合成气压缩机综合控制方案的应用

李皓，王敏，宋立军，杨琴

(1. 北京康吉森自动化技术股份有限公司，北京 101318；

2. 内蒙古博大实地化学有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017399)

合成气压缩机是化肥装置中的关键设备，其运行情况直接影响装置的平稳生产和经济效益。某化学有限公司合成氨装置于2012年投产，该装置配套的合成气压缩机是由GE公司生产，采用Tricon控制系统，其中汽轮机调速和防喘振控制方案采用GE公司的算法，以“黑匣子”形式运行，内部控制逻辑不对用户开放，无法查看，也无法根据实际情况调整。所以在实际使用过程中，压缩机负荷控制无法投用自动，需要操作人员根据装置负荷手动调节。因此，该公司提出了压缩机负荷自动控制，操作条件可视化，控制逻辑参数可调的需求，经与控制系统供应商沟通并一起制定了详细的控制方案，通过汽轮机转速控制和压缩机防喘振控制之间的解耦，来实现压缩机入口压力控制；
通过循环段防喘振控制和出口放火炬阀高限控制高选的方式来控制出口压力，达到合成气压缩机负荷自动调节的目的，实现整个合成气压缩机控制操作的可视化、参数可调。

在实际使用过程中，该压缩机控制系统存在以下问题：

1)日常操作过程中，受上游单元工艺波动影响，为保证合成气压缩机入口压力范围为4.8～5.3 MPa，操作人员需要随时调整机组转速和防喘振阀开度，造成操作人员劳动强度大，压力控制不稳定。

2)压缩机部分联锁逻辑条件不明确，出现异常情况时操作人员无法准确判断原因，影响故障的排除。

3)调速系统PID参数没有根据不同转速阶段自动调整的功能，每次开车操作人员需要在不同转速阶段手动设置经验参数，操作繁琐且不安全。

因此迫切需要一种新的控制方案，既能实现生产过程中的自动控制，又能让用户简单明了地了解压缩机的逻辑动作条件和结果。

2.1 合成气压缩机工作流程

合成气压缩机的主要功能是将来自氮洗单元的氢氮合成气经过压缩机低压段压缩后，将一部分气体送至脱硫单元，用于钴-钼加氢，另一部分气体经中间冷却器冷却分离后，送入压缩机高压段压缩，再经冷却器和分离器分离水蒸气后和CO2送入循环段压缩，出循环段经热交换器升温后送入合成塔。合成气压缩机流程如图1所示。

图1 合成气压缩机流程示意

2.2 合成气压缩机基本控制

2.2.1 转速控制

合成气装置负荷变化时，通过调节压缩机转速来调整压缩机的负荷，达到维持装置平稳运行的目的，该装置压缩机为汽轮机驱动，通过控制汽轮机调速阀调节进入汽轮机的蒸汽流量来控制转速。

转速控制分为停机、联锁复位、允许启动、升速、正常运行、超速实验、正常停机七个模式。在压缩机转速进入正常运行模式后即可进入正常生产的转速控制。

2.2.2 防喘振控制

喘振是压缩机固有的一种非正常工作状态，对设备有较大的危害性，是压缩机损坏的主要因素之一。因此，防喘振控制做为压缩机控制的重要组成部分，对保证压缩机安全、可靠运行有着非常重要的意义。防喘振控制通常是设置压缩机的防喘振曲线和工作点，通过防喘振阀将工作点控制在防喘振线的右侧。

该压缩机工作点与喘振控制曲线如图2所示，以差压Δp与入口压力ps比值的开方为横坐标，以出口压力pd与ps比值为纵坐标。

图2 防喘振控制曲线

工作点在控制线右边时，需关小防喘振阀使工作点靠近控制线；
工作点在控制线左边时，需开大防喘振阀使工作点进入安全区域。

2.2.3 压缩机出口压力限控制

合成气压缩机的出口压力受出口安全阀的限制。当出口压力超过设定值时，放火炬阀开始打开，降低出口压力；
当出口压力降低至设定值时，放火炬阀关闭。通过放火炬阀来控制压缩机出口压力，避免安全阀起跳。

2.2.4 压缩机入口压力性能控制

合成气压缩机入口压力的变化影响着该装置的平稳运行。入口压力性能控制可根据装置的负荷自动调节压缩机的负荷，控制入口压力有调节转速和调节防喘振阀两种方式，维持装置平稳运行。当调节转速控制入口压力时，入口压力升高时，提高压缩机转速来降低入口压力，反之亦然；
调节防喘振阀控制入口压力时，入口压力升高时，关小防喘振阀降低入口压力，反之亦然。

