生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)質運行及裝置的整體效益意義重大。晉開化工二分公司為進一步降低合成氨的生產(chǎn)成本，針對其合成氣壓縮機組運行過程中控制系統(tǒng)存在的問題，通過技術人員的充分調研及各智能化控制系統(tǒng)的比對，最終選定了合適的控制系統(tǒng)應用于合成氣壓縮機組的智能化升級改造，改造后合成氨裝置負荷調整適應性更強，生產(chǎn)系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、操作更加方便，達到了節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效的目的。