独特的蒸汽透平空压机调速和导叶控制系统.doc

18.4 独特的蒸汽透平空压机调速和导叶控制系统
　　蒸汽透平空压机是某厂从原联邦德国DEMAG 公司引进的机组，它是以4.0MPa蒸汽为动力驱动一个型号为NK32/16-3的蒸汽透平，继而带动一个型号为AR70-8V7-2的空压机。机组转速的控制由机械和仪表两部分构成，入口流量控制是通过对入口导叶开度的控制而实现的，其独特之处在于调速控制和导叶开度控制都是接收同一个控制器来的号，同步实现流量与转速的双稳定。

18.4.1　调速和导叶开度控制系统
18.4.1 .1 系统构成
系统结构简图如图18-9所示。

调速自控系统包括：
HC1301———转速及导叶开度手操器，信号范围是20～100kPa，在其为外设定状态时，输出信号为FRQC-1的输出信号；
FRQC-1———空压机入口流量反作用控制器；
SC1302———转速自动调节系统的输出，在(20～48.2～60kPa 的范围内将透平转速分别控制在 7120～8100～8510r/min；
UC1301-1———计算器，将87.1～93.5kPa的信号转换成48.2～60kPa的信号；
UC101-2———高选器；
UC1301-3———低选器；
K1———定值器，设定值为48.2kPa。
经过分析，可将SC1302与FRQC-1（或HC1301）间的函数曲线绘制成图，见图18-10所示。
18.4.1.3 导叶开度控制系统
导叶开度控制系统包括：
HC1301———转速及导叶开度手操器，信号范围是(20～100kPa，在其为外设定状态时，输出信号为FRQC-1的输出信号；
UC1052-1———低选器；
UC1052-2———高选器；
UC1052-3———计算器，将93.5～100kPa的信号转换成87.1～100kPa的信号；
HCV1052———入口导叶阀门定位器，在48.2～87.1～100kPa
的信号范围内动作，范围是+30°～ 0°～ -10°
K2：定值器，设定值为87.1kPa。
经过分析，可将HCV1052与FRQC-1（或HC1301）间的函数曲线绘制成图，如图18-11所示。

