压缩机控制系统剖析

三硝双加压法硝酸装置的四合一压缩机组由瑞士 M anTurbo公司引进， 由蒸汽透平和尾气膨胀机驱动， 采用轴流式空气压缩机和离心式NOx压缩机进行双加压氧化生产。压缩机采用S iemens SIMAT IC PCS7实现了机组的集成综合控制， 并兼顾了机组和重要氧化工艺的 ESD联锁保护。此外， 机组还设有 1套 BN3500状态监测系统和 2套 BURAN 超速保护系统， 本文仅对 PCS7控制系统主要功能进行介绍。

2 控制系统概况

2 1 系统构成

SIMAT IC PCS7 控制系统配置 2 台操作站（ OS）和 1台工程师站 （ ES）， 主机为 SIEM ENS 专用工控机 PC 547B， 采用 RA ID 1阵列方式实现冗余硬盘数据的实时备份。系统平台为英文版W indows XP， 并安装了 W inCC监控软件。

控制站 （ AS） 由一对冗余、容错的 CPU 417 - 4H 构成 S7 - 400FH 系统， 在冗余的 PROFIBUS DP总线下挂 8个分布式 ET200M 从站， 其中 5个从站配置标准 I/O 模块， 另外 3个从站配置 F型故障安全模块， 用于机组重要的联锁保护信号使用。通过 CP341模块分别实现与 BN3500和 DCS的 MODBUS数据通讯。CPU 417- 4H 和 F型 I/O模块通过了 T V 认证， 符合高达 SIL3 的安全等级。

2 2 I/O 卡件类型

接口模块

MODBUS模块

转速模块

普通 DI

普通 DO

高速 A I

普通 A I

普通 AO

故障安全型 A I

故障安全型 DO

故障安全型 DI

3 流程介绍

来自轴流式空气压缩机的压缩空气与来自氨蒸发器蒸发过热后的气氨混合后送入氧化炉， 在约 4barg压力下进行中压氧化反应， 生成的 NOx原料气经废热锅炉、高温气气换热器进行热交换降温后进入 NOx压缩机， 经过 NOx压缩机压缩后约 10barg的高压气体进入吸收塔， 被介质吸收后制成浓度约 60% 的稀硝酸。吸收后的尾气经热交换后进入尾气膨胀机作功， 回收部分氨氧化反应产生的能量， 作功后的尾气经烟筒排入大气。

4 主要控制功能

4 1 机组启 /停步序控制

机组的启 /停控制属于全自动的控制模式， 启动过程中除了在怠速期间可以操作暂停 /继续功能键外， 其它的操作不能进行人工干预操作。

机组的启 /停控制由 01 06 步序组成， 蒸汽透平启动复位前须具备相应的开车条件。蒸汽透平启动后的升速和调速是由系统里的斜坡控制器和速度控制器分阶段分别进行控制。在现场操作盘上可对蒸汽透平的启 /停和速度控制进行相应的操作。在 01 05步序中发生的联锁跳车保护都会立即进入到 06步序中的 06- 01或 06 - 02中去执行相应的阀门动作， 完成系统停车保护。

06- 01 步序中的延时动作是指防喘振控制阀 FV - 40270、FV - 50270提前 2秒先打开放空，其余联锁阀再动作， 以更好地保护机组实现平稳停车。其停车信号主要包括：

润滑油压 PALL- 10383（ 3选 2）

透平出口压力 PAHH - 20510（ 3选 2）

透平出口温度 TAHH - 20510（ 3选 2）

BN3500的振动跳车信号 （N 选 1）

透平末级保护信号

工艺停车信号 ESD- 31000

防倒流保护信号 FALL- 50209（ 3选 2）

M FC速度控制故障

PCV20205运行故障

06- 02中的非延时停车是全部联锁阀同时动作， 实现紧急停车， 信号包括：

BN3500的轴位移跳车信号

空压机防喘振控制系统发出的联锁跳车信号

NOx压缩机防喘振控制系统发出的联锁跳车信号

按下辅台上的紧急停车按钮

按下就地盘上的紧急停车按钮

4 2 速度控制 ST- MFC

4 2 1 升速和调速

蒸汽透平通过就地盘启动成功后既由斜坡控制器按设计好的升速曲线 （速率 1200 r/m in /m in）和时序自动完成升速过程， 其间分别通过两个临界转速区。当 SE- 20290 > 8364r/m in进入步序04后 ， 转入速度控制器自动调节， 这时可手动改变速度给定值， 直至达到 8535 8962r/m in 的正常操作转速。

