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【摘要】连续重整装置氢气增压机组的入口压力控制采用传统的CCS三分程控制，由于运行精度差及操作受限，实际生产中无法实现三分程自控，只能采取手动控制， 同时机组回流量大，为保证系统平稳运行，引用美国CCC机组控制系统，包括防喘振控制，在保证反再系统压力稳定的同时达到节能降耗的目的。
【关键词】氢气增压机 CCC机组控制系统
1 引言
连续重整装置氢气增压机1110-K202（BCL707+BCL708）采用两段轴向布置，一二段均布置防喘振系统线，如何同时实现反再系统压力的自动控制、防喘振系统的自动控制及入口压力超限控制，保证系统平稳操作，在CCS系统应用的Triconex三分程控制已不能满足操作要求，引用美国CCC机组控制系统很好的解决了这一问题。另外传统的Triconex喘振控制系统使一二段防喘振阀常存在一定开度且波动较大，影响安全运行，能耗较大，通过CCC系统现场实测喘振线，利用防喘振控制方法，基本实现了回流阀的关闭，达到了节能降耗的目的。
2 控制系统改造
2.1 改造前存在的问题
改造前增压机组K202的CCS控制系统存如下问题：
（1）三分程中段转速控制通过人为手动控制，影响装置的平稳运行，操作困难，且波动较大。
（2）装置经常处于满负荷状态，环境温度的变化容易使运行点易进入喘振区域，易引起K201入口压力波动，并形成恶性循环，增加了装置的运行危险性。回流阀开度在8%左右，导致压缩机运行能耗过高。
（3）性能控制与防喘振控制功能不清晰，相互干扰，没有有效的解耦控制，无法有效调节压缩机性能。2.2 控制系统改造方案
首先确定总体控制方案，反再系统压力取消三分程控制，改由压缩机转速直接参与控制，防喘振控制只参与喘振保护工作，反再压力超限由压缩机入口防火炬阀定值控制。以上控制方案非常简化，但实现了平稳控制及安全保护的要求。控制系统改造是在原CCS系统基础上进行，具体改造内容如下：
取消原Triconex控制器CCS系统中防喘振控制、入口压力“三分程”控制，只保留联锁控制、开停机升降速控制及常规监控报警等。新上CCC S5 Vanguard 控制系统一套，采用性能控制（PIC20801—PIC21001A—SIC多串级控制以及PIC-21001B单回路控制方案）及防喘振控制。机组到达5338RPM（机组最低可调转速）之前，位于CCC系统中的PIC20801—PIC21001A控制器始终处于“跟踪”工作状态；转速超过5338RPM之后，位于CCS中的速度控制器方可无扰动切换至接受CCC远程串级控制信号。
增设一台CCC操作站兼工程师站。将参与控制所需的入口流量、入口压力、入口温度、出口压力、出口温度等信号经一入两出分配器分出，接入CCC控制系统，输出由CCC控制器接到喘振阀等。（可不改变原有现场接线，同时TS3000画面不变。）引入一个主控制器控制压缩机的入口压力。
重新计算并在开工期间现场实测喘振曲线，建立一段、二段喘振控制回路的解耦协调从而实施安全、高效的防喘振及性能控制。
2.3 CCC喘振系统简要介绍及现场实测过程描述
2.3.1？CCC喘振控制系统简介及优点
CCC的喘振控制通过测量入口流量、出入口压力、出入口温度来实时计算出一个无量纲的S值作为控制的测量值，再引入闭环PI控制、开环阶梯响应（RT）以及前馈控制等来实现防喘振控制。作为喘振控制的基础，S值的算法如下：
Ss = K*f1（hr）/ qr2op
f1（hr）：流量与多变能头的函数，其值等于喘振点简化流量的平方qr2SLP
qr2OP；压缩机运行点简化流量平方
K：计算调节参数
hr：简化多变能头（reduced polytropic head）
Rc：压比（compression ratio）
多变能头指数（p o l y t r o p i c h e a d exponent）
Pd：出口压力（discharge pressure）
Ps：入口压力（suction pressure）
Td：出口温度（discharge temperature）
Ts：入口温度（suction temperature）
实时计算的S值定义了压缩机运行点在性能曲线图中的精确坐标位置，当S<1时，压缩机运行在安全区域，当S>1时，进入喘振区域。
与Triconex喘振控制系统比较，其具有如下优点：
（1）增加了RTL阶跃响应线
