大機(jī)組自動(dòng)控制策略性能優(yōu)化

翟宏偉，謝建軍(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317)

1 概述

本次機(jī)組自動(dòng)控制策略性能優(yōu)化涉及以下：40000 m3/h空分裝置大機(jī)組(包括空壓機(jī)組和氮壓縮機(jī)組)，其中空壓機(jī)組由三部分組成：汽輪機(jī)(杭汽)、空壓機(jī)(MAN)和增壓機(jī)(MAN)，氮壓縮機(jī)組由二部分組成：汽輪機(jī)(杭汽)、氮壓機(jī)(cameron)；氨制冷機(jī)組：汽輪機(jī)(杭汽)、壓縮機(jī)為沈鼓設(shè)計(jì)制造的二缸三段壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)有三回一、三回二、三回三、三段防喘振。上述機(jī)組控制系統(tǒng)均采用TRICONEX 的TS3000控制系統(tǒng)。

2 大機(jī)組智能自動(dòng)控制策略性能優(yōu)化的必要性

自投用以來，由于工藝、設(shè)備、機(jī)組控制系統(tǒng)調(diào)試等問題，上述三套壓縮機(jī)組防喘振控制一直在半自動(dòng)控制狀態(tài)，為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，防喘振閥無法投用自動(dòng)，同時(shí)防喘振閥門需保持一定開度以保證運(yùn)行點(diǎn)與防喘振線的較大的安全裕度。

氨壓機(jī)存在問題：各段都未實(shí)測(cè)過防喘振線，防喘振閥一直不能全關(guān)。在實(shí)際操作中，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)靠近喘振控制線時(shí)(在喘振線右側(cè)未達(dá)到喘振線時(shí))，防喘振閥就出現(xiàn)喘振全開。為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，防喘振閥無法投用自動(dòng)，同時(shí)防喘振閥需保持一定開度以保證運(yùn)行點(diǎn)與防喘振線的安全裕度。機(jī)組很多控制回路控制偏差大或手動(dòng)控制，操作員要實(shí)時(shí)監(jiān)視調(diào)整氨冰機(jī)喘振測(cè)試結(jié)果。喘振測(cè)試結(jié)果偏差很大，一段原喘振線比實(shí)際喘振線偏離了20%左右，在運(yùn)行中工作點(diǎn)距離喘振線20%就發(fā)生喘振。上述問題都需要操作人員投入精力去觀察機(jī)組的重要參數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣既不安全也不經(jīng)濟(jì)，造成能量的浪費(fèi)。

改進(jìn)方法：增加防喘振線控制死區(qū)線，避免投用自動(dòng)時(shí)產(chǎn)生控制振蕩。增加防喘振閥啟動(dòng)死區(qū)控制，使防喘振閥能適應(yīng)性能控制的需要。修改慢關(guān)功能，目前為固定的速率2%/秒。修改為依據(jù)閥的開度和控制裕度自動(dòng)實(shí)現(xiàn)裕度大速率快，裕度小速率慢的慢關(guān)速率自動(dòng)調(diào)整。參加控制的主要儀表要有故障退守測(cè)量，防止因儀表回路故障引起機(jī)組運(yùn)行事故。依據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和操作需求重新明確防喘振控制功能和調(diào)整防喘振控制參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)防喘振自動(dòng)控制[1]。

為了保證工藝裝置的安全長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，需要使用更新的技術(shù)、更加可靠的應(yīng)用軟件組態(tài)來控制壓縮機(jī)組，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)化優(yōu)化運(yùn)行。因此需對(duì)壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3 機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀及系統(tǒng)優(yōu)化方法

氨制冷壓縮機(jī)入口壓力(性能)控制程序無法投自動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組入口壓力與轉(zhuǎn)速的串級(jí)控制。抽汽流量控制，冬季要求加大抽汽量，夏季要求減少抽汽量；壓縮機(jī)防喘振控制：防喘振控制圖壓比量程過大。

