1、前言

　　云天化目前已经建成投产的以煤为原料、年产50 万吨合成氨项目，是为云天化草铺工业园区磷复肥基地配套、为磷复肥生产提供液氨原料的项目。项目建设单位为新组建的云南天安化工有限公司，厂址位于昆明西南方向45 公里处的安宁市草铺镇，东距安宁市区14 公里。

　　天安煤气化装置中，由于壳牌干煤粉气化技术的特殊要求，采用了一台离心式压缩机（K-1301）将回流的气体打回到气化炉中段，作为气化炉的冷激气；在壳牌的设计中，此压缩机被命名为循环气压缩机，但为了更好的区别于装置中另外的压缩机，根据物料特点，我们把它称为冷激气压缩机。

　　由于此压缩机前后压差不大，压比较小，同时功率也较小（1750KW）。因此，天安选择了高压电机而没有选择汽轮机对压缩机进行拖动。整个系统由一台ABB 的1750KW 的高压电机，一台3300VAC 的ABB 的变频器及一台6000VAC/3300VAC变压器构成，所有控制和联锁分别由DCS和ESD 完成。

　　2、工艺过程描述

　　压缩机把回流的合成气送回到气化炉，用于激冷气化炉产生的热气， 将大约1500~1700°C 的热气体冷却到900°C 以下，在此温度下，飞灰充分冷却失去“粘”性，不容易粘结。激冷气体一部分来自1500单元的陶瓷过滤器出口，另一部分来自1600 单元湿洗塔的出口。

　　冷激气量首先取决定于气化炉所产生的合成气产量，如果需要，操作人员可以通过调整温度等参数来方便的实现不同的气化炉工况。

　　由于冷激气压缩机有可能不能完全提供所有的操作工况（15%-130%）下所需要的冷激气量，所以设计了一条循环管线将过剩的冷激气返回到1600 单元文丘里洗涤器入口，循环气量由压缩机防喘振控制器通过调节13FV0011 的开度进行控制。

　　在开工烧嘴启动后，系统一旦建立最低压力就应启动冷激气压缩机，如果压力低于最小值时压缩机将自动停车。针对压缩机自身，其振动、轴位置的偏移、轴承温度等工艺参数发生异常，都将导致压缩机停车，而压缩机一旦停车，将引发气化炉乃至整个煤气化装置的停车，同时有可能导致气化炉超温，其结果是灾难性的；由此可见，K-1301对于工艺的重要性是不言而喻的。

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　　3、控制方案及保护联锁

　　3.1、防喘振控制

　　根据供货商提供的防喘振曲线（上图）可知，在五种工况下，机组的喘振曲线基本重合为一条直线，同时供货商还给出了操作线，在操作线下方的区域，防喘振阀处于全关位，此时工况最佳，压缩机效率最高，也最节能。因此在第一版的组态方案，我们提出了尽可能考虑让压缩机在操作线上运行。当防喘振调节系统投入自动时，根据入口流量和进出口压差两个参数，自动将压缩机控制在操作线上运行。但在实际试车的过程中，出现了当压缩机进行变频调节，改变转速时，由于工艺参数变化较快，通过调节器进行PID 运算后，存在一定的滞后性，导致压缩机运行在离喘振线很近的位置，十分的危险。

　　基于这种情况，为了有效的防止压缩机喘振，必须准确地预测到喘振并且在喘振发生前打开放空阀，即设定喘振安全裕度。经过查阅资料和结合以往的实践经验，我们确定，在原有喘振线的基础上增设防喘振线及控制线，其中防喘振线在厂家提供的喘振线的基础上前移5%，作为控制的底线，同时控制线在防喘振线的基础上前移10%，即防喘振的安全裕度为15%，确保机组处于安全的状态运行。