在喘振线SLL的右侧加上一定的安全裕度分别是RT阶跃响应线RTL和喘振控制线SCL。当压缩机运行点到达SCL线时，PI响应输出控制回流阀打开适当开度，将压缩机控制到SCL线上。如果对于一个较大较快的扰动，当比例积分响应和特殊微分响应不能使压缩机操作点保持在SCL线的右边，而是操作点瞬间越过了SCL左边的RTL，则RTL响应就会以快速重复的阶跃响应迅速打开防喘振阀，这样就恰好可以增加足够的流量来防止喘振，而快速将压缩机拉回到安全区域。其每步阶跃的大小与运行点移动的速度有关。
（2） 安全裕度的不同及高速的计算能力
由于S实际上是计算了压缩机运行点对应性能曲线坐标原点的斜率，因此它相对于简单地比较流量的算法来说是拉大了控制区间。我们通常流量概念上的10%安全裕度大致相当于S值的17%，而由于CCC控制系统高速的计算能力（20ms执行周期），使得在喘振裕度可以设置的较小却足够调节，实现在低负荷情况下的卡边操作。但是，安全裕度小了，遇到较剧烈快速的扰动时，压缩机仍然会面临喘振的威胁。为了克服这种情况，CCC喘振控制模块中设置了前馈控制，即当S值突然减小，其速率超过一定值时，SCL线会右移。 （3）一、二段防喘振设有压力超驰POC控制
3 CCC控制系统优点
CCC Vanguard 控制系统是实时多任务开放式系统，采用先进的安全型cPCI总线构架；双重化冗余容错的硬件体系结合全面的冗余容错技术和Fallback策略，使得系统可靠性达到99.99%。先进的实时多任务操作系统将关键任务与非关键任务按优先等级实施控制，保证系统的执行速率不随I/O点数增加而下降，如防喘振、调速、抽汽控制执行速率为20ms，而一般监测为100ms，使机组的精确控制成为可能。3.1 硬件架构
CCC Vanguard 控制系统采用最先进的双重化cPCI 总线技术，可靠性高、运算速度快。
主处理器卡（MPU1002）采用目前工控领域最强大的Motorola 1GHz 处理器，256MB DRAM，5MB闪存。I/O卡件（IOC-555-D）单卡容量AI 22点、DI 16点、AO 6点、DO 14点、PI 6点，I/O卡处理器40MHz，扫描周期2.5ms，内置4MB内存，A/D转换分辨率达到12位；能够对现场回路进行检测；输入/输出通道全部采用光电隔离；内置输入变量线性化、工程单位转换、开平方滤波、报警及流量温度压力补偿运算功能
3.2 系统软件
透平机械控制应用软件包（TrainWare）：包括防喘振控制、速度控制、性能控制等模块。能够在保证机组最大运行可靠度的同时，优化机组运行和工艺操作，实现节能和扩大机组运行区域，从而适应装置负荷的大幅变动。
工程师组态维护工具软件包（Configurator）：集成工程组态、系统维护调试和工程设计的软件包，可实现在线上装/下装。
人机界面软件（TrainView II）：压缩机专用的人机界面软件，全面采用OPC技术。
事件管理功能（Events Management）：除了具有一般的SOE功能外，还有高分辨率的模拟量记录功能，类似飞机的黑匣子；当发生关键事件（如停机）时，能够记录各相关变量变化状态，包括了开关量和模拟量，开关量的分辨率2.5ms，使得判定故障原因和处理故障非常方便。
信号采样周期：2.5ms。
执行周期：系统任务5ms；喘振控制、速度控制等压缩机控制任务以及紧急停车联锁20ms；一般过程控制、信号显示100ms。
4 改造后运行情况分析及节能描述
4.1 运行分析
经过增压机组控制系统改造，反再入口压力完全实现自动控制，一二段防喘振回流阀全关，压缩机各参数运行正常，生产运行平稳。但在某些方面应引起注意，由于机组的自动控制，反再压力的上升导致不断提高机组转速，尤其在夏季，随着装置的大负荷生产，冷却能力不足造成压缩机负荷上升，应密切关注压缩机及汽轮机运行情况，适当条件下增加循环氢压缩机组的负荷，减轻增压机组的负荷，保证设备的正常运转。
4.2 节能方面
由于回流阀的关闭，在相同工艺参数下，增压机组蒸汽消耗较改造前减少约5～10吨（随处理量会有所变化）左右。计中压蒸汽价格150元/t，则仅节约蒸汽用量一年产生的效益约达630万元（5×8400×150=6300000），节能效果明显。
正常生产中在保证机组运行平稳的情况下，调节循环氢压缩机组及增压机组的负荷比例，也是挖潜增效的潜力所在。
5 总结
对于在喘振区附近运行的机组，采用先进系统节能控制，有助于提高设备运行的自动化水平，在节能降耗的同时保证了设备的长周期运转。
参考文献
[1] 中石化青岛炼化公司连续重整装置增压机K202控制系统节能改造技术协议，2010
[2] 美国压缩机控制公司（CCC）.5系列离心式压缩机防喘振应用手册（UM5411），2009.11