4 2 2 蒸汽透平升速中的注意事项

a. 暂停升速操作仅在透平暖机、怠速期间有效， 透平升速进入临界转速区后由斜坡控制器MFC自动完成。从透平启动到自动升速至8364r/m in时间全程不能超过 60分钟， 否则 M FC将发出跳车信号停车；

b. 当 SV - 20210调速阀反馈信号 ZT - 20210出现故障并且与 MFC控制输出信号 ZY - 20700的偏差超过 5% 时发出报警， 当偏差超过 10% 时发出跳车信号停车；

c. 当速度控制器接替斜坡控制器工作后， 透平转速不能再次重返到临界转速区内， 当 SE20290< 8108r/m in时系统将发出跳车信号停车；

d. 透平的*大升速率不能超过 1200 r/m in / m in， 速度控制器*大操作速度不能大于 9858 r/m in， 否则 MFC发出跳车信号停车。

4 3 蒸汽透平末级保护

4 3 1 坐标图说明

在坐标图上： X 轴表示冷凝器的入口压力 PT- 20510（ 2oo3）， Y 轴表示叶片腔室压力PT- 20215（ 2oo3）， 为防止蒸汽在透平腔室内带水损坏叶片或末级蒸汽过热造成叶片膨胀损坏，透平叶片保护工作点应在 A 区范围内， 当工作点靠近 B或 C区时， 则应做相应的调整。不同的区域含义是：范围 A： 正常的操作区

范围 B： 报警区

范围 C： 危险区

范围 D： 禁止区

4 3 2 C区说明

在透平启动过程中工作点在 C区的停留时间不能超过 90分钟， 超过时间则会引发跳车。

在透平启动后工作点若是从 A 区进入到 C区， 则这时对于 C区的要求是：1）每天在 C区停留时间*多不能超过 30分钟， 超过则会引发跳车。

2）每年在 C区停留时间累计不能超过 5个小时， 超过则会引发跳车。

3）在透平速度 SE - 20290< 50% nom （ 4268 r/m in）时末级叶片保护系统不会被激活。

4 4 轴流式空气压缩机防喘振控制 FIS- 50710

4 4 1 算法参数

进口流量测量差压 P1（ FT- 50209D， 0 15kPa）

压缩机排气压力 P2（ PT - 50229， 0 0 6 M Pag）

入口导叶位置反馈 （ ZT- 50285， 15度-75度）

喘振报警线 （设置报警值 C1， 5% ）

喘振响应线 （无 ）

喘振跳车线 （设置跳车值 C2， 0% ）

实际喘振线 （现场实测 ）

4 4 2 算法说明

通过算法程序， 将空气压缩机进口流量差压P1和导叶位置反馈信号计算得出压缩机入口流量值， 再将其转换为在喘振跳车线上对应 Y 轴上的值， 作为防喘振控制器的 SP给定值。将 Y 轴上经过处理计算得到的排气压力 P2值， 作为防喘振控制器的 PV 测量值。FV - 50270阀位控制模块在步序 01启动复位成功后被强制自动， 但防喘振控制器 FIS- 50710 需在步序 04和 05 才被激活。压缩机正常运行时 SP值一定会大于 PV 值，报警值与跳车值之间的裕度 C1= 5%.当控制偏差 > C2（ 0% ）时防喘振阀关闭。当控制偏差 C2（ 0% ）时防喘振阀 FV - 50270立即打开， 同时发出联锁停车信号。