18.4.2 透平转速与导叶开度自动控制的实现
18.4.2.1 启动初期的手动操作
　　透平的启动阶段指转速在0～7120～8100r/min 的过程，在此过程中，导叶将始终保持在+30°关的状态，以保持透平无负荷启动。
　　首先应将 HC1301 打至内设定（手动）状态，将 FRQC-1 的输出信号切除，并保持 20kPa的信号，此时 SC1302 接收的信号为 20kPa，使其对阀门0801不产生影响，然后通过手动调整机械调速部分 HC1302 手柄，使蒸汽阀门 0801 开度由小到大，透平转速也从 0r/min 增至 7120r/min （87.9%的额定转速）。
18.4.2.2 转速与导叶开度的自动控制
　　通过图18-10和图18-11可以看出，此时手动操作 HC1301 使其由 20kPa 增至 48.2kPa，透平转速相应地从 7120r/min 被升速至 8100r/min，接着再将其输出逐渐增大至 87.1kPa，此过程中透平转速将始终保持额定转速 8100r/min，但其入口导叶将逐渐打开，由 +30°变到 0°，开始压缩空气外送。在操作人员陆续开下道工艺设备并将出口压力稳定后，即可将 HC1301 切换到自动状态（外设定），即其输出信号接收 FRQC-1 的信号，从而使空压机的出口流量与转速同时进入自动控制状态。此时，如果出口气量受 FRQC-1 控制需要调节时，空压机转速将保持 8100r/min 不变，导叶开度在 +30°～ 0°间变化。
18.4.2.3 透平自动提速
　　如果空压机输出的气量在导叶开度为+30°～ 0°范围内满足不了要求，需要提量，即 FRQC-1 流量调节器的测量小于设定值时，其输出将由 87.1kPa 逐渐增大，即先将透平从 8100r/min 开始升速，最终升速到 8510r/min，然后再将入口导叶由 0°开大到 -10°，从而既保证了气量的需要，又为该流量下出口气体压力的稳定提供了相应的动力。
18.4.2.4 超速跳车及其他条件下的联锁保护
　　在机械方面，还设有一超速跳车保护系统，当透平转速超过 110% 时，超速停车控制器将蒸汽入口阀 2301 关闭，停透平；当空压机出现喘振、振动超高等不正常现象时，将发生联锁动作，使阀0801关闭，停透平空压机。
18.4.3 系统设计的独特之处
　（1）系统由高选器、低选器、计算器、定值器及手操器等组成，设计简单且性能可靠。
　（2）自动调节系统与入口导叶开度系统都是由一个调节器FRQC-1（和手操器 HC1301）控制，在通过自动控制入口导叶开度控制出口流量的同时，也同步地自动控制透平空压机的转速，使得一定流量的气体能够获得相应转速下压缩机提供的动能，从而保证了压缩机出口气体压力与流量的稳定。
　（3）在透平空压机启动阶段，操作人员只需操作一台手操器即可同时调整透平转速及入口导叶的开度，极大地简化了操作。
　（4）具有超速跳车及联锁保护系统，保证透平空压机安全可靠地运行。
　　经过上面的分析不难看出，此套蒸汽透平空压机的转速和入口导叶开度控制系统接收同一个调节器的输出信号，同步实现自动控制；并且在转速控制联锁停车等方面也有相应的设计，是一套考虑非常周到的完整控制系统，有着一定的特色。
18.5 GT078L3K3型离心式空气压缩机的防喘振控制
　　GT078L3K3型离心式三级空气压缩机是由德国Atlas公司生产的，为整体齿轮驱动的径向式压缩机，齿轮带有3个轴，为水平分裂的单螺旋直齿圆柱型，主要技术指标为电动机电压6000V，电流570A，功率5200kW，一级吸入口体积流量61400m3/h，压力97.4kPa，温度30℃，出口与入口压力之比不变时，喘振极限操纵反应线42000m3/h。
18.5.1　喘振产生的原因分析
　　离心式压缩机的喘振是由于压缩空气部分或全部回流导致压力波动、温度增加所引起的，它受空压缩机转速、各级吸入气体温度、入口导叶开度等因素的影响。
　　空压缩机转速因素是由于空压机本身性能可靠，供电设备稳定，且有轴振动、轴位移报警保护装置，所以由转速不稳造成压力波动的因素可不考虑。
　　各级吸入气体温度因素是在相同压力比下，若各级吸入气体温度高，气体流量就会减少。可通过测量各级入口气体温度来修正气体的流量，以减少温度变化对工况的影响。
　　入口导叶开度因素是在入口导叶开度一定时，空气流量比Q和压力比P(Q、P均为实际值与设定值之比)存在一定的函数关系，其函数关系可通过压缩机的特性图表示，如图18-12所示。
　　从图18-12可看出，导叶开度和压力比不同，空压机出现喘振的流量极限不同。把不同状态下出现喘振的极限流量值连接起来，就构成了喘振曲线，如图18-12中的PG线，喘振曲线的左上方为空压机非稳定工作区，即喘振区，右下部为稳定工作区。
　　（1） 若入口导叶开度不变，空气压缩机流量和压力关系成一固定曲线。当压力比增大，空压机操作点O则沿该固定曲线移动，流量值易移至喘振区；若流量减少，空压机操作点O也会沿该固定曲线移动，压力比值也极易移至喘振区。为避免压力比大、流量小而引起喘振，可调节入口导叶的开度，使空压机的压力和流量维持在稳定工作范围内。
　　（2）当停止向空分装置送气或空分装置阻力大时，输送给空分装置的空气流量就会很小，从而导致空压机工作在喘振区。此时，可通过调节放空阀的开度使空压机的流量保持在喘振极限操纵反应线以上。

18.5.2　 防喘振控制的实现
18.5.2.1 系统组成
　　该系统由DCS和PLC两部分组成，系统配置如图18-13所示。DCS是加拿大Elsag公司的INFI90集散控制系统，其中INFI90环网、多功能处理器构成系统的热态冗余，完成整个工厂的生产过程的数据采集、回路控制等功能。PLC系统选用德国SIEMENS公司的S5-115U 945系列可编程控制器，由一组I/O模块和一个操作员盘组成，完成空压机设备的联锁联动控制、重要参数(电机转速，轴振动等)的模拟显示及控制。DCS与PLC之间有相互联系的参数，通过它们的I/O模块进行联系。
空气压缩机防喘振控制系统主要包括入口导叶开度调节回路、放空阀调节回路、开停车时设备联锁三部分。其中，入口导叶开度调节由DCS实现；放空阀调节、开停车设备联锁由PLC实现。
18.5.2.2 入口导叶开度控制
　　 入口导叶开度用来控制空压机进出口压力比和空气流量，保证空压机能工作在稳定的工作区内。该控制采用流量和压力两参数的选择性控制方案，如图18-14所示。

