PLC在離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)中的應用

PLC在離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)中的應用

撫順乙烯化工有限公司空分裝置空壓機防喘振控制系統(tǒng)原來采用FOXBORO盤前二次表來實現(xiàn)，并采用繼電器實現(xiàn)其相關(guān)聯(lián)鎖邏輯功能，實現(xiàn)手段不僅落后，維護工作量大，而且還經(jīng)常出現(xiàn)原因不明的意外停車，防喘振控制系統(tǒng)運行也不理想。因無SOE功能（順序事件記錄）無法查明誤動作原因，為裝置生產(chǎn)運行造成許多隱患?，F(xiàn)在公司采用美國GE-Fanuc的90-30雙機熱備型PLC來實現(xiàn)空壓機的防喘振功能和機組聯(lián)鎖保護，使用日本Digital公司的GP-470觸摸屏來實現(xiàn)監(jiān)視和操作功能，不僅操作直觀方便、停車原因明確，也使空壓機的防喘振系統(tǒng)設計更加完善，機組運行更加平穩(wěn)。

空壓機工藝簡介

撫順乙烯空分裝置采用法國空氣液化公司的專利，該裝置以空氣為原料，經(jīng)過過濾、壓縮、凈化、精餾、蒸發(fā)等工序，最后分離出產(chǎn)品氧氣和產(chǎn)品氮氣。吸入的原料空氣經(jīng)過濾后除去灰塵和雜質(zhì)，過濾后的空氣由空氣壓縮機K601進行壓縮，加壓后送往下游凈化崗位?？諌簷CK601系離心式壓縮機，由電機帶動，分兩級壓縮，兩級分置于電機兩側(cè)即K601A和K601B?？諌簷CK601設計流量為31500 Nm3/h，功率為3200kw，轉(zhuǎn)速為1450rpm，由法國蘇爾壽（SULZER）公司制造。

喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生

壓縮機在工作過程中，當入葉輪的氣體流量小于機組該工況下的最小流量（即喘振流量）限時，管網(wǎng)氣體會倒流至壓縮機，當壓縮機的出口壓力大于管網(wǎng)壓力時，壓縮機又開始排出氣體，氣流會在系統(tǒng)中產(chǎn)生周期性的振蕩，具體體現(xiàn)在機組連同它的外圍管道一起會作周期性大幅度的振動，這種現(xiàn)象工程上稱之為喘振。

喘振是離心式壓縮機的固有特性，當發(fā)生喘振時需采取措施降低出口壓力或增大入口流量，盡量降低喘振時間。為了確保壓縮機穩(wěn)定可靠地工作，防止用量波動發(fā)生喘振，該裝置設計了防喘振放空閥，當下游工藝設備空氣用量減少或壓縮機出現(xiàn)喘振時，可由放空閥減量放空來平衡。

防喘振方案的實施

離心機防喘振控制常采用以下兩種方法：

定極限流量法：就是使壓縮機的流量始終保持大于某一定值流量，從而避免進入喘振區(qū)運行。此法通常用于恒速運行的離心機且一般流量調(diào)節(jié)器的給定值應大于額定喘振點流量的7%～10%，此法優(yōu)點是控制簡單，缺點是當機組變速運行且處于低負荷情況時，防喘振控制投用過早，造成能耗加大。

變極限流量法：在變速運行的壓縮機中，隨著不同工況（壓縮比、出口壓力或轉(zhuǎn)速），極限喘振流量是個變數(shù)。變極限流量法是采用隨動防喘振流量控制系統(tǒng)在壓縮機的不同工況下沿喘振曲線（實際上是沿防喘振操作曲線）自動改變防喘振流量調(diào)節(jié)器的給定值，使防喘振調(diào)節(jié)器沿喘振曲線右側(cè)安全控制線（防喘振操作線）工作，這樣既安全又節(jié)能。

本裝置防喘振控制采用變極限流量法，變極限流量系統(tǒng)喘振曲線的數(shù)學模型可以從離心機流量－壓力特性曲線、氣體動力學方程及壓縮機入口流量計算公式導出，此喘振曲線在h（入口流量儀表的差壓）－P2/P1（壓縮機的壓縮比）坐標上是一條直線參見圖1中M1 -M2罩畢

h/P1=V×P2/P1+K

式中：h—氣壓機入口流量差壓變送器量程的百分數(shù)；
P1—氣壓機入口壓力（絕）變送器量程的百分數(shù)；
P2－壓機出口壓力（絕）變送器量程的百分數(shù)；
V—常數(shù),直線M1 -M2盞男甭剩
k—常數(shù)，直線B的截距。

變極限流量法防喘振操作線繪制確定（圖1中B線）方法為根據(jù)壓縮機制造廠提供的如圖2氣體壓縮機特性曲線上的M1,M2點（喘振限曲線上的任意兩個臨界工況點）數(shù)據(jù)折算成與流量差壓變送器及壓力變送器的刻度值相對應的h（或h/P1）和P2（或P2/P1）的相對值（%），在圖1的坐標上確定對應于M1,M2的M1’和M2’點，連接M1’和M2’就可畫出壓縮機的喘振限直線A。然后再作A線的平行線B。A,B線的間距△Q為流量刻度7%～10%。對應的△h按具體機組設計數(shù)據(jù)計算