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　　同时在试车中我们还发现，当压缩机的工作点在接近和远离防喘振线的两种情况下，如果防喘振阀的开关速率一样的话，可能会出现打开时过慢或者关闭时过快，无法满足防喘振的要求。比如，当防喘振阀打开后，在回关的过程中，阀门动作太快，会导致入口流量急据减小，从而再次引发喘振，诸如此类的情况都是非常危险的。根据这种情况，我们提出了，必须要实现防喘振阀的快开慢关才能解决这个问题。

　　结合试车过程中收集的各项数据，对供货商和设计方提供的技术资料进行消化吸收，并经过多次的试验和反复论证后，最终机组的防喘振控制实现了如下功能：

　　●防喘振阀的快开和慢关功能；

　　●可远程给定的 PID 运算；

　　●实现联锁停车时防喘振阀自动全开；

　　●实现防喘振曲线图。

　　在压缩机的防喘振控制中，我们采用了压缩机入口流量（文丘里管差压）以及进出口压差作为变量的计算方法。压缩机入口流量经过量程换算后作为调节器的PV 值，进出口压差经过喘振公式的计算后，加上防喘振的安全裕度，进入调节器作为远程SP 值。

　　压缩机正常工作时，它的工作点应在控制线的下方，调节器的作用方式为反作用。当工作点越过控制线并在其上方时，此时防喘振阀将按较快的速率打开，以确保机组安全；如果并未控制住，工作点继续上移，并越过防喘振线时，此时DCS 的联锁将阀门将全开；如果工作点仍然上移，越过喘振线时，此时，由ESD 执行联锁，将机组停下，确保安全。

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　　根据试车过程中收集到的各类数据，我们对喘振公式进行了如下计算，来满足压缩机的控制需求：

　　1、流量/压差（文丘里压差）换算：

　　VENTURI_DP=Hs/100*C1+C2

　　2、防喘振线计算：

　　SURGE_LINE=((DP+0.0198)/0.002066)*(1+C3)/C4

　　3、控制线计算：

　　CONTROL_LINE=((DP+0.0198)/0.002066)*(1+C5)/C6

　　注：Hs――13FI0011A

　　DP――13PDI0072

　　C1～6――常数

　　快开和慢关功能的实现：

　　当工作点位于控制线以上、防喘振线以下时，此时防喘振阀实现快开慢关的功能。实现阀门的快开慢关功能是通过改变调节器的比例系数来实现的，由于我们使用的系统是霍尼威尔公司的TPS 系统，经过查阅组态手册，发现在“调节控制点”中，选择类型为“PID”后，只需要在组态画面中将调节器的“GAIN”选项和“GAP”选项打开，通过特定的参数设置，满足实际情况后，就可以实现变比例控制，描述如下：

　　变比例控制：

　　if (SP-GAPLO) ≤ PV ≤ (SP+GAPHI),then

　　K=KLIN*KGAP

　　if PV is outside the gap, then K=KLIN

　　在具体的参数设置及功能实现等方面，由于涉及到公司技术机密，在此就不详细加以描述。

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　　3.2、机组变频升速控制

　　机组采用的是高压变频电机，由于冷激气压缩机组的特殊性，其转速控制有一定要求，采用了三次升速的方式。启动后第一次升速升至252 转，时间大约为30 秒；接下来进入第二次升速，此时需要人工参与，操作人员确认升速后，转速从252 转提升到625 转；第三次升速同样需要人工参与，操作人员确认升速后，转速将从625 转提升至998 转。在升速的过程中，机组对外界的调速信号不响应，只有等到第三次升速完成后，进入到变频调速阶段，才由DCS 系统进行变频调节。

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　　在最初的组态方案中，没有考虑利用DCS 系统的编程来实现升速曲线，所有操作都是由工艺人员来手动完成，不仅繁琐，而且操作人员需要记忆相关的参数，极有可能出现误操作。为此，我们提出了对升速曲线进行程序化控制的改进方案并进行了实施。结合实际情况，采用了不完全相同的升速曲线实现方式：第一次升速采用变频器固化的方式，第二、三次升速则由DCS 系统组态来实现。通过对机组运行原理的深入了解，利用DCS 系统强大的编程功能，对调节器13FIC0008 的输出进行调整，来实现对变频器的控制，其原理见如上框图。

