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1 概述
中國石化股份有限公司安慶分公司焦化裝置機(jī)302機(jī)組是該裝置120萬噸/年延遲焦化裝置擴(kuò)能改造工程中的建設(shè)項(xiàng)目，該壓縮機(jī)機(jī)組由沈陽鼓風(fēng)機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的離心壓縮機(jī)和杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)組成，壓縮機(jī)的設(shè)計分子量為26，額定流量為18000Nm3/h。
該富氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)采用TRICONEX公司的TS3000系統(tǒng)，硬件方面：TRICON CPU模塊為三取二系統(tǒng)、I/O模塊的輸入輸出通道也是三取二；系統(tǒng)軟件方面：分為上位人機(jī)界面組態(tài)和下位控制聯(lián)鎖方案組態(tài)，上位組態(tài)軟件是FIX7.0，下位組態(tài)軟件是TRICONEX公司的MSW312。該系統(tǒng)對壓縮機(jī)機(jī)組各參數(shù)進(jìn)行集中控制、聯(lián)鎖和保護(hù)，部分重要工藝參數(shù)送DCS系統(tǒng)進(jìn)行顯示。
2 硬件組成
該系統(tǒng)的硬件包括一臺主機(jī)架和一臺擴(kuò)展機(jī)架，雙冗余電源卡8312、EMP Ⅱ3006主處理器卡、NCM卡4329、EICM卡4119A、AI卡3700A、AO卡3805E、DI卡3503E、DO卡3604E和PI卡3511。
(1) 雙冗余電源
主機(jī)架的第一個槽位為雙冗余電源卡件（任一電源卡能滿足一個機(jī)架的全部負(fù)載），一個電源卡失效不會影響控制器的運(yùn)行。電源卡為上下分布，上邊的電源兼系統(tǒng)故障報警顯示。擴(kuò)展機(jī)架的第一個槽位同樣是雙冗余電源卡件。兩個機(jī)架之間通過擴(kuò)展三重冗余I/O總線連接，其長度不能超過30米。
(2) 處理器
主機(jī)架的第二、三、四個槽位為三塊互為冗余的主處理器（MP）CPU卡，主處理器就裝在電源卡件的旁邊。主處理器包括32位微處理器、I/O通訊處理器、通信處理器和2MB的SRAM。每個主處理器獨(dú)立地用它的I/O子系統(tǒng)進(jìn)行通訊，以及執(zhí)行用戶編寫的控制程序。TRICON控制器中現(xiàn)場信號分三路，輸入電路A、B、C，過程數(shù)據(jù)傳到主處理器A、B、C后，每掃描一次，三個MP通過高速三總線（TRIBUS）進(jìn)行相互通信，進(jìn)行表決和比較，排除錯誤的輸入數(shù)據(jù)和輸出正確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三重冗余，以保證系統(tǒng)的可靠性。
(3) 通訊卡
NCM（4329）通訊卡NET2口，支持開放網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)SOE功能、DDE服務(wù)器功能。使用TCP/IP或IEEE802.3協(xié)議，通訊速率可達(dá)10Mbps。NCM通訊卡支持以太網(wǎng)通訊功能，與上位機(jī)通訊就是通過NCM卡進(jìn)行，控制系統(tǒng)默認(rèn)的IP地址是192.168.1.1（雙卡默認(rèn)的第二IP地址是192.168.2.1），對于操作站或工程師站也必須各指定一個IP地址。EICM（4119）提供RS-232/RS-422/RS-485通訊口，以Modbus協(xié)議作為標(biāo)準(zhǔn)，與裝置CS3000系統(tǒng)以Modbus方式進(jìn)行通訊，只要對TRICON各變量都指定了Alias，任何標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通訊都可以有效地與TRICON控制器進(jìn)行通訊。TRICON熱插拔特性不適用于EICM和NCM。