△h%＝△Q%×（2 Q%+△Q%）

式中：△h%－A,B線的間距，取差壓變送器量程的百分數(shù)；
△Q%—節(jié)器給定值與喘振點之間的間距，一般取喘振點流量值的7%～10%；
Q%—振點的流量差壓變送器的相對百分數(shù)；

圖1中A線就是壓縮機的理論喘振限直線；B線就是壓縮機的隨動防喘振安全操作線。

如果壓縮機的特性曲線換算到圖1上不是一條直線A，而是一條不規(guī)則的曲線時，可沿此曲線繪制近似的平行線作為安全操作線B來使用。

圖1：離心式氣體壓縮機喘振限直線及隨動防喘振控制操作線示意圖

圖2：多級離心式氣體壓縮機流量壓力特性曲線

防喘振控制系統(tǒng)描述

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用GE Fanuc 90-30 PLC 作數(shù)據(jù)采集和控制，為了保證系統(tǒng)的可靠性，控制部分采用雙機熱備結(jié)構(gòu)，電源、CPU、通訊模塊和通訊總線、以太網(wǎng)通訊模塊等都是冗余的，通過GBC網(wǎng)絡通訊模塊與雙機熱備軟件共同起作用，從而實現(xiàn)雙機熱備功能，保證系統(tǒng)的高可靠性。

數(shù)據(jù)采集部分配置兩層10槽機架，第一層為帶CPU的10槽I/O機架，另一層為隸屬于第一層機架的10槽I/O擴展機架，兩層機架之間通過擴展電纜進行連接和通訊。雙機熱備部分與數(shù)據(jù)采集部分利用Genius Bus Controller （GBC）網(wǎng)絡通訊模塊通過Genius雙總線進行數(shù)據(jù)的通訊與傳輸。

現(xiàn)場的各類模擬信號、電磁閥閥位回訊和報警接點信號、PLC輸出到現(xiàn)場電磁閥的起停信號等均通過端子排與PLC I/O模塊相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)硬件選用日本Digital公司的GP-470觸摸屏，操作系統(tǒng)為WINDOWS NT 4.0，運行的監(jiān)控軟件為基于WINDOWS NT 的Cimplicity Server版（700點）。這臺監(jiān)控站即可以作為工程師站用來組態(tài)各類畫面，又便于操作人員進行操作和監(jiān)視。同時它又是一臺服務器，本系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)均存儲在此服務器的硬盤中，在此基礎上，可以進行進一步的數(shù)據(jù)處理和存取操作。上位機（通過網(wǎng)卡）和PLC（通過以太網(wǎng)通訊模塊）之間使用通用的標準10M以太網(wǎng)進行通訊連接。

系統(tǒng)的優(yōu)化

為了使PLC能夠快速執(zhí)行PID算法，并實時刷新計算輸出，選用PLC 90-30中的高檔模塊CPU351來完成。利用PLC功能強大的編程軟件LogicMaster提供的梯形圖功能，根據(jù)變極限流量防喘振控制方案來實現(xiàn)防喘振算法和相關(guān)聯(lián)鎖邏輯功能。

此次改造在軟件中增加聯(lián)鎖停車事故第一信號的捕獲功能，使壓縮機停車原因具體、明確，便于事故分析。為了便于現(xiàn)場操作和維護，將PLC硬件和工藝操作用的觸摸屏均安裝在防爆控制柜上，將防爆控制柜安裝在壓縮機附近的現(xiàn)場操作室里。

防喘振控制系統(tǒng)的特點

PLC系統(tǒng)選用美國通用電氣公司（GE_Fanuc）的90-30系列控制系統(tǒng)，性能優(yōu)良，性價比高。

PLC系統(tǒng)具有雙機熱備功能，實現(xiàn)PLC主機冗余、電源冗余、通訊模塊和通訊總線冗余，主機、從機可無擾動切換，模塊在線可更換，增加了系統(tǒng)的可靠性。

上位機與PLC之間通過10Mb/S的高速以太網(wǎng)ETHERNET實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚?、可靠?

系統(tǒng)具有強大的通訊功能，支持多種通訊總線協(xié)議，具有開放的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可與其它廠家的PLC和DCS進行通訊。

系統(tǒng)具有容錯能力和強大的自診斷功能。

PLC的微處理器選用高性能的INTEL處理器，系統(tǒng)運行速度高，能快速執(zhí)行PID算法，并實時刷新計算輸出。

PLC具有功能強大的梯形圖編程軟件LogicMaster，可實現(xiàn)防喘振算法和相關(guān)聯(lián)鎖邏輯功能。

具有實時和歷史數(shù)據(jù)處理功能，聯(lián)鎖停車事故第一信號的捕獲功能。

可顯示操作狀態(tài)及流程圖畫面、調(diào)速畫面、機組喘振控制畫面、實時趨勢畫面、歷史趨勢畫面、報警歷史畫面等。

本裝置的防喘振控制系統(tǒng)自投用后，運行效果很好，壓縮機沒有再發(fā)生喘振現(xiàn)象，機組運行平穩(wěn)，達到了設計要求，取得顯著的經(jīng)濟效益。