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摘要：针对扬子石化2#加氢裂化装置循环氢压缩机，介绍ITCC控制技术在汽轮机转速控制中的应用，重点介绍实际速度的选择，升速8模式下目标转速以及转速给定值的生成，实际转速PID控制。
关键词：实际转速；目标转速；实际转速给定；转速PID
1.引言
芳烃厂2#加氢裂化装置为扬子石化劣质油改造项目的核心装置，设计生产能力为200万吨/年。加氢裂化装置的反应系统处于高压临氢气环境下，氢气是由循环氢压缩机（GB201101）提升压力循环使用的，压缩机能力为350000Nm3/h，为沈阳透平机械股份有限公司设计制造的径向剖分筒型离心式压缩机，由杭州汽轮机厂生产的积木块系列多级工业汽轮机驱动。压缩机与汽轮机之间采用膜片式联轴器。控制压缩机的转速稳定对机组的安全运行及对整个装置的稳定生产有着举足轻重的作用，而压缩机的转速又取决于汽轮机的转速。
2 汽轮机调速系统的一般构成
汽轮机调速系统一般都由转速感应机构、调速器、传动放大及执行机构和反馈机构四部分组成。传统的调速器采用WOODWARD的505E、501和EG等现场分立仪表并通过彼此间通讯协同控制，通讯速率较慢，可靠性较差，不利于机组的长周期稳定运行，近年来已逐渐被高可靠和集成化的ITCC系统取代（如TRICONEX的系统），该系统采用独特的调速控制程序取代电子调速器来控制汽轮机的转速，具有高可靠性，功能强大，组态灵活，容易操作，减少维护等优点。
3、ITCC控制系统的介绍
3.1 硬件
ITCC系统的硬件核心是基于三重模件冗余容错（TMR）结构的控制器，共有3个主处理器，工作方式为3—2—1—0或3—2—0，所有的I/O信号都经过硬件“三取二”表决（如图3—1）。数字量输入信号在DI模件中被分成隔离的3路，分布送到3个CPU中进行“三取二”表决，通过3条I/O总线送到DO模件，在DO模件通过“方形表决电路”再次表决后，输出到现场执行器。模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离的3路，通过A/D转换器转换成12位数字量，采用选中值的算法纠正分电路的偏差，输出信号经过选择器后输出到控制阀。
3.2软件
TRICONEX的ITCC系统采用Tristation1131软件编程，内置控制模块，将机组性能控制、联锁逻辑控制、防喘振、调速控制和常规监视调节等功能集成于一体，各功能之间的协调非常容易，得到了TUV AK6安全认证，可用性达到99.99%，可满足汽轮机调速、防喘振控制、联锁逻辑、过程监控等各种工业应用。其控制网络为工业以太网，操作监控软件采用INTOUCH10.1。该监控软件通过DDE sever从控制器中读写过程数据，对压缩机进行监视和控制。
3.3汽轮机调速控制的实现
调速控制是ITCC系统的核心功能，满足高精度控制和快速动態响应的要求。从测速探头来的频率信号进入PI卡，通过速度PID控制块运算后，输出4～20mA的信号到电液转换器，经液压传动、放大后控制汽轮机调速阀的开度，从而改变进入透平的蒸汽流量，实现汽轮机转速的控制。
ITCC系统使用专用的调速程序对机组进行多模式控制。共有停机、复位、启动、暖机、升速、运行、正常停机和超速8种控制模式。根据汽轮机主机厂提供的升速曲线和升速速率，自动将汽轮机从零转速升到最小转速，并迅速越过临界转速，达到正常运行转速。
3.3.1 调速控制原理
汽轮机启动后，根据透平实际升速曲线和暖机阶段划分升速模式，确定各模式的速度范围（即转速目标值）以及升速速率，再按照各升速模式包括临界区时的升速速率向目标转速爬坡进而产生实际转速给定值，该值与实际转速（经过转速探头选择计算产生）的偏差经PID调节运算后输出去控制调速阀。
图3-2 汽轮机转速控制原理图
汽轮机的调速控制主要由如下几个模块实现：
1、目标转速设定模块：TARGET_U
图3-3 汽轮机目标转速的生成
图3-4 汽轮机实际转速给定值的生成
TARGET_U功能块的作用是产生与汽轮机升速曲线相对应的各调速模式下的目标转速。该功能块和SRAMP04配合使用，用于向SRAMP04输出目标转速和FLG_RAMP控制字。目标转速设定值不允许停留在任一临界区里，当目标转速设定值进入临界区内，会立即从临界区另一端出来。
2、实际转速设定值爬坡模块SRAMP04