　　3.3、机组联锁保护

　　冷激气压缩机机组联锁采用了独立于DCS 之外的ESD 系统来实现。其中，进入到ESD 系统的点，很多都和DCS 之间相互关联，同时很多信号需要到DCS 中进行显示，以便操作人员更全面的了解机组的工作状态；因此，在方案实施的过程中确定了“显示采用通讯，联锁控制采用硬接线”的原则，确保机组安全。

　　由于我们的 ESD 系统同样也是霍尼威尔公司的产品（FSC 故障安全控制系统），所以在和DCS 通讯方面实现起来比较方便，可靠性也很高。ESD 系统的点如果需要在DCS 显示，只需进行简单的组态即可实现。

　　3.3.1、机组启动/停车联锁

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　　如联锁逻辑图所示，当启动条件满足后，可以实现从现场或DCS 远程启动压缩机；同时为保护压缩机，当联锁条件发生时，实现K1301 停车。

　　值得一提的是，在原设计方案中，当压缩机发生喘振时，处理措施仅仅是去开防喘振阀。这种情况下，如果现场阀门发生故障，或者回流管道堵塞等其他可能的因素发生，将会非常的危险。为此，经过集体的讨论和论证，我们在ESD 系统中增加了如下联锁：如果防喘振阀已经全开，在这种情况下，压缩机还继续喘振，则无条件把压缩机停下，以避免发生设备事故。

　　另外，由于供货商和设计方之间缺乏有效的沟通，导致压缩机的联锁保护被人为的分成了两部分，一部分是由供货商提供的机组自身的保护，另一部分是由设计方提供的工艺联锁保护。在把两个分割开的联锁系统整合在一起的调试过程中，曾经出现了联锁条件具备不触发，或者机组启动不了等相关故障；经过仔细的方案检查和联动调试，最终压缩机联锁控制实现了如下功能，分述如下：

　　● 压缩机启动逻辑：

　　1、在压缩机启动前，允许启动条件必须满足（由联锁实现）。

　　2、压缩机两端的进、出口阀13XV0035、13XV0036 必须都打开，同时反馈信号回到ESD。

　　3、DCS 停止按钮必须复位。

　　4、压缩机的跳车联锁13UZ-0007 必须处于复位状态。

　　5、13PV0076 阀门没有处于关闭状态，阀位反馈开关未动作。

　　6、13KS0010(1)气化炉吹扫程序的第一步没有启动。

　　7、压缩机的入口压力不低。

　　8、现场停止按钮必须复位。

　　9、DCS 复位按钮必须复位。

　　当以上条件同时满足后，在现场或者在DCS 上按下启动按钮，延时20 秒后启动压缩机。

　　● 压缩机停止逻辑：

　　1、现场按下压缩机停止按钮。

　　2、主控辅操台按下压缩机停止按钮。

　　3、13UZ-0007 跳车逻辑触发（包含工艺条件跳车、机组自身保护条件跳车）。

　　4、13KS-0010(1)气化炉吹扫顺控程序第一步启动。

　　5、变频器转速低。

　　当以上条件任意一个满足，压缩机将停止运行。

　　● 当压缩机停止信号发出时，防喘振阀13FV0011 全开。

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　　3.3.2、润滑油泵自启动联锁

　　在润滑油泵自启动联锁中，按设计方原有的设计文件，其油泵未考虑现场部分的设计，仅能在DCS 启/停。但从实际情况看，供货商对油泵提供了现场操作柱等辅助措施；同时该压缩机的启动还有特殊要求，即如果干气密封压力未达到低限值，此时启动油泵可能会导致油进入到密封气系统，从而损坏干气密封。因此，在油泵启动前，必须要监测干气密封的压力，压力正常后才能启动油泵。结合以上需求和实际情况，我们采取了相关措施，自主绘制了电气回路图，实现了润滑油泵系统的正常投用和备用。

