PLC在离心式压缩机防喘振控制系统中的应用

PLC在离心式压缩机防喘振控制系统中的应用

抚顺乙烯化工有限公司空分装置空压机防喘振控制系统原来采用FOXBORO盘前二次表来实现，并采用继电器实现其相关联锁逻辑功能，实现手段不仅落后，维护工作量大，而且还经常出现原因不明的意外停车，防喘振控制系统运行也不理想。因无SOE功能（顺序事件记录）无法查明误动作原因，为装置生产运行造成许多隐患。现在公司采用美国GE-Fanuc的90-30双机热备型PLC来实现空压机的防喘振功能和机组联锁保护，使用日本Digital公司的GP-470触摸屏来实现监视和操作功能，不仅操作直观方便、停车原因明确，也使空压机的防喘振系统设计更加完善，机组运行更加平稳。

空压机工艺简介

抚顺乙烯空分装置采用法国空气液化公司的专利，该装置以空气为原料，经过过滤、压缩、净化、精馏、蒸发等工序，最后分离出产品氧气和产品氮气。吸入的原料空气经过滤后除去灰尘和杂质，过滤后的空气由空气压缩机K601进行压缩，加压后送往下游净化岗位。空压机K601系离心式压缩机，由电机带动，分两级压缩，两级分置于电机两侧即K601A和K601B。空压机K601设计流量为31500 Nm3/h，功率为3200kw，转速为1450rpm，由法国苏尔寿（SULZER）公司制造。

喘振现象的产生

压缩机在工作过程中，当入叶轮的气体流量小于机组该工况下的最小流量（即喘振流量）限时，管网气体会倒流至压缩机，当压缩机的出口压力大于管网压力时，压缩机又开始排出气体，气流会在系统中产生周期性的振荡，具体体现在机组连同它的外围管道一起会作周期性大幅度的振动，这种现象工程上称之为喘振。

喘振是离心式压缩机的固有特性，当发生喘振时需采取措施降低出口压力或增大入口流量，尽量降低喘振时间。为了确保压缩机稳定可靠地工作，防止用量波动发生喘振，该装置设计了防喘振放空阀，当下游工艺设备空气用量减少或压缩机出现喘振时，可由放空阀减量放空来平衡。

防喘振方案的实施

离心机防喘振控制常采用以下两种方法：

定极限流量法：就是使压缩机的流量始终保持大于某一定值流量，从而避免进入喘振区运行。此法通常用于恒速运行的离心机且一般流量调节器的给定值应大于额定喘振点流量的7%～10%，此法优点是控制简单，缺点是当机组变速运行且处于低负荷情况时，防喘振控制投用过早，造成能耗加大。

变极限流量法：在变速运行的压缩机中，随着不同工况（压缩比、出口压力或转速），极限喘振流量是个变数。变极限流量法是采用随动防喘振流量控制系统在压缩机的不同工况下沿喘振曲线（实际上是沿防喘振操作曲线）自动改变防喘振流量调节器的给定值，使防喘振调节器沿喘振曲线右侧安全控制线（防喘振操作线）工作，这样既安全又节能。

本装置防喘振控制采用变极限流量法，变极限流量系统喘振曲线的数学模型可以从离心机流量－压力特性曲线、气体动力学方程及压缩机入口流量计算公式导出，此喘振曲线在h（入口流量仪表的差压）－P2/P1（压缩机的压缩比）坐标上是一条直线参见图1中M1 -M2罩毕

h/P1=V×P2/P1+K

式中：h—气压机入口流量差压变送器量程的百分数；
P1—气压机入口压力（绝）变送器量程的百分数；
P2－压机出口压力（绝）变送器量程的百分数；
V—常数,直线M1 -M2盏男甭剩
k—常数，直线B的截距。

变极限流量法防喘振操作线绘制确定（图1中B线）方法为根据压缩机制造厂提供的如图2气体压缩机特性曲线上的M1,M2点（喘振限曲线上的任意两个临界工况点）数据折算成与流量差压变送器及压力变送器的刻度值相对应的h（或h/P1）和P2（或P2/P1）的相对值（%），在图1的坐标上确定对应于M1,M2的M1’和M2’点，连接M1’和M2’就可画出压缩机的喘振限直线A。然后再作A线的平行线B。A,B线的间距△Q为流量刻度7%～10%。对应的△h按具体机组设计数据计算