4. 5 氧化氮压缩机防喘振控制 FIS- 40710

4 5 1 算法参数

进口流量测量差压 P1（ FT- 40209， 0 50kPa）

压缩机吸入压力 P1（ PT- 40209， 0 0 6 M Pag）

压缩机排气压力 P2（ PT- 40229， 0 1 6 M Pag）

喘振报警线 （设置报警值 K1， 5% ）

喘振响应线 （无 ）

喘振跳车线 （设置跳车值 K2， 0% ）

喘振线 （现场实测 ）

4 5 2 算法说明

通过算法程序： 将压缩机进出口压力信号计算得出 Y 轴上的压缩比值 P2 /P1， 再将其转换为在喘振跳车线上对应 X 轴上的值， 作为防喘振控制器的 SP给定值。将 X 轴上经过处理计算得到的不同吸入压力补偿下 NOx压缩机进口流量差压 （ P /P1）值， 作为控制器的 PV 测量值。FV - 40270阀位控制模块在步序 01 启动复位成功后被强制自动， 但防喘振控制器 FIS- 40710需在步序 04和 05才被激活。压缩机运行时 SP值小于PV 值， 报警值与跳车值之间的裕度为 5%.当控制偏差 > K2 （ 0% ）时防喘振控制阀关闭， 当控制偏差 K2（ 0% ）时防喘振阀立即打开， 同时发出停车联锁信号。

4 6 防倒流保护系统 FT- 50209A /B /C

4 6 1 典型曲线说明

的线段 a 是一条正常的压缩机工作点曲线， 线段 b 是压缩机喘振线， A 点是喘振点。曲线 c 是存在于 a 和 b 之外的另一条工作点特性曲线， B 点为产生的一个*高压力， 在C 点很低的压力下会产生一个零流量， B 点对应的流量只有 A 点流量的 10%左右， 在压缩机带负荷的情形下这种倒流现象几乎保持恒定， 并且使热流体急剧加热， 其温度增长约为正常排气温度的10倍， 很容易就高达 1000？ 以上。这种在意外事故情况下发生的倒流现象， 轻则导致叶片磨损和变形，重则会熔化掉叶片， 造成重大损失。

4 6 2 控制保护原理

1）压缩机出口流量短时下降到设定的*低流量时发出倒流报警 （**阶段作用 ）。

2）压缩机出口流量持续下降到设定的*低流量时快速打开防喘振阀 （第二阶段作用 ）。

3）压缩机跳车 （第三阶段作用 ）， 由于防喘振阀联锁动作后， 压缩机组立即跳车， 同时用于氧化的工艺压缩空气中断， 氧化联锁动作， 立即切氨熄火， 因此该阶段实际不会用到。

4 6 3 模块功能

采用三路测量引入故障安全型模块， 只要发生如下 2个或以上故障， 则 F_2oo3D I模块进入 06步序的 06- 01延时跳车：1）测量小于 1 5kPa；

2）测量通道故障。

5 结束语

S iemens SIMAT IC PCS7 机组综合控制系统，将蒸汽透平的速度控制、轴流式压缩机的防喘振控制、防倒流保护控制、NOx压缩机的防喘振控制、蒸汽透平的末级保护控制、机组启动 /停止的顺序控制、调速控制以及负荷控制集成在一套 S7 - 400FH 系统中实现， 充分发挥了信息共享的优势， 达到高效节能的目的。同时， 通过 F 型三选二 I/O通道模块和 CFC组态中 F型功能块的运用， 并配合 S7- 400FH 系统强大的软硬件诊断功能， 系统达到了 AK5 /SIL3安全等级， 实现了大型压缩机组和工艺安全联锁保护的 ESD 设计要求。

这种压缩机组综合控制系统和 ESD 集成模式， 既节约了投资， 又降低了维护难度， 更简化了操作， 是一种理想的解决方案， 代表着当今控制系统的发展方向。