改進(jìn)方法：(1)完善自動(dòng)控制回路程序，采用不同工況自動(dòng)選擇不同的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)根據(jù)工況變化的優(yōu)化整定，確保控制參數(shù)穩(wěn)定；(2)通過壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，找到壓縮機(jī)二段防喘振閥不能全關(guān)的原因，重新核算喘振線和數(shù)據(jù)分析找到壓比過高的原因；(3)完善壓縮機(jī)防喘振控制程序，依據(jù)機(jī)組特性調(diào)整控制參數(shù)，在保護(hù)壓縮機(jī)的同時(shí)減少控制對(duì)工藝影響，檢查參與防喘振控制的儀表，分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定儀表穩(wěn)定正常。喘振測(cè)試，重新標(biāo)定喘振線，使壓縮機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行的同時(shí)，能節(jié)能控制運(yùn)行；(4)抽汽壓力原有自動(dòng)控制基礎(chǔ)上增加手動(dòng)控制功能；(5)通過速度和防喘振控制的解耦控制在機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行情況下來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)入口壓力的穩(wěn)定，對(duì)于氨壓縮機(jī)用入口壓力作為主控參數(shù)實(shí)現(xiàn)性能控制，修改自整定參數(shù)程序，增加控制死區(qū)；(6)依據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合設(shè)備測(cè)試結(jié)果，修改控制參數(shù)。如：防喘振線PID器控制參數(shù)、比例控制器最大開度、閥門快開和慢關(guān)速率等；(7)控制壓縮機(jī)的入口壓力或出口壓力或流量為主要參數(shù)，通過速度和防喘振控制的解耦控制在機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行情況下來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)入口壓力的穩(wěn)定。對(duì)于氨壓縮機(jī)用入口壓力作為主控參數(shù)實(shí)現(xiàn)性能控制。

如果單純的用入口壓力控制與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速做串級(jí)控制，當(dāng)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)距離控制線很近時(shí)，這時(shí)再降轉(zhuǎn)速，是危險(xiǎn)的，有發(fā)生喘振的可能性；入口壓力要求迅速提高時(shí)，只降轉(zhuǎn)速是來不及的，這時(shí)需要迅速打開一段入口回流閥來提高入口壓力，待入口壓力穩(wěn)定后，再關(guān)回流閥同時(shí)降轉(zhuǎn)速，保證壓縮機(jī)的入口壓力保持不變。在裝置低負(fù)荷時(shí)，(喘振閥有開度)這時(shí)就需要用回流閥來控制入口壓力，此時(shí)如果用轉(zhuǎn)速來控制入口壓力就有發(fā)生喘振的可能，解耦控制能夠有效地解決以上問題。

控制框圖如圖1所示。

在機(jī)組啟動(dòng)過程中和停機(jī)過程中，空壓機(jī)和增壓機(jī)的入口導(dǎo)葉為手動(dòng)控制，造成操作繁瑣和存在操作失誤的可能。

改進(jìn)方法：(1)按照工藝要求設(shè)計(jì)好啟停機(jī)組過程導(dǎo)葉控制的時(shí)機(jī)和大小，用程序控制減輕操作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)啟停；(2)空壓機(jī)、增壓機(jī)1段、增壓機(jī)2段機(jī)組停車過程導(dǎo)葉開度控制，在機(jī)組停車過程中，當(dāng)速度<200 r/min時(shí)，程序?qū)?dǎo)葉開度設(shè)置為0，接著操作人員可以操作；(3)機(jī)組啟動(dòng)過程導(dǎo)葉開度限制：模式等于2時(shí)程序設(shè)置導(dǎo)葉開度到5%,范圍在4%～8%之間可操作；在機(jī)組啟動(dòng)過程中，當(dāng)速度>1300 r/min時(shí)，在12%～15%之間可操作；在機(jī)組啟動(dòng)過程中，當(dāng)速度>5262 r/min時(shí)，在15%～100%之間可操作；機(jī)組正常操作的時(shí)候，程序設(shè)置導(dǎo)葉開度的最小值和最大值，性能控制調(diào)節(jié)范圍在最大范圍和最小范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。

不能做到自動(dòng)一鍵升速，機(jī)組啟動(dòng)過程過分依賴操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，這樣操作強(qiáng)度大對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求高。