△h%＝△Q%×（2 Q%+△Q%）

式中：△h%－A,B线的间距，取差压变送器量程的百分数；
△Q%—节器给定值与喘振点之间的间距，一般取喘振点流量值的7%～10%；
Q%—振点的流量差压变送器的相对百分数；

图1中A线就是压缩机的理论喘振限直线；B线就是压缩机的随动防喘振安全操作线。

如果压缩机的特性曲线换算到图1上不是一条直线A，而是一条不规则的曲线时，可沿此曲线绘制近似的平行线作为安全操作线B来使用。

图1：离心式气体压缩机喘振限直线及随动防喘振控制操作线示意图

图2：多级离心式气体压缩机流量压力特性曲线

防喘振控制系统描述

系统结构

本系统采用GE Fanuc 90-30 PLC 作数据采集和控制，为了保证系统的可靠性，控制部分采用双机热备结构，电源、CPU、通讯模块和通讯总线、以太网通讯模块等都是冗余的，通过GBC网络通讯模块与双机热备软件共同起作用，从而实现双机热备功能，保证系统的高可靠性。

数据采集部分配置两层10槽机架，第一层为带CPU的10槽I/O机架，另一层为隶属于第一层机架的10槽I/O扩展机架，两层机架之间通过扩展电缆进行连接和通讯。双机热备部分与数据采集部分利用Genius Bus Controller （GBC）网络通讯模块通过Genius双总线进行数据的通讯与传输。

现场的各类模拟信号、电磁阀阀位回讯和报警接点信号、PLC输出到现场电磁阀的起停信号等均通过端子排与PLC I/O模块相连，实现数据的采集和控制。

上位机监控系统硬件选用日本Digital公司的GP-470触摸屏，操作系统为WINDOWS NT 4.0，运行的监控软件为基于WINDOWS NT 的Cimplicity Server版（700点）。这台监控站即可以作为工程师站用来组态各类画面，又便于操作人员进行操作和监视。同时它又是一台服务器，本系统的全部数据均存储在此服务器的硬盘中，在此基础上，可以进行进一步的数据处理和存取操作。上位机（通过网卡）和PLC（通过以太网通讯模块）之间使用通用的标准10M以太网进行通讯连接。

系统的优化

为了使PLC能够快速执行PID算法，并实时刷新计算输出，选用PLC 90-30中的高档模块CPU351来完成。利用PLC功能强大的编程软件LogicMaster提供的梯形图功能，根据变极限流量防喘振控制方案来实现防喘振算法和相关联锁逻辑功能。

此次改造在软件中增加联锁停车事故第一信号的捕获功能，使压缩机停车原因具体、明确，便于事故分析。为了便于现场操作和维护，将PLC硬件和工艺操作用的触摸屏均安装在防爆控制柜上，将防爆控制柜安装在压缩机附近的现场操作室里。

防喘振控制系统的特点

PLC系统选用美国通用电气公司（GE_Fanuc）的90-30系列控制系统，性能优良，性价比高。

PLC系统具有双机热备功能，实现PLC主机冗余、电源冗余、通讯模块和通讯总线冗余，主机、从机可无扰动切换，模块在线可更换，增加了系统的可靠性。

上位机与PLC之间通过10Mb/S的高速以太网ETHERNET实现数据的采集和传输，保证数据传输的高速、可靠。

系统具有强大的通讯功能，支持多种通讯总线协议，具有开放的网络结构，可与其它厂家的PLC和DCS进行通讯。

系统具有容错能力和强大的自诊断功能。

PLC的微处理器选用高性能的INTEL处理器，系统运行速度高，能快速执行PID算法，并实时刷新计算输出。

PLC具有功能强大的梯形图编程软件LogicMaster，可实现防喘振算法和相关联锁逻辑功能。

具有实时和历史数据处理功能，联锁停车事故第一信号的捕获功能。

可显示操作状态及流程图画面、调速画面、机组喘振控制画面、实时趋势画面、历史趋势画面、报警历史画面等。

本装置的防喘振控制系统自投用后，运行效果很好，压缩机没有再发生喘振现象，机组运行平稳，达到了设计要求，取得显著的经济效益。