(4) 數(shù)字和模擬輸入/輸出卡件
輸入輸出卡件也是TRICON控制器實(shí)現(xiàn)三重冗余的重要部分。所有的輸入卡件都有三條隔離的輸入支路，獨(dú)立地處理輸入卡件的數(shù)據(jù)，傳送給主處理器A、B、C。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在剛要受到處理之前在主處理器處受到表決、模擬數(shù)據(jù)用中值選擇算法選出一個值來，用以保證每次掃描的正確數(shù)據(jù)。通過對每個模擬輸入卡件各支路進(jìn)行不斷的完全的診斷。任何一條支路上的任何診斷中發(fā)現(xiàn)有失效時，卡件就會FAULT報警，輸出機(jī)架報警信號，AI卡的FAULT狀態(tài)燈指示的是支路故障，不是卡件本身故障。卡件在有單一故障時能保證正常運(yùn)行，有時在有多重故障時也能繼續(xù)正常地運(yùn)行。每個數(shù)字輸出卡件內(nèi)裝有適用于三條完全相同但彼此隔離的支路所用的電路。各種輸出卡件，除了雙重DC卡件外，都采用特別的四重化輸出電路，這種電路對各個的輸出信號在它們剛要被施加到負(fù)載去之前對其進(jìn)行表決。表決電路的基礎(chǔ)是并行―串行通道，三路中的二個驅(qū)動器表決決定進(jìn)入ON。
3 防喘振控制
在壓縮機(jī)與一定容積的管網(wǎng)聯(lián)合工作時，當(dāng)流量小于一定值時，葉片背弧氣流嚴(yán)重脫離，直至通道受堵塞，氣流強(qiáng)烈脈動，此時機(jī)、網(wǎng)系統(tǒng)氣流的參數(shù)出現(xiàn)整體大幅度波動，即氣量、壓力隨時間大幅度周期性變化，壓縮機(jī)的功率以及聲響均周期性變化。這種變化非常劇烈乃至機(jī)器無法維持正常運(yùn)行，這種現(xiàn)象稱為喘振。喘振是整個機(jī)、網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生的現(xiàn)象，因此它不但與壓縮機(jī)內(nèi)部流動特性有關(guān)，且決定于管網(wǎng)特性，其振幅、頻率受管網(wǎng)容積的支配。喘振對機(jī)組的危害極大，機(jī)組各部件因承受過高的應(yīng)力，從而造成機(jī)組滑動部件的加速磨損；軸承產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至燒毀；密封元件被損壞等惡性事故。因此離心式壓縮機(jī)的防喘振控制是整個機(jī)組控制的核心部分。
3.1 防喘振線
當(dāng)壓比一定時，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)。例如：在某一轉(zhuǎn)速，壓比一定時，壓縮機(jī)入口流量的喘振點(diǎn)，最小流量值為最大流量的30%，如果裝置處理量降低，使得壓縮機(jī)入口流量低于30%，即25%，為保證壓縮機(jī)入口的最小流量值，就必須用壓縮機(jī)出口量打回入口，來補(bǔ)充不足的5%流量。這樣就起到了防喘振的目的。將喘振點(diǎn)連接成線，稱為喘振線。為了安全起見一般喘振線都設(shè)有一定的安全裕度（7%~10%），稱為防喘振線，如圖1所示。
圖1 離心式氣體壓縮機(jī)喘振線及防喘振線示意圖
壓縮機(jī)喘振控制系統(tǒng)的基本原理，采用壓比（出口壓力/入口壓力）Pd/Ps和
做喘振曲線，其基本形狀為拋物線，而采用Pd/Ps和
作圖時得到的喘振線則基本呈直線形狀（簡化后，得
，這里的h為孔板的差壓，是線性輸入）。
其中：Pd為出口壓力，kPa；Ps為入口壓力，kPa；C為常數(shù)（由孔板尺寸決定），m2；h 為孔板差壓（與流量的關(guān)系式為Q2=h)，kPa；
3.2 防喘振線的計算
將壓縮機(jī)出口與入口壓力的比，即Pd/Ps（Y軸）和孔板差壓h與入口壓力Ps的設(shè)計壓力的百分比，即h/Ps?100%（X軸）。
Y坐標(biāo)：
X坐標(biāo)：
