基于ECS往复式压缩机气量无级调节系统控制系统设计

1基于ECS-700的往复式压缩机气量无级调节系统设计刘子英（中国石油化工股份有限公司塔河分公司新疆库车842006）刘涛（中国石油化工股份有限公司塔河分公司新疆库车842006）摘要：本文研究了中控WebFieldECS-700系统在加氢精制新氢往复式压缩机气量无级调节系统中的应用，介绍了气量无级调节系统工作原理和系统构成，提出了气量无级调节系统的控制算法和方案的设计，并重点分析了可变分程点控制方案的应用和实现方式。关键词:ECS-700控制系统、HydroCom、往复式压缩机、气量无级调节系统、分程控制DesignoftheInfinitelyVariableCapacityRegulationSystemforReciprocatingCompressorsBasedonECS-700DCSAbstract:Inthispaper,theapplicationofDCS,WebFieldECS-700ofSUPCON,oninfinitelyvariablecapacityregulationforhydrogenreciprocatingcompressorsinhydrorefiningisresearched.Basedontheintroductionoftheprincipleandsystemstructureofinfinitelyvariablecapacityregulationsystemthecapacityregulationsystem,controlalgorithmsandprogramdesignisgiven.Finally,theapplicationandimplementationmethodoftheSplit-rangecontrolvariableisanalyzed.KeyWords:ECS-700System、HydroCom、reciprocatingcompressors、infinitelyvariablecapacityregulationsystem、split-rangecontrol1.前言加氢精制是炼化企业生产清洁燃料的核心装置，由于加氢精制是耗氢反应，装置反应需补充新氢，而从其他制氢装置所来的氢气压力较低，因此要经过往复式压缩机升压后才能进入反应系统，往复式压缩机具有低排量，高出口压力的特点。由于生产装置工况波动，压缩机需要依据不同工况要求，进行压缩机排气量在0～100%范围内的无级调节，当工艺过程所需气量小于压缩机实际排气量时，就需要对压缩机的排气量进行调节，以使压缩机的排气量适应耗气量的要求，同时压缩机的控制与反应压力等关键参数控制关联紧密，控制方案复杂。中国石油化工股份有限公司塔河分公司140万吨/年汽柴油加氢装置，新氢压缩机采用美国HydroCom公司生产的HydroCom4.0系统进行控制，采用全行程气量无级调节压力控制方案，机组控制在中控技术股份有限公司的ECS-700控制系统上实现。该装置于2010年一次投产成功，运行期间机组控制高效、平稳。22.HydroCom往复式压缩机气量无级调节系统介绍2.1HydroCom往复式压缩机气量无级调节系统工作原理HydroCom压缩机的压缩过程曲线如图1所示，在压缩机的活塞往复运动中，当气缸进气终了时，进气阀的阀片仍保持开启状态；压缩过程中，原吸入气缸中的部分气体经被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩；待活塞运动到特定的位置Cr（对应所要求的气量）时，进气阀关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩，压缩过程开始沿着位置Cr到达位置Dr。气体达到额定排气压力后从排气阀排出，容积流量减少。这种调节方法的优点是压缩机的指示功消耗与实际溶剂流量成正比，是一种简单高效的压缩机流量调节方式。这就是压缩机的“回流省功”原理。图1压缩机压缩过程曲线往复式压缩机气量无级调节系统主要工作原理是计算机即时通过液压执行机构来实时控制进气阀的开启与关闭时间，实现压缩机排气量0～100%全行程范围内无级调节。通过进气阀的延迟关闭，使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管，压缩循环中只压缩需要被压缩的气量。这正是运用了上述的“回流省功”原理。2.2往复式压缩机气量调节系统的组成Hydrocom往复式压缩机气体量无级调节系统由DCS控制单元，HydroCom中间接口单元，液压执行单元和液压油站四部分组成。