發表時間： 2026-01-06 17:09:44
作者： 石油化工設備維護與檢修網
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劉宗林，林鎮杰
(福建聯合石油化工有限公司，福建 泉州 362800)
某公司乙烯裂解氣壓縮機采用了基于TüV認證 SIL3 級別的具有三重冗余技術的 Triconex TS3000控制系統，人機界面則采用Intouch9.5組態的監控畫面。壓縮機共五段壓縮，機組設計了“三返一”“五返四”防喘振系統，以提高機組運行的安全性以及穩定性。
該壓縮機組投運至今已有10 a，未開展過喘振線實測，機組廠商提供的預期性能曲線與壓縮機實際喘振線存在一定偏差。隨著裂解爐原料輕質化不斷推進，機組運行工況與設計也存在偏差，使得現有的防喘振操作點與機組防喘控制線相鄰較近。在高負荷下蒸汽波動時，容易使喘振閥打開，造成能耗增加；其次，機組控制系統最初投用時未經過系統精調，汽輪機轉速控制與壓縮機入口壓力控制按照傳統模式無法投自動串級控制，操作人員只能根據壓縮機入口壓力的變化調整汽輪機轉速的控制設定點。防喘振控制投用自動控制時無法與壓縮機入口壓力控制之間進行解耦控制，處于獨立運行模式，因此，在正常工況下能夠運行正常，但當工藝狀況出現大幅波動時需要同時調整幾個回路，手動操作較為復雜，響應速度慢，控制精度較差，需要依靠操作人員的經驗實施控制。一方面增加了工藝操作人員的操作強度，同時也給裝置穩定性和產品的收率帶來一定影響。
1 壓縮機性能控制優化
針對該裂解氣壓縮機當前存在的問題，2018年在乙烯裝置大修期間，對該壓縮機控制系統進行了優化。一是通過開展壓縮機喘振實際測試，以得到更為準確的喘振線；二是修改壓縮機控制系統程序，包括性能控制程序、壓力控制器程序、解耦控制器程序、防喘振控制程序等，從而實現機組性能全自動化控制。
1.1 喘振測試
壓縮機組生產廠商提供的預期性能曲線與壓縮機實際喘振線存在一定偏差，如果預期性能曲線向右偏差，在低負荷時由于偏差使防喘振閥開度加大，造成機組功率增加，蒸汽消耗大，或在高負荷時觸發防喘振保護，影響安全生產；如果預期性能曲線向左偏差則沒有到喘振線就可能發生喘振而不能有效保護機組。通過測試得到準確的喘振線，既可以保護機組，又能使機組在較經濟、可靠的條件下運行。
1.1.1 喘振測試原理
喘振的發生與壓縮機的功率有關，在不同功率下壓縮機的喘振點是不同的，選取不同功率下的幾個喘振點連成曲線，即可得到實際喘振曲線。由汽輪機帶動的機組其功率與轉速成正比，常用轉速來代表功率。
該裂解氣壓縮機的喘振實測在裝置停車前實施。在停車過程中隨著裝置負荷的降低，壓縮機從較高轉速，且壓縮機入口流量低于喘振最小流量時開始測試，逐漸降低負荷；而后依次降低到不同轉速，再進行測試。典型機組工作點在喘振測試時可能發生的移動軌跡如圖1所示。
圖1 喘振測試工作點的典型移動軌跡示意
由圖1可知，當關小防喘振閥時，壓縮氣體流量下降，出口壓力上升，入口壓力下降，工作點的移動軌跡為曲線中的DA段。隨著工作點接近喘振點，防喘振閥關小，壓縮氣體流量下降，出口壓力上升緩慢或不再上升，工作點的移動軌跡為曲線中的AA1段。如果發生喘振，壓縮氣體流量快速降低、壓縮機出口壓力降低，入口壓力上升、汽輪機轉速下降，工作點的移動軌跡為曲線中的A1B段。如果不能脫離喘振狀態，壓力、入口流量、轉速等參數呈現周期性大幅度的變化。在喘振測試時，控制系統會自動較大幅度開啟防喘振閥使流量增加，脫離喘振。
通過對上述參數的監控可以準確地確定實際喘振點，從而得到喘振線。喘振線測試如下：