其中：ρ為密度kg/m3；
Qm為體積流量，m3/h（質(zhì)量流量M=ρ?Qm，kg/h）；
Ts為入口溫度，K；
Zs為壓縮機(jī)壓縮系數(shù)，Zs；
C為常數(shù)；
Ps為入口壓力(A)，kPa；
MW為壓縮機(jī)分子量。
表1 喘振點(diǎn)計算表
將計算出的喘振線五個喘振點(diǎn)輸入到TRICONEX公司提供的喘振函數(shù)模塊中，生成防喘振曲線，將Pd/Ps作為K1Y的系數(shù)、h/Ps?100%作為K1Y的系數(shù)，系統(tǒng)自動生成喘振線。在此基礎(chǔ)上設(shè)置好Surge Control Line的參數(shù)后，自動生成防喘振線及防喘振線下移的百分比。
其中防喘振偏置系數(shù)e1EBIAS=6.0，r1ADMAR為喘振偏置累計，即工作點(diǎn)每進(jìn)入一次喘振區(qū)，r1ADMAR增加2.0，防喘振線下移的百分比由k1RCINC來確定，一般k1RCINC= 2.0。
圖2 喘振控制塊功能圖
為了保證機(jī)組的安全，喘振偏置累計將使防喘振控制線隨著工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)的次數(shù)而每次2%向右移動，使壓縮機(jī)的工作區(qū)域減小；必須人為進(jìn)行復(fù)位才能使防喘振控制線恢復(fù)到原始位置。
3.3 防喘振控制的實(shí)現(xiàn)
TS3000系統(tǒng)具有一個獨(dú)特的喘振預(yù)測技術(shù)，它根據(jù)測量壓縮機(jī)的入口流量、出口壓力、入口壓力來進(jìn)行喘振控制。防喘振控制技術(shù)由標(biāo)準(zhǔn)的三個喘振控制模塊：Surge-Line、Surge-Detect、Surge-Control進(jìn)行封裝。
(1) 防喘振控制功能塊
三個喘振控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要有：如果機(jī)組發(fā)生喘振，防喘振線重新調(diào)整；工作點(diǎn)突然移向喘振區(qū)，喘振設(shè)定值徘徊功能將打開喘振閥；喘振控制器有適配增益和快開、慢關(guān)功能；比例功能可忽略控制器的調(diào)節(jié)，強(qiáng)制打開喘振閥；速度控制器與喘振控制器進(jìn)行耦合控制，必要時進(jìn)行解耦；使用自動/手動/半自動控制功能有利于故障檢測和控制系統(tǒng)調(diào)試；將等百分比閥進(jìn)行線性化；當(dāng)工作點(diǎn)接近喘振線時，閥門預(yù)置特性打開喘振閥進(jìn)行泄壓調(diào)整；如果突然發(fā)生喘振或聯(lián)鎖停車，用開關(guān)量信號打開喘振閥放空。以上功能可以細(xì)分為13個子功能塊，功能塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，各功能塊的作用如下：
? 模塊1 (Surge-Line)：選定喘振算法；TS3000控制算法分兩種：即Pd/Ps～h/Ps喘振算法和 Pd-Ps～h/Ps喘振算法，一般選用Pd/Ps～h/Ps喘振算法；
? 模塊2 (Surge-Detect )：檢測工作點(diǎn)離喘振控制曲線的遠(yuǎn)近情況；
? 模塊3 (Recalibrate)：喘振安全域度（即喘振控制曲線與喘振曲線之間的距離）修正，一般域度設(shè)7%～10%；
? 模塊4 (Control Line)：生成喘振控制曲線，即喘振曲線加喘振安全域度得到喘振控制曲線；
? 模塊5 (Controller Setpoint)：計算出喘振控制器的設(shè)定值。喘振控制器的設(shè)定值根據(jù)工作點(diǎn)的變化而變化，如工作點(diǎn)位于喘振控制線的右邊，該設(shè)定值與工作點(diǎn)的距離為某一設(shè)定值，一般設(shè)為2%～5%。如果工作點(diǎn)位于喘振控制線的左邊，則與防喘振控制線進(jìn)行高選，來決定設(shè)定值；