3图2典型往复式压缩机气量调节系统构成压力控制采用ECS-700控制系统实现完成。ECS-700控制系统由控制机柜，中央控制单元CPU，输入/输出模块AI/AO，工程师站EWS和操作员站OPS组成，DCS控制单元安装在安全区的DCS控制机柜内。来自装置、压缩机的运行状态数据，通过输入模块转化为数字信号，进入控制单元CPU，控制算法在CPU中实现，运算结果通过输出模块将信号反馈至中间接口单元功能。此外在DCS中设有机组监控画面，并在DCS上设计有机组油压低、油温高报警和油压低低、油温高高、油位低连锁停液压油站电机等安全保护连锁。中间接口单元CIU提供HydroCOM系统内部和DCS控制单元信号交换处理功能，是连接HydroCOM和DCS控制单元的桥梁。CIU是HydroCOM系统的重要组成部分，通过它的中间转换接口作用，使HydroCOM系统简化为一个接受4～20mA标准电流信号的调节阀，安装在安全区的控制柜内。安装在压缩机附近的液压单元，包括液压执行机构、TDC传感器及相关附件等，它给执行机构提供油压动力。液压执行机构是一组通过卸荷器对气阀产生作用的部件总和，由液压油站单元提供动力，CIU进行实时控制，UPS提供电源。液压油站提供高压液压油向执行器提供机械动力。3.往复式压缩机气量调节控制方案的实现3.1气量调节系统实现图3是原流量控制方案图，原方案为将二级出口分液罐压力调节器和一级出口分液罐压力调节器输出低选后，将输出信号给二级旁通阀HV101B；将一级出口分液罐压力调节器和4一级入口分液罐压力调节器输出低选后，将输出信号给一级旁通阀HV101B；再二级调节达到最大值时，再由一级进行继续调节。图3常规流量控制方案图4为增加了无级流量控制后的系统控制方案，其控制过程采用分程+超弛控制。压缩机C-102A和C-102B分别作为常开机和备用机,配备了HydroCom压缩机K-101可实现负荷从0～100%之间的无级调节（本机为30～100%）。当负荷低于30%时，通过原有常规旁通阀HV101A/B实现气量调节；当负荷大于30%时，通过HydroCom自调阀PV101A/B来实现气量调节。自调阀和旁通阀都由控制器控制，压缩机的实际有效控制范围就可为0～100%。与常规流量控制方案相比，无级流量控制方案增加了压缩机组二级HydroCom控制器分程控制。图4无级流量控制方案5在实际运行中，如何选取分程点非常重要，这会直接影响分程控制的平稳性和有效性。经过对压缩机特性的深入分析和现场操作经验总结，发现分程点应该与压缩机最低允许负荷水平相关联，且分程控制应仅在HydroCom系统投入自动状态时才起作用。本项目中HydroCom处于自动状态时最大分程点设定为70%，最小分程点设定为0%。此外，为了实现气量调节系统投入和切除时，压缩机组平稳运行，要求分程点平滑移动，本项目中设定以2%/秒的速率在0%-70%之间来回移动。整个变分程点控制算法具备回路保护功能：①程序执行过程中，联锁条件满足时，SSE被外部联锁输入置“ON”，旁路阀和自调阀由回路保护程序进行控制，旁路阀自动100%全开，自调阀切换至手动，暂时退出自调模式，分程点置值“0”，实现手动模式和自调模式无扰切换。②联锁条件解除时，SSE被外部联锁输入置“OFF”，旁路阀和自调阀分别由旁路阀控制程序和自调阀控制程序进行控制。③为了保证生产安全，回路保护控制程序执行优先级别最高。可变分程点控制算法如图5所示。6图5可变分程点控制算法逻辑框图3.2DCS上实现压缩机的安全保护联锁逻辑往复式压缩机无级调节系统设置了液压油箱液位低低、CIU故障、液压油压力低低、液压油温度高高联锁停运液压油站电机逻辑，将压缩机控制系统由自动调节系统切换至旁路控制系统。此外，每一个执行器在靠近阀室外盖处都安装了一个温度传感器。这些信号将以4～20mA的形式传到CIU，CIU再将这些温度信号传给DCS控制系统，一个进气阀的温度偏离所有进气阀的温度平均值，可以用于反映进气阀、卸荷器和执行器的故障，系统联锁逻辑如图6所示。DCS上实现压缩机组的安全保护联锁逻辑投运，对压缩机组试机和正常生产提供了可靠安全保证措施。7图6系统联锁逻辑图4.结束语目前，在中国石油化工股份有限公司塔河分公司140万吨/年汽柴油加氢装置中，循环氢往复式压缩机气量无级调节系统投运以来，机组运行稳定，装置电耗下降比较明显，对装置节能降耗意义重大。压缩机组操作非常方便，压力控制相对平稳，对工艺、设备控制有利，也对高压设备的安全长周期运行起到了积极作用。参考文献[1]浙江中控技术股份有限公司,ECS-700系统硬件手册[2]浙江中控技术股份有限公司,ECS-700系统软件手册[3]德国贺尔碧格有限公司,HydroCom控制功能设计手册