改進(jìn)方法：根據(jù)機(jī)組制造廠所規(guī)定的升速曲線和操作經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化調(diào)整機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)參數(shù)。(1)允許在線修改一段暖機(jī)時(shí)間、二段暖機(jī)時(shí)間、三段暖機(jī)時(shí)間；(2)升速過程(不在臨界區(qū))中自動(dòng)/手動(dòng)可以進(jìn)行無擾動(dòng)操作；(3)加速區(qū)對(duì)機(jī)組振動(dòng)等情況判斷后，如果需要降速至暖機(jī)區(qū)，在程序中增加“降速至暖機(jī)區(qū)按鈕”，然后可以降速至暖機(jī)區(qū)；(4)在保留原來控制方式的前提下，增加一鍵啟動(dòng)功能，兩種模式可以無擾動(dòng)切換操作。完善升速過程中自動(dòng)升速程序，程序通過對(duì)振動(dòng)情況和汽輪機(jī)蒸汽溫度等，條件綜合判斷暖機(jī)結(jié)束后是否繼續(xù)升速，做到一鍵自動(dòng)升速到運(yùn)行速度；(5)自動(dòng)升速過程中操作員可隨時(shí)解除自動(dòng)控制，速度停留在臨界速度外的當(dāng)前速度。

不防喘振控制采用空壓機(jī)吸氣壓差和排氣壓力來控制。沒有對(duì)喘振線進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度變化比較大時(shí)，喘振線存在一定的偏差。

改進(jìn)方法：(1)修改防喘振控制程序。關(guān)閥速率修改為依據(jù)工作點(diǎn)和防喘振線的距離，程序自動(dòng)選擇速率；(2)增加空壓機(jī)喘振線溫度補(bǔ)償；(3)增加防喘振線控制死區(qū)線，避免投用自動(dòng)時(shí)在閥有開度的時(shí)候，產(chǎn)生控制振蕩；(4)增加防喘振閥啟動(dòng)死區(qū)控制，使防喘振閥能適應(yīng)性能控制的需要；(5)修改慢關(guān)功能，依據(jù)閥的開度和控制裕度自動(dòng)實(shí)現(xiàn)裕度大速率快、裕度小速率慢的速率自動(dòng)調(diào)整；(6)增加參加控制的主要儀表要故障退守策略，避免因儀表回路故障引起機(jī)組運(yùn)行事故；(7)機(jī)組進(jìn)行喘振驗(yàn)證測(cè)試，性能控制投用后工作點(diǎn)運(yùn)行在防喘振線附近，做機(jī)組防喘振線驗(yàn)證試驗(yàn)，確保機(jī)組工作點(diǎn)達(dá)到喘振線時(shí)機(jī)組不發(fā)生喘振，確保機(jī)組能安全運(yùn)行，喘振線驗(yàn)證試驗(yàn)，同喘振試驗(yàn)，只是不一定要做到機(jī)組喘振，當(dāng)工作點(diǎn)達(dá)到喘振線時(shí)就結(jié)束試驗(yàn)。

空壓機(jī)導(dǎo)葉控制按照原控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用空壓機(jī)出口壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，投自動(dòng)后不能穩(wěn)定運(yùn)行。單純調(diào)整導(dǎo)葉有發(fā)生喘振的風(fēng)險(xiǎn)；導(dǎo)葉控制沒有設(shè)置輸出死區(qū)限制，不利于導(dǎo)葉的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

改進(jìn)方法：(1)將入口導(dǎo)葉控制方案修改為性能控制，通過解耦控制防喘振閥和入口導(dǎo)葉來達(dá)到自動(dòng)控制出口壓力的目的；(2)增加導(dǎo)葉控制死區(qū)限制；(3)空壓機(jī)出口壓力用于空壓機(jī)的性能控制，考慮分子篩切換過程中壓力快速降低提前開導(dǎo)葉的動(dòng)作。

增壓機(jī)一段和二段導(dǎo)葉控制都為手動(dòng)控制，壓力控制可能調(diào)節(jié)不及時(shí)而波動(dòng)大，不能投用自動(dòng)，人工操作強(qiáng)度大。