? 模塊6 (Controller)：喘振控制器，這是一個快速PID控制器，根據(jù)喘振控制器的設(shè)定值及當(dāng)前的入口流量來計算出喘振器的輸出值；
? 模塊7 (Proportional Function)：計算喘振控制器的比例項(xiàng)輸出值。如工藝擾動特別大或其它原因，造成機(jī)組突然喘振，喘振控制器來不及響應(yīng)，這時該模塊輸出一個比例項(xiàng)輸出值來迅速打開放空閥。
? 模塊8 (Startup)：計算機(jī)組起動時的控制邏輯輸出值。在機(jī)組起動時，控制邏輯使放空閥全開，使機(jī)組能安全起動，防止意外事故的發(fā)生；
? 模塊9 (Valve Singal Selector)：選擇防喘振控制程序的輸出值。即在快速PID控制器的輸出值、比例項(xiàng)的輸出值、機(jī)組起動時邏輯控制器的輸出值三者之間進(jìn)行高選；
? 模塊10 (Speed Bias)：計算喘振－速度耦合控制器的值。如果喘振發(fā)生，控制邏輯會使速度控制器的設(shè)定值增加，使機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，增加入口流量防止喘振。當(dāng)然如果轉(zhuǎn)速升高，機(jī)組的出口壓力升高，有可能繼續(xù)引起喘振，這時就應(yīng)該解除耦合，實(shí)現(xiàn)解耦控制；
? 模塊11 (Auto/Manual)：設(shè)定喘振控制邏輯的手動、部分手動及自動控制功能。如果在手動方式，快速PID控制器的輸出值不起作用。如果在部分手動方式，快速PID控制器仍然監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行情況，即防喘振控制優(yōu)先；
? 模塊12 (Valve Prepare)： 閥門預(yù)置功能，這一功能用來提高閥門的響應(yīng)速度；
? 模塊13 (Valve Linearize/Reverse)：進(jìn)行閥門線性。
以上這些子功能塊可以根據(jù)實(shí)際需要有選擇的進(jìn)行組態(tài)，不需要的功能塊可以不用組態(tài)。
(2) 重要的子模塊的功能與實(shí)現(xiàn)
? 喘振線
功能：根據(jù)輸入的喘振點(diǎn)繪制出喘振線。
輸入?yún)?shù)：
K1SUMOD： 選擇喘振算法塊的形式。即K1SUMOD為“1”時，喘振算法采用入口流量差壓與出入口壓力比的形式；為“0”時采用入口流量差壓與出入口差壓的關(guān)系式。為了簡潔我們選用壓比算法；
k1YA-k1YE：喘振點(diǎn)縱坐標(biāo)即Pd/Ps（出入口壓力比值）；
k1XA-k1XE：喘振點(diǎn)橫坐標(biāo)即h/Ps（入口流量差壓與入口壓力的比值）。
k1PART：出入口壓力比值（Pd/Ps）。
輸出參數(shù)：
r1HX：若采用K1SUMOD=1，rHX等于流量差壓與入口壓力的比值h/Ps，若采用K1SUMOD=0，rHX等于流量差壓值h，即當(dāng)前工作點(diǎn)；
r1SULIN：當(dāng)前工況下對應(yīng)的喘振點(diǎn)值（% r1HX）。
? 防喘振線的校正
輸入?yún)?shù)：
k1RECT：防喘振校正的類型，為“0”時，以一個常數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，為“1”時，每次以遞增方式校準(zhǔn)；
k1RCINC：校正值；
k1RECNO：最多允許校準(zhǔn)次數(shù)；
r1MAR：實(shí)際操作裕度。
輸出參數(shù)：
f1INSUR：喘振標(biāo)志。喘振發(fā)生時，此標(biāo)志為“1”；
r1ADMAR：喘振發(fā)生時所調(diào)整防喘振線的總裕度；
r1RECNO：當(dāng)前校準(zhǔn)次數(shù)；
r1SURNO：當(dāng)前發(fā)生喘振的總累計次數(shù)。
當(dāng)喘振發(fā)生時，存在下列表達(dá)式關(guān)系：
r1ADMAR（喘振發(fā)生時所調(diào)整防喘振線的總裕度）= r1ADMAR+ k1RCINC（以常數(shù)k1RCINC校準(zhǔn)防喘振線）；