SRAMP04功能块的作用是接受目标转速设定模块的目标转速信号及组态标志，产生实际转速设定值去作为转速PID控制块的给定值。实际转速设定值不允许越出MINLIM 和MAXLIM的设定限值。
3、实际转速选择（SPD_SEL）
SPD_SEL功能块的作用是从多达4只测速探头中选择实际转速，报告探头转速故障及速度丢失。2#加氢裂化装置从现场测速探头来的频率信号SSA20163201A～E（如图3-6）进入PI卡经过处理后，SSA20163201A＼B进入该功能块两者高选计算透平转速（r1SPEED）。另外SSA20163201C～E“三取二”进行联锁报警。FAILSPD是故障转速设定值，一般为200转。任何转速低于FAILSPD（200RPM）的探头将被判定为FAIL，相应的PUFL输出置1，当所有探头转速故障或者被禁止时，LOSTSPD输出置1，速度丢失报警。
图3-5 汽轮机转速探头配置
图3-6 实际转速选择及故障判断功能
4 速度PID 模块（VPID02_01）
图3-7 汽轮机转速PID调节
VPID02_01功能块的作用是将前述SRAMP04功能块输出的实际转速设定值作为PID运算的给定值，将SPD-SEL模块输出的实际转速作为测量值，经内部固化的PID算法运算后，输出4～20mA信号去调节透平调速阀门。该功能块可设置控制器的正反作用；比例项作用可设置根据偏差（fERROR 置1）或根据测量的变化来计算；比例积分微分作用的使能以及多组P/I 参数设置的调整；根据所设置的不同模式，输入的设定值及输出值受最大最小范围控制。此外，具备手自动无扰动切换功能，自动时rMANUAL跟踪rOUTPUT，手动时rOUTPUT跟踪rMANUAL。 4 调试
2#高压加氢装置压缩机机组操作监控软件采用INTOUCH10.1。该监控软件通过DDE sever从控制器中读写过程数据，对压缩机进行监视和控制。下图为调速监控画面。
图4-1 汽轮机调速画面
在该调速画面根据不同用户权限可以进行手自动控制切换、CCS＼就地盘切换、冷态＼热态切换、超速＼运行切换、手动升降速、启动汽轮机软按钮、正常停机软按钮、PID参数设置、调整一级二级暖机时间、各个临界区转速上下限及爬坡速率、目标转速实时监视，实际设定转速以及实际转速显示等。该监控软件操作简易安全，调试方便人性化。
2#加氢压缩机机组试车过程中总的来说比较顺利，但是也出现了如下故障：
1.刚试车时，从现场测速探头来的频率信号SSA20163201A～E中，SSA20163201A转速到4000多转时突然飞升至13000多，导致超速停车，而SSA20163201B～E转速正常。经检查，发现是信号干扰导致，在PI端子板接线端增加一250欧姆的电阻抗干扰并且远离通讯工具后故障消除。
2.试车时感觉转速偏高，用TK—3调校发现显示转速确实比实际转速高，经检查是PI卡中齿轮比设置错误，由30改为60后投用正常。
3.试车调速阶段，二级怠机暖机时间已经超过设定时间但未按程序进入加速模式，经检查是工艺升速时仪表人员正在修改并整体下装程序，各个模式转速上下限恢复至“初始值”，重新按工艺实际要求填写转速范围后恢复正常。
4.试车过程中，因参与调试和组态的仪表技术人员较多，常常出现不受控的程序下装，却不清楚谁更改了程序哪些内容。为了杜绝安全隐患，对程序进行分级管理。有效避免不受控的程序更改，提高了控制系统的安全性能。
5.试车阶段，需要对设定值和逻辑不断完善和修改，不可避免地要多次在線下装程序，导致内存碎片增加，使CPU运行时间增长，在发生突发状况或者下装程序时，由于CPU占用大量资源，可能发生运行错误、死机等故障，因此在多次在线下装后，就需要整体下装一次。而装置正常运行时整体下装会导致装置失控，所以平时装置正常运行时尽量不修改设定值和程序，等待机组停车检修时一并修改。
5 结论
ITCC控制技术在汽轮机转速控制中的应用使得机组运行稳定，提高了自动化控制程度。各调速模式下速度上下限、PID调节参数设置方便灵活，满足了各种生产工况的要求。同时，其界面操作简单，易于工艺人员接受掌握。但是在系统维护和使用过程中也出现了各种各样的问题，这就要求我们必须加强学习和沟通，以提高对ITCC系统的维护能力，使系统工作在稳定和可靠的环境下，为装置的长周期稳定运行提供坚实的基础。
参考文献：
[1] 郎奎发 ITCC机组控制系统培训材料