[3] 美国压缩机控制公司（CCC）.服务报告14450 Field report，2011.8
[4] 工业汽轮机技术 王学义 编著，2011
【关键词】氢气增压机 CCC机组控制系统
1 引言
连续重整装置氢气增压机1110-K202（BCL707+BCL708）采用两段轴向布置，一二段均布置防喘振系统线，如何同时实现反再系统压力的自动控制、防喘振系统的自动控制及入口压力超限控制，保证系统平稳操作，在CCS系统应用的Triconex三分程控制已不能满足操作要求，引用美国CCC机组控制系统很好的解决了这一问题。另外传统的Triconex喘振控制系统使一二段防喘振阀常存在一定开度且波动较大，影响安全运行，能耗较大，通过CCC系统现场实测喘振线，利用防喘振控制方法，基本实现了回流阀的关闭，达到了节能降耗的目的。
2 控制系统改造
2.1 改造前存在的问题
改造前增压机组K202的CCS控制系统存如下问题：
（1）三分程中段转速控制通过人为手动控制，影响装置的平稳运行，操作困难，且波动较大。
（2）装置经常处于满负荷状态，环境温度的变化容易使运行点易进入喘振区域，易引起K201入口压力波动，并形成恶性循环，增加了装置的运行危险性。回流阀开度在8%左右，导致压缩机运行能耗过高。
（3）性能控制与防喘振控制功能不清晰，相互干扰，没有有效的解耦控制，无法有效调节压缩机性能。2.2 控制系统改造方案
首先确定总体控制方案，反再系统压力取消三分程控制，改由压缩机转速直接参与控制，防喘振控制只参与喘振保护工作，反再压力超限由压缩机入口防火炬阀定值控制。以上控制方案非常简化，但实现了平稳控制及安全保护的要求。控制系统改造是在原CCS系统基础上进行，具体改造内容如下：
取消原Triconex控制器CCS系统中防喘振控制、入口压力“三分程”控制，只保留联锁控制、开停机升降速控制及常规监控报警等。新上CCC S5 Vanguard 控制系统一套，采用性能控制（PIC20801—PIC21001A—SIC多串级控制以及PIC-21001B单回路控制方案）及防喘振控制。机组到达5338RPM（机组最低可调转速）之前，位于CCC系统中的PIC20801—PIC21001A控制器始终处于“跟踪”工作状态；转速超过5338RPM之后，位于CCS中的速度控制器方可无扰动切换至接受CCC远程串级控制信号。
增设一台CCC操作站兼工程师站。将参与控制所需的入口流量、入口压力、入口温度、出口压力、出口温度等信号经一入两出分配器分出，接入CCC控制系统，输出由CCC控制器接到喘振阀等。（可不改变原有现场接线，同时TS3000画面不变。）引入一个主控制器控制压缩机的入口压力。
重新计算并在开工期间现场实测喘振曲线，建立一段、二段喘振控制回路的解耦协调从而实施安全、高效的防喘振及性能控制。
2.3 CCC喘振系统简要介绍及现场实测过程描述
2.3.1？CCC喘振控制系统简介及优点
CCC的喘振控制通过测量入口流量、出入口压力、出入口温度来实时计算出一个无量纲的S值作为控制的测量值，再引入闭环PI控制、开环阶梯响应（RT）以及前馈控制等来实现防喘振控制。作为喘振控制的基础，S值的算法如下：
Ss = K*f1（hr）/ qr2op
f1（hr）：流量与多变能头的函数，其值等于喘振点简化流量的平方qr2SLP
qr2OP；压缩机运行点简化流量平方
K：计算调节参数
hr：简化多变能头（reduced polytropic head）
Rc：压比（compression ratio）
多变能头指数（p o l y t r o p i c h e a d exponent）
Pd：出口压力（discharge pressure）
Ps：入口压力（suction pressure）
Td：出口温度（discharge temperature）
Ts：入口温度（suction temperature）
实时计算的S值定义了压缩机运行点在性能曲线图中的精确坐标位置，当S<1时，压缩机运行在安全区域，当S>1时，进入喘振区域。
与Triconex喘振控制系统比较，其具有如下优点：
（1）增加了RTL阶跃响应线
在喘振线SLL的右侧加上一定的安全裕度分别是RT阶跃响应线RTL和喘振控制线SCL。当压缩机运行点到达SCL线时，PI响应输出控制回流阀打开适当开度，将压缩机控制到SCL线上。如果对于一个较大较快的扰动，当比例积分响应和特殊微分响应不能使压缩机操作点保持在SCL线的右边，而是操作点瞬间越过了SCL左边的RTL，则RTL响应就会以快速重复的阶跃响应迅速打开防喘振阀，这样就恰好可以增加足够的流量来防止喘振，而快速将压缩机拉回到安全区域。其每步阶跃的大小与运行点移动的速度有关。