r1SURNO（當(dāng)前發(fā)生喘振的總累計次數(shù)）= r1SURNO+1；
r1RECNO（當(dāng)前校準(zhǔn)次數(shù)）= r1RECNO+1。
根據(jù)機(jī)組的性能的實(shí)際要求，設(shè)置最多允許校準(zhǔn)防喘振線10次，每發(fā)生一次喘振，防喘振線向右平移2%。可通過控制參數(shù)g1MARRS=0，使r1RECNO=0（當(dāng)前校準(zhǔn)次數(shù)）和r1ADMAR=0（喘振發(fā)生時所調(diào)整防喘振線的總裕度）。
? 防喘振線
輸入?yún)?shù)：
e1EBIAS：設(shè)置偏置安全裕度；
e1EPROP：設(shè)置安全裕度比例；
r1ADMAR：喘振發(fā)生時所調(diào)整防喘振線的總裕度（模塊3）；
r1SULIN：當(dāng)前工況下對應(yīng)的喘振點(diǎn)值。
輸出參數(shù)：
r1SUCLN：當(dāng)前工況下對應(yīng)的防喘振線；
r1MARTL：喘振線調(diào)整的總裕度。
防喘振控制線等于喘振線加上總的安全校正裕度，見下列表達(dá)式：
喘振線調(diào)整的總裕度：r1MARTL = e1EBIAS+（r1SULIN* e1EPROP/100）+ r1ADMAR；
防喘振控制線：r1SUCLN = r1SULIN + r1MARTL。
? 喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)
輸入?yún)?shù)：
k1HOVER：徘徊設(shè)定值；
k1HOVERR：徘徊斜坡比例；
r1SUCLIN：當(dāng)前工況下對應(yīng)的防喘振點(diǎn)；
r1HX：當(dāng)前實(shí)際工作點(diǎn)。
輸出參數(shù)：
r1SUCSP：喘振控制器的設(shè)定值。
當(dāng)操作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線時，喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)將徘徊接近工作點(diǎn)r1HX，即以k1HOVERR這個比率斜坡靠近點(diǎn)r1HX- k1HOVER。點(diǎn)r1HX-k1HOVER與r1SUCLIN（當(dāng)前工況下對應(yīng)的防喘振點(diǎn)喘的值）經(jīng)過高選后作為振控制器的最終設(shè)定值，可見喘振控制器的設(shè)定值永遠(yuǎn)不會小于防喘振點(diǎn)的值，從而保證了所需的防喘振安全裕度。
? 喘振控制器
輸入?yún)?shù)：
r1SUPB：比例增益；
r1SUINT：積分時間；
r1SUDER：微分時間；
k1SURMP：控制器斜坡下降比率值；
r1SUCSP：控制器的設(shè)定值。；
rHX：當(dāng)前實(shí)際工作點(diǎn)；
r1MAR：實(shí)際操作裕度；
r1MARTL：喘振線調(diào)整的總裕度。
輸出參數(shù)：
r1SUCON：控制器的輸出。
喘振控制器在其他工況下，如同常規(guī)PID控制器，除了在當(dāng)前實(shí)際工作點(diǎn)超過防喘振控制線的跨度大于適配增益區(qū)設(shè)定值這種工況，此時調(diào)節(jié)比例增益將成倍增大，積分項(xiàng)成倍減弱，調(diào)節(jié)器輸出迅速增大，快速開啟防喘振閥，阻止工作點(diǎn)繼續(xù)左移，即喘振控制器的快開特性。當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)已經(jīng)逐漸向右移到正常工作區(qū)時，此時調(diào)節(jié)器輸出值將與控制器斜坡下降比率值高選結(jié)果作為調(diào)節(jié)器的輸出，防喘振閥將以每秒不大于kSURMP的值逐步慢關(guān)，（在該系統(tǒng)中防喘振閥慢關(guān)速率每秒鐘不大于3%），這就是喘振控制器的慢關(guān)特性，如圖3所示。