1) 臨界喘振點測試。壓縮氣體流量繼續降低，當達到一定幅度時，這時流量再降低壓力也不再明顯增加，工作點到達圖1中的AA1段。實際流量和出口壓力會有小幅且頻率較快的波動，出現該現象時，打開防喘振閥，流量迅速上升，出口壓力降低，機組擺脫臨界喘振區，結束測試，如曲線中的A1EF段。
這種測試適合機組廠商提供的性能曲線與壓縮機實際運行工作點較近的狀況，當測試到AA1段，機組喘振現象已經比較明顯，當靠近喘振點A1時，關小防喘振閥，流量下降，出口壓力不再上升，機組運行的聲音變化也非常明顯，振動開始增大。此時喘振線已經能滿足防喘振控制需求，就可以結束測試，避免將機組帶入喘振工況的風險。
2) 喘振點測試。當達到臨界喘振點后，流量繼續下降到喘振流量值，這時出口壓力迅速下降，流量迅速下降，到達曲線中的A1B段。這時快速打開防喘振閥，流量迅速上升，機組擺脫喘振，結束測試，如圖1中的A1GF段。
3) 喘振線驗證試驗。當試驗中工作點達到原預期喘振線上，證明工作點達到預期喘振線，不會發生喘振，喘振線能起到喘振保護作用得到驗證。也可不再繼續進行測試，避免機組進入臨界喘振區或喘振區。
1.1.2 喘振測試結果
喘振測試嚴格按照預定方案實施，測試結果為壓縮機的二段到五段喘振線保持原設計的預期喘振線，喘振實測驗證原預期喘振線滿足安全運行條件，根據工作點在喘振實測中的運行軌跡，修正了一段喘振線，修正后的喘振線對比原預期喘振線向左側移動4%。壓縮一段工作點測試過程中運行軌跡如圖2所示，2018年10月31日一段喘振測試記錄見表1所列，一段喘振線、防喘振線修正如圖3所示。
圖2 壓縮機一段工作點測試過程中運行軌跡示意
表1 一段喘振測試記錄(2018-10-31)
圖3 壓縮一段喘振線和防喘振線修正示意
1.2 性能控制程序優化
1.2.1 性能控制概述
性能控制是指以控制壓縮機的入口壓力、出口壓力或流量為主要參數，通過速度和防喘振控制的解耦控制在機組的節能運行情況下來實現壓縮機入口壓力的穩定。對于該裂解氣壓縮機，采用入口壓力作為主控參數實現性能控制。
該壓縮機性能控制由入口壓力控制器、解耦控制器、速度控制器以及防喘振控制器組成。
壓縮機控制系統如果要長期穩定地運行，每個控制器的參數設置必須合適，須要對防喘振閥進行必要的測試和試驗，得到各控制器之間的關聯參數，用于各控制器的關聯程序修改和參數調整。性能控制原理如圖4所示。
圖4 性能控制原理示意
1.2.2 性能控制程序修改
在裝置大修停車期間，按照性能控制優化方案完成了防喘振、速度控制和性能控制程序的優化修改工作，增加了防喘振和轉速(入口壓力串級控制)的解耦控制程序，實現了性能控制優化，并通過了仿真模擬測試。
1) 入口壓力控制器程序修改。依據試驗和運行數據分析結果，調整性能(入口壓力)控制器程序，設置控制死區，多組比例、積分按照不同條件自動選擇程序等。
2) 解耦控制器程序修改。實現防喘振閥控制和性能控制的解耦，實現解耦協調控制。依據偏差大小設置多組參數，程序按照不同條件自動選擇。完善數據跟蹤，使性能控制投用和解除都能實現無擾動切換。
3) 防喘振控制程序修改如下：
a) 修改防喘振控制自動調整參數邏輯，增加控制死區。
b) 防喘振閥啟動死區控制。依據防喘振閥測試結果，完善啟動死區控制，即在喘振閥輸出超過0.5%時，跳開到一個變量初始值為2%，一個周期后恢復自動控制，以保證防喘振閥能夠在擾動發生時快速啟動，保證響應速度。
c) 防喘振閥輸出限制參數修改。防喘振閥開關速率選擇，原為固定速率，快開速率為15%/s，慢關為0.25%/s，修改后的程序為按照不同工況程序自動選擇關閥速率，達到在保障機組安全的情況下，減小防喘振閥的開度對工藝操作的影響。修改后，關閥速率設置裕度大于20%時，閥開度輸出大于50%，關閥速率為2%/s；裕度小于15%時，閥開度輸出小于50%，關閥速率為1%/s。