改進(jìn)方法：(1)將兩個(gè)導(dǎo)葉控制由出口壓力控制，修改為以出口壓力主控參數(shù)的性能控制；(2)分析膨脹機(jī)和高壓板式換熱器部分工藝波動(dòng)時(shí)可能的相互干擾。計(jì)算膨脹機(jī)跳車后對(duì)應(yīng)放空閥相應(yīng)的開度，待程序修改完后進(jìn)行參數(shù)確認(rèn)。建立兩段性能控制的彼此之間的協(xié)調(diào)控制；(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)的靈敏度選取兩臺(tái)壓力變送器中反應(yīng)靈敏度高的參與二段導(dǎo)葉控制；(4)將增壓機(jī)一段出口壓力和二段出口壓力，采用3取2退守策略參與相應(yīng)性能控制。

點(diǎn)擊加載按鈕后可以手動(dòng)關(guān)小防喘振閥，開大導(dǎo)葉來加載空壓機(jī)負(fù)荷。開車過程操作員需要頻繁操作，操作強(qiáng)度大。

改進(jìn)方法：(1)改變加載按鈕的定義，在機(jī)組聯(lián)鎖停車后，性能控制程序切換為手動(dòng)，出口壓力設(shè)定值置0；(2)機(jī)組運(yùn)行正常后，按下加載按鈕，程序自動(dòng)投用性能控制，逐步增大出口壓力設(shè)定值到需要的壓力，程序按照出口壓力設(shè)定值自動(dòng)調(diào)整防喘振閥和入口導(dǎo)葉，將出口壓力自動(dòng)控制到壓力設(shè)定值。

膨脹機(jī)跳車、4返2防喘振回流閥打開造成增壓機(jī)三段出口壓力高，機(jī)組發(fā)生喘振。目前通過三段入口管線放空閥調(diào)節(jié)壓力，防止入口超壓，不能滿足。

改進(jìn)方法：(1)完善增壓機(jī)一段和二段入口放空閥(PV-1081和PV-1084)的性能控制。將放空閥的壓力控制器修改為壓力限制控制。壓力超過高限后通過PID調(diào)整控制；(2)這個(gè)放空閥的另一項(xiàng)重要功能是當(dāng)膨脹機(jī)或液氧泵跳車后將送往膨脹機(jī)或高壓板式換熱器的壓縮氣體排出系統(tǒng)。依據(jù)正常時(shí)的流量和放空閥的CV曲線計(jì)算出對(duì)應(yīng)的放空閥開度作為預(yù)設(shè)值，當(dāng)收到膨脹機(jī)或高壓板式換熱器的停車信號(hào)時(shí)，開到預(yù)設(shè)的開度后在實(shí)施壓力控制，達(dá)到更有效的控制壓力的目的。

4 優(yōu)化效益

(1)自動(dòng)加載程序投用自動(dòng)后，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)候，加載程序控制機(jī)組加載，增加了加載過程的穩(wěn)定性的同時(shí)減少了加載時(shí)間，縮短了機(jī)組的開車時(shí)間帶來經(jīng)濟(jì)效益。

(2)通過最新的控制技術(shù)控制回路都能運(yùn)行在自動(dòng)控制，使機(jī)組的自動(dòng)化控制水平提高，減少操作人員的操作的頻次節(jié)約操作時(shí)間，更好的保障裝置的操作平穩(wěn)，帶來潛在的效益。

(3)機(jī)組性能控制優(yōu)化后，為機(jī)組投用性能控制，使得機(jī)組運(yùn)行更安全穩(wěn)定，摸索出一套合理的控制方案，可大幅提高煤化工中大型機(jī)組性能，使機(jī)組做工更節(jié)能。優(yōu)化性能控制，實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)下機(jī)組聯(lián)鎖動(dòng)作的安全合理，完善應(yīng)急響應(yīng)，減少停車損失。

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)控制優(yōu)化工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，也是一項(xiàng)艱巨工作，反映了煤化工管理的綜合水平。從此次優(yōu)化工作的結(jié)果來看，不僅提高了機(jī)組自動(dòng)化的水平，而且在節(jié)能降耗方面也取得了經(jīng)濟(jì)效益，此次控制系統(tǒng)改造優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)[2]。