[2] 王学义 工业汽轮机技术问答 中国石化出版社
作者简介：
张玉梅（1975—），女，汉族，工程师，现就职扬子石化电仪分公司。
关键词：实际转速；目标转速；实际转速给定；转速PID
1.引言
芳烃厂2#加氢裂化装置为扬子石化劣质油改造项目的核心装置，设计生产能力为200万吨/年。加氢裂化装置的反应系统处于高压临氢气环境下，氢气是由循环氢压缩机（GB201101）提升压力循环使用的，压缩机能力为350000Nm3/h，为沈阳透平机械股份有限公司设计制造的径向剖分筒型离心式压缩机，由杭州汽轮机厂生产的积木块系列多级工业汽轮机驱动。压缩机与汽轮机之间采用膜片式联轴器。控制压缩机的转速稳定对机组的安全运行及对整个装置的稳定生产有着举足轻重的作用，而压缩机的转速又取决于汽轮机的转速。
2 汽轮机调速系统的一般构成
汽轮机调速系统一般都由转速感应机构、调速器、传动放大及执行机构和反馈机构四部分组成。传统的调速器采用WOODWARD的505E、501和EG等现场分立仪表并通过彼此间通讯协同控制，通讯速率较慢，可靠性较差，不利于机组的长周期稳定运行，近年来已逐渐被高可靠和集成化的ITCC系统取代（如TRICONEX的系统），该系统采用独特的调速控制程序取代电子调速器来控制汽轮机的转速，具有高可靠性，功能强大，组态灵活，容易操作，减少维护等优点。
3、ITCC控制系统的介绍
3.1 硬件
ITCC系统的硬件核心是基于三重模件冗余容错（TMR）结构的控制器，共有3个主处理器，工作方式为3—2—1—0或3—2—0，所有的I/O信号都经过硬件“三取二”表决（如图3—1）。数字量输入信号在DI模件中被分成隔离的3路，分布送到3个CPU中进行“三取二”表决，通过3条I/O总线送到DO模件，在DO模件通过“方形表决电路”再次表决后，输出到现场执行器。模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离的3路，通过A/D转换器转换成12位数字量，采用选中值的算法纠正分电路的偏差，输出信号经过选择器后输出到控制阀。
3.2软件
TRICONEX的ITCC系统采用Tristation1131软件编程，内置控制模块，将机组性能控制、联锁逻辑控制、防喘振、调速控制和常规监视调节等功能集成于一体，各功能之间的协调非常容易，得到了TUV AK6安全认证，可用性达到99.99%，可满足汽轮机调速、防喘振控制、联锁逻辑、过程监控等各种工业应用。其控制网络为工业以太网，操作监控软件采用INTOUCH10.1。该监控软件通过DDE sever从控制器中读写过程数据，对压缩机进行监视和控制。
3.3汽轮机调速控制的实现
调速控制是ITCC系统的核心功能，满足高精度控制和快速动態响应的要求。从测速探头来的频率信号进入PI卡，通过速度PID控制块运算后，输出4～20mA的信号到电液转换器，经液压传动、放大后控制汽轮机调速阀的开度，从而改变进入透平的蒸汽流量，实现汽轮机转速的控制。
ITCC系统使用专用的调速程序对机组进行多模式控制。共有停机、复位、启动、暖机、升速、运行、正常停机和超速8种控制模式。根据汽轮机主机厂提供的升速曲线和升速速率，自动将汽轮机从零转速升到最小转速，并迅速越过临界转速，达到正常运行转速。
3.3.1 调速控制原理
汽轮机启动后，根据透平实际升速曲线和暖机阶段划分升速模式，确定各模式的速度范围（即转速目标值）以及升速速率，再按照各升速模式包括临界区时的升速速率向目标转速爬坡进而产生实际转速给定值，该值与实际转速（经过转速探头选择计算产生）的偏差经PID调节运算后输出去控制调速阀。
图3-2 汽轮机转速控制原理图
汽轮机的调速控制主要由如下几个模块实现：
1、目标转速设定模块：TARGET_U
图3-3 汽轮机目标转速的生成
图3-4 汽轮机实际转速给定值的生成
TARGET_U功能块的作用是产生与汽轮机升速曲线相对应的各调速模式下的目标转速。该功能块和SRAMP04配合使用，用于向SRAMP04输出目标转速和FLG_RAMP控制字。目标转速设定值不允许停留在任一临界区里，当目标转速设定值进入临界区内，会立即从临界区另一端出来。
2、实际转速设定值爬坡模块SRAMP04
SRAMP04功能块的作用是接受目标转速设定模块的目标转速信号及组态标志，产生实际转速设定值去作为转速PID控制块的给定值。实际转速设定值不允许越出MINLIM 和MAXLIM的设定限值。