2.2.5 控制器之间的相互影响

该压缩机的运行工况在受到上下游单元的工况影响时，需要通过转速调节、防喘振阀调节、放火炬阀调节等手段满足上下游单元的需求，但各个控制器之间又会相互影响，很难在满足所有需求的同时达到平衡。

1)当采用汽轮机转速来控制入口压力时。如果装置负荷降低，入口压力减小，会通过降低汽轮机转速来提升入口压力，当汽轮机转速降低时压缩机入口流量会减少，压缩机的工作点会向喘振线靠近，防喘振阀会打开，防喘振阀打开会造成入口压力升高。当汽轮机转速下降和压缩机防喘振阀打开同时发生时，压缩机入口压力会快速上升，此时会提升汽轮机转速来降低入口压力，当转速上升时压缩机入口流量会增加，压缩机的工作点会离开喘振线，防喘振阀会关小；
当汽轮机转速升高和压缩机防喘振阀关小同时发生时，压缩机入口压力又会快速降低，最终入口压力会上下波动，无法稳定下来。使用防喘振阀来控制入口压力时也会面临同样的问题，因此独立的汽轮机转速控制和压缩机防喘振控制都是造成彼此的扰动因素。

2)入口压力控制对出口压力控制的影响。当入口压力升高时，会提升汽轮机转速或者关小防喘振阀来降低入口压力，汽轮机转速的上升和防喘振阀的关小都会造成出口压力的升高；
当装置负荷较高时，出口压力也会比较高，如果此时继续提升汽轮机转速或者关小防喘振阀，有可能造成出口压力超限，将放火炬阀快速打开，会降低出口压力，但对装置造成波动, 影响工艺生产。

根据实际运行工况设计了合成气压缩机综合控制方案，如图3所示。

图3 合成气压缩机综合控制方案示意

入口压力作为压缩机性能控制主要的被控参数，通过汽轮机转速和压缩机低压段防喘振控制同时去调节，为防止汽轮机转速和压缩机防喘振控制在调节时的相互干扰，在两者之间设计了解耦控制。解耦原理：
当入口压力低于设定值时，需要降低压缩机负荷来提升入口压力，以压缩机工作点与喘振线之间的相对位置关系作为优先选择汽轮机转速或者压缩机防喘振控制的标准。当工作点靠近喘振线3%以内，优先打开防喘振阀来提升入口压力；
当工作点离开喘振线5%以外，优先降低汽轮机转速来提升入口压力。当入口压力高于设定值时，需要增加压缩机负荷来降低入口压力，当工作点靠近喘振线3%以内，优先提高汽轮机转速来降低入口压力；
当工作点离开喘振线5%以外，优先关小防喘振阀来降低入口压力。

压缩机入口压力性能控制与高压段喘振阀、循环段防喘振阀之间设计防喘振解耦控制器，协调各段防喘振阀，调节相互之间的扰动。当高压段、循环段防喘振工作点距离控制线小于预设值时，限制通过降低转速来降低压缩机负荷，保证高压段、循环段防喘振工作点不会继续靠近控制线，保证机组安全。

循环段防喘振控制和出口压力控制设置阀位输出高选，通过循环段防喘振来控制出口压力，同时设置出口压力高限控制器，通过放火炬阀来控制出口压力。当出口压力超过控制值时打开循环段防喘振来降低压力，当出口压力高于放火炬设定值时打开放火炬阀来降低出口压力。

该方案正常投用时，能平稳控制压缩机入口压力和出口压力，同时做到压缩机的防喘振保护和出口压力高限保护。

新的合成气压缩机综合控制方案还增加了综合控制画面，完善了人机界面(HMI)上的逻辑信息显示。该方案删除了原压缩机的转速和防喘振控制逻辑，更新了控制函数库，经过仿真测试后于2022年检修期间正式下装。

修改后的HMI信息清晰明了，操作人员能够完全了解机组运行状态和控制方案目标，操作简单。目前装置已正常开车，压缩机转速控制、防喘振控制、入口压力性能控制、出口压力控制均投用自动，该装置运行平稳。相较与以前的方案，机组实现了一键启机，自动加载负荷，操作步骤大幅减少，压缩机主要控制目标入口压力稳定，达到了预期效果。

合成气压缩机作为化肥装置的核心设备之一，长期以来多为采用进口压缩机和与之配套的控制方案，在实际应用中过程控制系统封闭、控制方案老旧、调整困难，很多方面都不符合当前的技术应用场景。通过对原合成气压缩机控制方案的替代，很好地证明了合成气综合控制方案的可靠性和平稳性，对于国内同类型压缩机提高自动控制率、稳定工况、减轻劳动强度具有很强的借鉴意义。

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