（2） 安全裕度的不同及高速的计算能力
由于S实际上是计算了压缩机运行点对应性能曲线坐标原点的斜率，因此它相对于简单地比较流量的算法来说是拉大了控制区间。我们通常流量概念上的10%安全裕度大致相当于S值的17%，而由于CCC控制系统高速的计算能力（20ms执行周期），使得在喘振裕度可以设置的较小却足够调节，实现在低负荷情况下的卡边操作。但是，安全裕度小了，遇到较剧烈快速的扰动时，压缩机仍然会面临喘振的威胁。为了克服这种情况，CCC喘振控制模块中设置了前馈控制，即当S值突然减小，其速率超过一定值时，SCL线会右移。 （3）一、二段防喘振设有压力超驰POC控制
3 CCC控制系统优点
CCC Vanguard 控制系统是实时多任务开放式系统，采用先进的安全型cPCI总线构架；双重化冗余容错的硬件体系结合全面的冗余容错技术和Fallback策略，使得系统可靠性达到99.99%。先进的实时多任务操作系统将关键任务与非关键任务按优先等级实施控制，保证系统的执行速率不随I/O点数增加而下降，如防喘振、调速、抽汽控制执行速率为20ms，而一般监测为100ms，使机组的精确控制成为可能。3.1 硬件架构
CCC Vanguard 控制系统采用最先进的双重化cPCI 总线技术，可靠性高、运算速度快。
主处理器卡（MPU1002）采用目前工控领域最强大的Motorola 1GHz 处理器，256MB DRAM，5MB闪存。I/O卡件（IOC-555-D）单卡容量AI 22点、DI 16点、AO 6点、DO 14点、PI 6点，I/O卡处理器40MHz，扫描周期2.5ms，内置4MB内存，A/D转换分辨率达到12位；能够对现场回路进行检测；输入/输出通道全部采用光电隔离；内置输入变量线性化、工程单位转换、开平方滤波、报警及流量温度压力补偿运算功能
3.2 系统软件
透平机械控制应用软件包（TrainWare）：包括防喘振控制、速度控制、性能控制等模块。能够在保证机组最大运行可靠度的同时，优化机组运行和工艺操作，实现节能和扩大机组运行区域，从而适应装置负荷的大幅变动。
工程师组态维护工具软件包（Configurator）：集成工程组态、系统维护调试和工程设计的软件包，可实现在线上装/下装。
人机界面软件（TrainView II）：压缩机专用的人机界面软件，全面采用OPC技术。
事件管理功能（Events Management）：除了具有一般的SOE功能外，还有高分辨率的模拟量记录功能，类似飞机的黑匣子；当发生关键事件（如停机）时，能够记录各相关变量变化状态，包括了开关量和模拟量，开关量的分辨率2.5ms，使得判定故障原因和处理故障非常方便。
信号采样周期：2.5ms。
执行周期：系统任务5ms；喘振控制、速度控制等压缩机控制任务以及紧急停车联锁20ms；一般过程控制、信号显示100ms。
4 改造后运行情况分析及节能描述
4.1 运行分析
经过增压机组控制系统改造，反再入口压力完全实现自动控制，一二段防喘振回流阀全关，压缩机各参数运行正常，生产运行平稳。但在某些方面应引起注意，由于机组的自动控制，反再压力的上升导致不断提高机组转速，尤其在夏季，随着装置的大负荷生产，冷却能力不足造成压缩机负荷上升，应密切关注压缩机及汽轮机运行情况，适当条件下增加循环氢压缩机组的负荷，减轻增压机组的负荷，保证设备的正常运转。
4.2 节能方面
由于回流阀的关闭，在相同工艺参数下，增压机组蒸汽消耗较改造前减少约5～10吨（随处理量会有所变化）左右。计中压蒸汽价格150元/t，则仅节约蒸汽用量一年产生的效益约达630万元（5×8400×150=6300000），节能效果明显。
正常生产中在保证机组运行平稳的情况下，调节循环氢压缩机组及增压机组的负荷比例，也是挖潜增效的潜力所在。
5 总结
对于在喘振区附近运行的机组，采用先进系统节能控制，有助于提高设备运行的自动化水平，在节能降耗的同时保证了设备的长周期运转。
参考文献
[1] 中石化青岛炼化公司连续重整装置增压机K202控制系统节能改造技术协议，2010
[2] 美国压缩机控制公司（CCC）.5系列离心式压缩机防喘振应用手册（UM5411），2009.11
[3] 美国压缩机控制公司（CCC）.服务报告14450 Field report，2011.8
[4] 工业汽轮机技术 王学义 编著，2011