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　　如电气回路图所示，在“手动”回路中，由于该压缩机的特殊要求，在机组未启动前，如果密封气压力不正常，此时启动油泵可能会导致密封气系统损坏；因此，联锁中设置了“DCS 允许启动”的信号，只有在密封气压力正常后，该触点闭合，油泵才允许在现场启动。在“自动”回路中，通过DCS组态实现当密封气压力正常的情况下，油压低自动启动辅泵、以及主泵停止自动启动辅泵的联锁，输出到电气回路中用于控制“DCS 启动”触点，实现油泵互备的目的，确保机组安全。

　　3.4、用 Display Builder 实现动态防喘振曲线图

　　在霍尼威尔TPS 系统中，主要使用Display Builder 作为流程图开发和运行的平台；在Display Builder 中，可以灵活的使用script 脚本语言来实现各种功能。针对冷激气压缩机动态防喘振曲线图的实现，我们使用了script 脚本语言中的TRANSX 和TRANSY 两个参数，自主开发了一段程序，实现了横坐标和纵坐标的动态画面，具体程序语言如下：

　　Sub onDataChange()

　　On Error Resume Next

　　If LCN. <4 Then

　　=LCN.

　　*159

　　Else

　　=190

　　End If

　　If LCN.[13PDI_0072].PV<0.8 Then

　　=129-

　　(LCN.[13PDI_0072].PV/0.8*129)

　　Else

　　=-5

　　End If

　　End Sub

　　在实际操作时，DCS 的监控画面上始终有一个动态的十字点，标识出当前的实际工作点位置，为工艺人员监控提供了方便、快捷的手段。

　　4、投用效果

　　经济效益方面，通过计算得知，防喘振阀每开1%，每小时就有近2100Nm3 的合成气进行回流，直接导致压缩机能耗增高，电机的工作电流增大。由于变频电机的工作电流和功率之间有着应的关系，且从煤气化装置正常运行的情况看，压缩机电机的正常工作电流维持在275A 左右，而当防喘振阀打开时，工作电流将会增加。按防喘振阀有5%的开度计算，电流将从275A 增加到289A，对应的功率也将从1363KW 增加到1432KW，即单位小时的耗电量增加了69度。按装置年运行300 天计算，每年为公司节约用电69*24*300＝496800 度，按每度电0.35 元计算，每年为公司节约电费173880 元（17 万多元）。

　　操作方面，从实际投用的情况来看，压缩机的升速和调速操作变得非常简单，操作人员只需要简单的按下按钮、通过调节器就可以完成机组的升速、调速过程。

　　防喘振控制可靠性方面，在09 年2 月，因气化炉积灰导致压缩机出口压力增大，引起了不正常的工况，此时防喘振阀及时打

　　开，有效的避免了机组喘振。

　　另外，ESD 和DCS 之间的通讯可靠性较高，运行至今没有出现通讯中断的情况，ESD 上的参数均能在DCS 上正确的显示，为操作人员提供了可靠的监控手段。

　　5、结束语

　　在工程实际应用中，对专利商提供的资料进行消化吸收后，结合自身实际情况，利用DCS 和ESD 系统组态灵活、功能强大的特点，较好的实现了压缩机控制的各项功能，解决了装置运行的后顾之忧，为公司创造了更好的经济效益；对于在DCS 上实现压缩机防喘振控制，在ESD 系统上实现压缩机的联锁保护做了有益且成功的尝试。

　　参考文献：

　　[1] 系统手册

　　[2] 《透平式压缩机》，黄钟岳王晓放 化学工业出版社 2004 年8 月

　　[3] 《压缩机技术》唐汇虎余庭辉 2001 年1 月