圖3 喘振控制器的慢關(guān)特性
4 轉(zhuǎn)速控制和機(jī)組聯(lián)鎖
在該壓縮機(jī)的TS3000系統(tǒng)中除了防喘振控制外，還有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制、機(jī)組聯(lián)鎖和工藝過程控制。
(1) 轉(zhuǎn)速控制
在一般的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制由專門的轉(zhuǎn)速控制器來實(shí)現(xiàn)，在TS3000系統(tǒng)中由汽機(jī)調(diào)速模塊來實(shí)現(xiàn)。主要由調(diào)速控制器isMODE的六種操作模式來實(shí)現(xiàn)，在每一種模式中按照汽機(jī)的性能來進(jìn)行升速或降速，包括：允許啟動qrdstrt、正常運(yùn)行qrun、超速試驗(yàn)qOSTEST、加速升速qACCEL、暖機(jī)qWARMUP、正常停車qSHUTDN。在啟動機(jī)組時可以按系統(tǒng)提供升速曲線自動進(jìn)行，也可以手動提速，但轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)定點(diǎn)必須按升速曲線的要求來設(shè)定。在正常運(yùn)行時，汽機(jī)的轉(zhuǎn)速由三種控制方式：PLC手動控制方式、壓縮機(jī)入口壓力控制方式、DCS控制方式。PLC手動控制方式即手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定值，壓縮機(jī)入口壓力控制方式即通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使壓縮機(jī)的入口壓力滿足工藝要求，由壓力調(diào)節(jié)器（主調(diào)）和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（副調(diào)）組成串級調(diào)節(jié)回路，在機(jī)組出現(xiàn)喘振時，由防喘振控制器進(jìn)行解偶控制，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的控制方式改為PLC手動控制方式。
(2) 機(jī)組聯(lián)鎖控制
機(jī)組聯(lián)鎖控制置主要包括：機(jī)組啟動條件、啟動潤滑油輔泵和聯(lián)鎖停車。聯(lián)鎖停車包括七個聯(lián)鎖條件：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高高、潤滑油總管壓力低低、密封氣差壓低低、主密封氣流量高高、密封氣壓力低低、壓縮機(jī)軸位移高高、汽輪機(jī)軸位移高高。其中主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、密封氣流量、壓縮機(jī)軸位移和汽輪機(jī)軸位移信號是二取二，潤滑油總管壓力是三取二。
5 結(jié)語
本文介紹了利用TS3000系統(tǒng)的三重冗余的硬件特性和專門的控制模塊在焦化壓縮機(jī)控制中的一些體會，其將防喘振控制、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、機(jī)組自保聯(lián)鎖和工藝過程控制集于一體，很好的滿足了機(jī)組控制的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性，確保不會因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的故障影響機(jī)組的正常運(yùn)行，也提高了故障分析的水平，同時在應(yīng)用TS3000系統(tǒng)還有很多方面需要更深入地摸索，還需要在實(shí)踐中不斷加以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號