入口导叶开度调节回路控制功能如下。
　　(1)输入数据处理
　　 　除对输入信号进行移动平均值处理外，还对空气流量信号进行温、压补偿计算和上、下限幅处理。
　　(2)回路控制
　　 　被控参数压力和流量分别采用单独的调节器进行PID控制，由低选器选择其中的低值来控制入口导叶开度。这样，既减少了空分装置中输入空气压力和流量的波动，又预防了空压机喘振现象的发生。
　　(3)联锁控制
　　 　当FIC-F2615回路的手/自动控制站切换为手动时，入口导叶的开度由FIC-F2615的手动输出值和PIC-P2615的自动输出值中的小值来控制。
　　 　当PIC-P2615回路的手/自动控制站切换为手动时，入口导叶的开度则只通过FIC-F2615的自动输出值来控制。
18.5.2.3 放空阀开度调节
　　一旦空压机接近喘振区(如图18-12中AG线)，就要打开放空阀，使空压机的排出压力降低，空压缩机重回到稳定工作区。放空阀的放空量将根据二级压缩后的经温压补正的空气流量进行开环控制，如图18-15所示。

18.5.2.4 空压机开停时设备联锁
　　(1)空压机启动准备：入口导叶处于最小位置；放空阀全开。
　　(2)空压机启动：启动过程中放空阀保持全开。
　　(3)启动之后：3min之内缓慢闭合放空阀。
　　(4)停机：快速打开放空阀
18.6 聚乙烯C-400压缩机联锁及状态监测系统与DCS、PLC的应用
　　 某乙烯厂聚乙烯装置是采用英国BP专利低压气相流化床工艺生产HDPE/LIDPE产品，其生产工艺包括催化剂制备、预聚合、聚合工段、挤压造粒、包装工段；其反应大部分是用程序控制间歇反应而聚合工段是连续式不间断反应；其控制系统是采用美国HONEYWELL公司TDC-3000集散控制系统完成各种单回路控制、复杂控制、逻辑控制、程序控制和各种高级程序计算；联锁保护系统采用美国MIDICON公司的984-680 PLC实现工艺紧急切断联锁及其它各种安全联锁保护。
　　 聚合工段的D-400反应器是聚合反应的“心脏”，其流化气循环的动力是采用日本引进离心式压缩机C-400作循环反应，其设计满足长周期运行，即每条线只有一台压缩机。所以，如何保证压缩机安全、稳定、长周期运行，满足工艺平稳生产、减少停车的经济损失，这不仅需要工艺人员精心操作和维护，更重要是加强对压缩机组的安全保护系统，提高联锁系统可靠性及状态监测系统的稳定性是维护人员的关键。
18.6.1　压缩机及联锁系统
18.6.1.1 压缩机系统简介
　　 PE装置流化气压缩机是引进日本EBARA的180TC型离心式压缩机，其驱动是采用1800kW的电机驱动，正常生产时进出口压力为1.8MPa和2.1MPa，转速为3000r/min，其循环气量由入口导向叶片控制，整个系统由工艺系统、油系统、密封气系统组成，其工艺流程如图18-16所示。

