1 引言
甲醇作为基础性化工产品,社会需求量不断增加。以天然气为原料的甲醇项目是青海100万吨钾肥产品综合利用项目的子项目。北京金奥特曼科技有限责任公司应用GE公司的GMR系统为甲醇项目开发了压缩机ITCC/装置连锁SIS系统,该系统实现了合成气(透平/电机驱动)压缩机机组控制、尾气压缩机、原料压缩机和装置连锁的要求。系统使用了可靠性和灵活性较高的GMR三重冗余容错表决系统,组成了一套先进的压缩机机组综合控制系统。
2 工艺需求
本项目涉及到多台合成气压缩机,要实现压缩机的正常运行,就要保证压缩机之间负荷控制、抽汽压力和转速控制的协调作业。此外,项目工艺的实现还要求压缩机机组综合控制具有高可靠性,保护现场设备安全,避免危险扩散。
喘振是压缩机普遍存在的一种特有现象,表现为:快速的流量和压力振荡,会造成压缩机运行不稳定,同时伴有反方向的轴向推力和反向流动,造成压缩机的效率降低、寿命缩短,对其造成严重危害。因此,该项目中要考虑到防喘振的控制,同时要求防喘振控制具有快速性和高可靠性,最大程度防止喘振现象出现。
3 GMR系统结构
采用GMR三重冗余容错表决系统。
GMR系统是专门为工业自动化设计的可编程控制系统。采用彻底的机械独立方式,具有三重化的控制站,有很强的、适用于安全连锁控制的特殊功能,是目前最安全、免维护风险的冗余容错系统。整个三重化系统由三个相互独立的三重化处理器机架组成,输入/输出分别独立设置。系统维护可准许真正的在线硬件维护,保证系统安全、长周期稳定运行,组成真正意义上的多重化冗余容错系统。图1为GMR系统用于ITCC控制方案的整体结构图。
系统由输入子系统、输出子系统和PLC子系统构成。3个独立的PLC连接在3条独立的Genius总线上,所有的PLC在每条总线上接收和发出信息,开机时自动进行应用数据初始化和同步,自动检测数据错误和系统错误。
3.1 输入子系统
图2为输入子系统的结构图。
输入子系统中,可配置1个、2个或3个独立的输入模块,每个模块连接到单独的Genius总线上,每个CPU都要从输入模块采集信息并根据这些数据进行三选二的表决,提高系统的安全性。此外,输入子系统还具有故障检测和功能诊断能力。
3.2 输出子系统
Genius开关量输出模块的冗余连接形式主要有H型、T型、I型等几种形式,在压缩机ITCC的GMR系统中采用了H型模块连接方式,图3为输出子系统的结构图。
3.3 PLC子系统
考虑到危险分散和系统在线硬件维护方便,PLC子系统采用三个独立的机架、三个CPU分别插入三个独立的机架中。当系统在线出现系统故障时,系统维护风险为零,减少一切装置计划外停车的可能性,特别是装置运行时仪表维护人员不会出现重大停车风险。图4为PLC子系统的结构图。
PLC子系统由2套冗余、容错的CPU组成。通过3条总线,CPU模块与输入和输出模块进行信号的交换。现场输入信号进入输入模块,通过3条总线传送至CPU中。每个CPU执行相同的应用程序,处理输入信号,执行逻辑,并产生新的输出信号。输出信号通过总线传输到输出模块,然后送到甲醇装置压缩机ITCC执行机构。
4 系统功能
传统的继电器连锁方式不能给操作人员提供形象的信息,出现故障后只能逐个检查相关的连锁点,处理时间长、影响生产进程、无法判断隐含故障点。本系统中采用的GMR控制及安全保护系统则能避免该问题,符合安全控制产品的IEC61508标准的SIL3和DIN V19250的AK6级认证。系统的具体功能和实现如下所述:
(1) 转速协调控制功能
采用电磁式传感器或者非接触式转速探头获取转速信号,然后送至转速控制回路,进而由转速PID控制放大器将该信号与转速给定值相比较并通过信号低选总线给执行机构发出输出信号。
转速回路的给定值可以通过上位机输入,远程触点输入,也可以将模拟输入用于调整远程转速给定值。其中,远程转速给定值直接作用于调速系统的转速给定值,通过编程改变给定值的最大速率,从而实现转速的协调控制。
(2) 压缩机负荷控制
压缩机的负荷控制由辅助控制通道实现,可以控制或限制压缩机机组的负荷/功率、进口压力、排汽压力、温度等参数。