3、实际转速选择（SPD_SEL）
SPD_SEL功能块的作用是从多达4只测速探头中选择实际转速，报告探头转速故障及速度丢失。2#加氢裂化装置从现场测速探头来的频率信号SSA20163201A～E（如图3-6）进入PI卡经过处理后，SSA20163201A＼B进入该功能块两者高选计算透平转速（r1SPEED）。另外SSA20163201C～E“三取二”进行联锁报警。FAILSPD是故障转速设定值，一般为200转。任何转速低于FAILSPD（200RPM）的探头将被判定为FAIL，相应的PUFL输出置1，当所有探头转速故障或者被禁止时，LOSTSPD输出置1，速度丢失报警。
图3-5 汽轮机转速探头配置
图3-6 实际转速选择及故障判断功能
4 速度PID 模块（VPID02_01）
图3-7 汽轮机转速PID调节
VPID02_01功能块的作用是将前述SRAMP04功能块输出的实际转速设定值作为PID运算的给定值，将SPD-SEL模块输出的实际转速作为测量值，经内部固化的PID算法运算后，输出4～20mA信号去调节透平调速阀门。该功能块可设置控制器的正反作用；比例项作用可设置根据偏差（fERROR 置1）或根据测量的变化来计算；比例积分微分作用的使能以及多组P/I 参数设置的调整；根据所设置的不同模式，输入的设定值及输出值受最大最小范围控制。此外，具备手自动无扰动切换功能，自动时rMANUAL跟踪rOUTPUT，手动时rOUTPUT跟踪rMANUAL。 4 调试
2#高压加氢装置压缩机机组操作监控软件采用INTOUCH10.1。该监控软件通过DDE sever从控制器中读写过程数据，对压缩机进行监视和控制。下图为调速监控画面。
图4-1 汽轮机调速画面
在该调速画面根据不同用户权限可以进行手自动控制切换、CCS＼就地盘切换、冷态＼热态切换、超速＼运行切换、手动升降速、启动汽轮机软按钮、正常停机软按钮、PID参数设置、调整一级二级暖机时间、各个临界区转速上下限及爬坡速率、目标转速实时监视，实际设定转速以及实际转速显示等。该监控软件操作简易安全，调试方便人性化。
2#加氢压缩机机组试车过程中总的来说比较顺利，但是也出现了如下故障：
1.刚试车时，从现场测速探头来的频率信号SSA20163201A～E中，SSA20163201A转速到4000多转时突然飞升至13000多，导致超速停车，而SSA20163201B～E转速正常。经检查，发现是信号干扰导致，在PI端子板接线端增加一250欧姆的电阻抗干扰并且远离通讯工具后故障消除。
2.试车时感觉转速偏高，用TK—3调校发现显示转速确实比实际转速高，经检查是PI卡中齿轮比设置错误，由30改为60后投用正常。
3.试车调速阶段，二级怠机暖机时间已经超过设定时间但未按程序进入加速模式，经检查是工艺升速时仪表人员正在修改并整体下装程序，各个模式转速上下限恢复至“初始值”，重新按工艺实际要求填写转速范围后恢复正常。
4.试车过程中，因参与调试和组态的仪表技术人员较多，常常出现不受控的程序下装，却不清楚谁更改了程序哪些内容。为了杜绝安全隐患，对程序进行分级管理。有效避免不受控的程序更改，提高了控制系统的安全性能。
5.试车阶段，需要对设定值和逻辑不断完善和修改，不可避免地要多次在線下装程序，导致内存碎片增加，使CPU运行时间增长，在发生突发状况或者下装程序时，由于CPU占用大量资源，可能发生运行错误、死机等故障，因此在多次在线下装后，就需要整体下装一次。而装置正常运行时整体下装会导致装置失控，所以平时装置正常运行时尽量不修改设定值和程序，等待机组停车检修时一并修改。
5 结论
ITCC控制技术在汽轮机转速控制中的应用使得机组运行稳定，提高了自动化控制程度。各调速模式下速度上下限、PID调节参数设置方便灵活，满足了各种生产工况的要求。同时，其界面操作简单，易于工艺人员接受掌握。但是在系统维护和使用过程中也出现了各种各样的问题，这就要求我们必须加强学习和沟通，以提高对ITCC系统的维护能力，使系统工作在稳定和可靠的环境下，为装置的长周期稳定运行提供坚实的基础。
参考文献：
[1] 郎奎发 ITCC机组控制系统培训材料
[2] 王学义 工业汽轮机技术问答 中国石化出版社
作者简介：
张玉梅（1975—），女，汉族，工程师，现就职扬子石化电仪分公司。