　　　　　　　　　　　图18-16　C-400压缩机系统结构图
　　a. 工艺系统。来自D-400反应器的循环流化气加入乙烯、H2、丁烯后经过S-400过滤后，经高速离心压缩机加压后再送入E-400，E-400冷却后，进入D-400反应器循环反应。
　　b. 密封气系统。密封气采用高压氮气N2或高压乙烯，并经PDIC-418调节后用于流化气与油系统的隔离密封，并进入流化气循环系统中。
　　c. 密封油系统。一路密封油主要用于机械设备密封装置的油/气隔离密封，一路润滑油用于机组各轴承的润滑。
18.6.1.2 联锁系统的功能
　　流化气压缩机联锁系统设计主要目的是保证压缩机在正常运行时出现异常情况和系统故障时，联锁系统能够及时、准确地动作，作紧急事故处理，保护设备及人身安全，使故障的损失减少到最小。
　　聚乙烯压缩机联锁逻辑功能是由专门的PLC系统来实现，系统停车有正常停车、联锁停车和紧急停车三种，在现场及中控室均可手动紧急停车，并保证系统的紧急处理，其重要故障及联锁信息送入DCS中，进行记录及历史趋势、报警联锁信息、方便判断和处理故障。
　　（1）流化气压缩机开车联锁逻辑原理
　　C-400压缩机开车共有5个条件，并且是逻辑与的关系，只有当所有条件满足时，启动灯亮，方可现场启动C-400。其中入口导向叶片要全关，保证C-400压缩机开车时处于低负荷运行，润滑油高位槽油位需达高报，以保证开车后瞬间停车保护压缩机。另外润滑油压力不能报警，只有当以上各条件具备时，并由工艺仪表、电气人员确定后方可开车。
　　（2）流化气压缩机停车联锁逻辑

　　　　　　　　　　　　　　　　图18-17　C-400停车联锁逻辑图
见图18-17,C-400压缩机停车共有6个条件，主要是以下几个方面：
　　a.轴位移XSHH-400 A/B大于0.53mm；
　　b.密封轴侧振动VSHH-400 A/B大于125μm ；
　　c.联轴器侧振动VSHH-401 A/B大于125μm ；
　　d.润滑油压力低低报PSLL-417 A/B/C低于76kPa；
　　e.油气压差PDSLL-413 A/B/C低于138kPa；
　　f.中控室主控台紧急停车按钮HS-400。
　（3）C-400联锁系统的修改
　　为了提高对系统抗干扰能力，减少外界系统波动引起的不必要的停车，我们对压缩机控制及联锁系统进行了改进和修改。
　　a.对油气压差气动控制系统21/22 PDIC-414，由于波动较大经常出现联锁误动作，造成不必要的无故意停车，为此我们在控制信号回路上加一气动缓冲罐，减少波动，同时根据工艺情况，在油系统的管线上增加一个高压缓冲罐，减少工艺系统波动的影响。同时我们依据长期观察所得经验，制定两套PID参数用于整套控制系统(见表18-6)，分别用于压缩机的开停车和正常生产，从而保证了工艺的平稳生产。

　图18-18　状态监测系统在DCS上的应用

　　b.为了减少系统瞬间波动造成的影响，如润滑油压力的瞬间低报，密封油和密封气的瞬间停止，状态监测信号的瞬间报警等造成的不必要的停车，对PLC逻辑梯形图进行了改进，在润滑油低报信号和压缩机停车信号上各加了一定的延时，以减少瞬间波动造成的停车，如图18-18所示。

18.6.2　改进的PLC逻辑梯形图
18.6.2.1　状态监测系统组成

　 　　　　　　　图18-19　C-400压缩机状态监测系统组成图
　　见图18-19,聚乙烯C-400压缩机状态监测系统采用美国BENTLY NEVADA公司的3300系列状态监视仪表，其监测点包括有4个振动，2个位移和1个键相信号，另外还有6点轴温，每条线共有13个监测点，两条线共26个监测点，信号集中监控在中控室两个主控台上，方便工艺操作和仪表维护。
18.6.2.2 状态监测系统的改进

　 　　　　　　　　　　图18-20　C-400压缩机状态监测系统改进原理图

　  见图18-20,本特利3300系统状态轴监测系统只能对压缩机状态进行瞬时监控，反映机组故障的许多特征信息，过于简单，且无记录和趋势。因此针对以上情况，我们对其监测信号引入DCS的改造计划，并于1997年大修实施时在DCS相应画面增加显示和报警同时组态历史趋势和记录，方便仪表人员查录信息，以便处理故障，保证设备的长周期进行。

18.6.2.3　状态监测系统在DCS的应用和开发
　　C-400压缩机状态监测信号引入到DCS之后，我们对其进行了处理和开发应用，在DCS上专门做了压缩机组画面，组画面及瞬间和历史趋势记录画面，并增加报警，使操作和维护人员能更好地从各个方面了解压缩机的运行情况，及时发现和排除隐患，保证设备长周期运行。