辅助控制回路的输入是一个4-20mA的电流信号,回路中的辅助PID控制放大器将这一输入信号与给定值相比较,产生一个控制输出信号至信号低选线,LSS总线将最小信号送至执行机构驱动器回路,这样就实现了压缩机负荷控制。
(3) 自动起动
控制系统提供三种不同的起动方式:自动、半自动和手动起动,操作人员可以选择任意一种起动方式用于实现从停机状态达到最低转速的控制。其中,顺序自动起动功能可以使操作人员能从设定的低暖机转速起动并停留在该转速下,直至设定的暖机时间结束,然后自动升至设定的高暖机转速并停留,直至设定主高暖机时间结束,最后升至设定的额定转速给定值。
(4) 避开临界转速
考虑过分振动和工艺对压缩机要求的特殊性,需要避开某些转速或转速范围。通过组态,顺序自动起动功能可以通过在临界转速点加速的方法实现避开临界转速的功能,如果在加速通过临界转速避开带时出现强烈的运动,可选择降低转速给定值指令使机组转速回复到该转速避开带的下限处。
(5) 超速保护功能
本系统采用三个独立的转速传感器防止蒸汽轮机超速。系统配置了WOODWARD/CCC GARDIAN OSP三重化超速保护器,采用三选二停机方式,减少误停机,提高系统的可靠性。
5 防喘振控制
5.1 防喘振控制原理
压缩机防喘振特性曲线如图5所示。
喘振极限线1(SLL)和喘振控制线2(SCL)把压缩机特性分成3个区域:安全区域、循环区域和喘振区域。喘振极限线和喘振控制线之间的裕度称为安全裕度,在保证压缩机不喘振的情况下尽量减少裕度。在正常工艺条件下,希望压缩机在安全区域运行,防喘振控制阀(循环阀)完全关闭,运行点一到喘振控制线上,就把循环阀打开。正常情况下压缩机运行在“A”上,由于某种原因运行点在特性曲线上运行到“B”点位置时,防喘振控制系统必须打开循环阀,这时,压缩机进入循环状态,防喘振控制系统进入调节,开始打开循环阀,压缩机入口流量增加,运行点再次移到安全区域“C”点,然后防喘振控制系统根据实际情况把循环阀缓慢关闭。
5.2 防喘振控制方法
本系统中压缩机ITCC采用3个不同的控制回路以适应回流回路响应时间和特性曲线中工作点移动速率变化。3个防喘振控制回路是闭环喘振控制线(SCL)控制、闭环速率控制和开环阶跃控制,此外,还有一个喘振检测回路,图6是ITCC防喘振控制图。
喘振控制线控制和速率控制是最初的两条防喘振控制线,在许多情况下可防止喘振发生。开环阶跃控制用于紧急情况,避免过程波动。图6中的4个控制器是相互独立的,通过低选信号分别与回流阀相连,任何一个都可以控制回流阀动作,且当工况发生变化时,这些控制器可以相互切换。
喘振控制线控制是最主要的防喘振控制程序。当运行点到达喘振控制线时,SCL控制调整回流阀且发出2个解耦信号。一个信号至过程控制(PIC),停止其与SCL控制的干涉;一个信号至汽轮机控制(SIC),瞬间增加汽轮机的转速,双解耦信号不仅停止来自过程控制的干涉,而且瞬间增加汽轮机的转速,有助于防喘振。
闭环速率控制用于当压缩机流量下降过快时阻止喘振的发生,速率控制程序将在压缩机工作点到达喘振控制线前打开回流阀,帮助防止压缩机喘振。速度调节器PID的设定点最大的安全比率是逼近喘振控制线。工作点远离喘振控制线时,输出高比率,随着工作点向喘振控制线靠近,输出比率随之减小;运行点接近喘振控制线时,速率控制将减慢运行点的移动。
开环阶跃控制用于当喘振控制和速率控制不能完全避免工作点超调从而使其越过喘振控制线的极端工况中。监测系统检测到喘振发生时,开环控制立即将回流阀“预填充”到一个高阀位,迅速增加入口压力,实现对喘振的抑制,经过时间延迟后将阀关闭到理想状态。
6 结束语
GE公司的GMR系统在甲醇装置压缩机ITCC中的应用,保证了系统的高可靠性。该系统在实现甲醇装置生产过程控制的同时还有效防止了喘振的发生,其功能达到了预期目标。该系统已成功的应用于合成氨、尿素装置压缩机组控制系统,并将在青海100万吨钾肥产品综合利用项目的甲醇装置压缩机ITCC系统中安装调试。
参考文献:
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作者简介:宋国栋(1984-),男,工程师,主要从事矿山综合自动化方面的研究。