d) 防喘振控制線修改。修改喘振線，依據喘振測試結果修改壓縮機一段喘振線。
e) 入口壓力開車最大值限制。壓縮機設計入口壓力為23 kPa，如升高到46 kPa，在其他參數不變的情況下，按照壓縮機入口流量公式計算，補償系數為0.708 6，會造成工作點的橫坐標，即壓縮機入口流量量程百分數減少30%。
為了避免受汽輪機功率限制，在高負荷運行時，轉速不能按照工藝要求提高，即汽輪機主汽門全開，壓縮機入口壓力過高，工作點向喘振方向移動過多，造成防喘振閥打開問題。在操作畫面上增加入口壓力最高限制，將參與工作點計算的壓縮機入口壓力最高值限制在46 kPa。在該工況下操作最多只會對雙烯收率產生影響，但不會造成機組防喘振閥在高負荷下由于轉速波動而開啟，造成大幅度工藝擾動的現象。
f) 速度控制程序修改。增加運行時速度、比例、積分參數程序自動選擇，實現不同情況下的速度控制的穩定。
4) 防喘振閥測試。在大修停車期間，通過利用Valvelink軟件，對防喘振閥開展離線測試，從而得到了每個閥門的啟動時間，并確定了防喘振閥的啟動死區。
依據測試結果，綜合分析，得到防喘振閥FV20001啟動死區為2.0%；FV20005閥啟動死區為1.5%。
2 控制系統優化效果
在機組控制系統優化完成后，在開工之初，裂解爐投料在低負荷的時候投用裂解氣壓縮機性能控制，并逐步提升裝置負荷，性能控制平穩，運行穩定，達到了預期的控制效果。
在低負荷時由“三返一”防喘振閥控制入口壓力，實現由防喘振閥將工作點控制在沿防喘振控制線，達到壓線控制。機組轉速保持在最低控制轉速，當負荷提升，防喘振閥全關后，由汽輪機轉速串級控制自動調節壓縮機入口壓力。該控制系統優化后效果如下：
1) 提升喘振操作裕度。經過喘振測試驗證了各段喘振線是安全可靠的。一段喘振線測試后確認在保證安全的前提下，優化了設計階段預留的4%裕度，防喘振線左移4%，擴大了機組的操作范圍。
2) 完善防喘振控制程序。經過防喘振控制程序完善，使防喘振實現自動控制并穩定運行，既保障了機組穩定運行，又使機組在低負荷時防喘振閥開度最小，實現了節能并高效運行。
3) 提高機組控制效率。增加了機組轉速和防喘振閥解耦控制，使機組在低負荷時轉速和防喘振閥之間的高效調節，避免機組轉速過高產生的額外能耗，保障了機組高效運行，同時保證了機組入口壓力與轉速串級控制的安全性。
4) 確保入口壓力控制穩定。性能控制投用自動后，壓縮機一段入口壓力控制較之前手動控制更趨平穩，減小了波動幅度，滿足了控制乙烯裂解爐出口壓力的需求，提高了裂解氣中的雙烯收率，提升了效益。
5) 減小操作人員的操作強度。控制程序優化后，提高了機組的自動化控制水平，在投爐和退爐時減少操作人員操作的頻次，節約操作時間，更好地保障了裝置的平穩運行。
3 結束語
優化前由于汽輪機長周期運行后效率下降，即使主汽門全開，機組轉速受限，壓縮機入口壓力依然保持在較高水平，無法實現優化運行。大修后，通過控制系統優化，性能控制的投用，實現了入口壓力的串級控制，增加的解耦控制保證了機組防喘振控制與轉速控制的穩定性。同時，降低了壓縮機入口壓力，提高雙烯收率，降低裂解原料的消耗，節能/降耗效益明顯。按每降低入口壓力6.90 kPa，乙烯收率可提高0.27%，按1.10 Mt/a乙烯產品計算，乙烯產量增加2 970 t，預計可提升效益約1 051.3萬元/年。
作者簡介
作者簡介：劉宗林(1988—)，男，福建泉州人，2011年畢業于遼寧石油化工大學自動化專業，獲學士學位，現就職于福建聯合石油化工有限公司，主要從事儀表和控制系統技術管理工作。
來源：《石油化工自動化》雜志2023年第1期
