某石化公司為保證丙烯制冷壓縮機組的安全高效運行，壓縮機控制系統(ITCC)采用了基于TüV認證SIL3級三重冗余(TMR)技術的TS3000系統，掃描周期為毫秒級，目前系統“看門狗”時間設置為150ms，滿足防喘振控制時間300ms以內的要求；人機界面采用Wonderware公司的INTOUCH9.5組態的監控畫面；采用了Triconex專有的防喘振功能模塊，實現對機組的防喘振控制及石墻控制。
1、防喘振控制和石墻控制基本原理
1.1 防喘振控制的基本原理
丙烯制冷壓縮機是離心式壓縮機，離心式壓縮機具有排氣量大、效率高、結構簡單、體積小、氣體不受油污染以及正常工況下運轉平穩、壓縮氣流無脈動等特點。但是對氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發生喘振。早在1945年英國技術人員首先發現了離心式壓縮機的喘振現象并引起了人們的注意。喘振是離心式壓縮機固有的一種現象，具有較大的危害性，是壓縮機損壞的主要誘因之一。因此，提高離心式壓縮機的抗喘振性能，保證其安全可靠運行對工業生產有著非常重要的意義。防喘振控制就是在壓縮機段間、缸間設置自動和手動兩用的控制系統使壓縮機的運行工況點始終位于喘振線的右側。
1.1.1 防喘振控制曲線
該壓縮機防喘振控制曲線如圖1所示。圖1中縱坐標為壓縮機某級出口壓力(Pd)與入口壓力(Ps)的比值；橫坐標為某級入口流量與入口最大流量的比值Hc；實際喘振線的左側為機組喘振區域，是根據實際的機組性能曲線得到；防喘振控制曲線是喘振線右移了一定的距離，一般為10%，該距離稱為“安全裕度”；操作點即實際工作點，是一個坐標點，如：Pd/ps=2， Hc=60%；盤旋點設定值所在線就是盤旋點的位置，在工作點的左邊，與工作點有一定距離，該距離即盤旋點的裕度設定值。當工作點快速靠近盤旋點時，喘振PID會有輸出；當盤旋點跟上變化，又回到原有設定的距離時，喘振PID輸出會慢慢回零。
圖1 防喘振控制曲線示意
當工作點穿過防喘振控制曲線，在“安全裕度”內，喘振PID控制開始輸出信號。當工作點進入喘振超馳區域，即“安全裕度”左邊70%的區域，會產生喘振超馳輸出信號，喘振超馳是純比例控制，打開速度更快。當工作點進入快開線區域，即“安全裕度”左邊2%區域，一般作為防喘振電磁閥失電的條件，防喘振閥全部打開。
1.1.2 防喘振控制模擬量輸出
防喘振控制模擬量最終輸出由4個輸出內容高選得到，且與控制模式有關系，4個輸出分別為喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過程控制超馳輸出、全手動輸出，如圖2所示。
圖2 防喘振控制輸出選擇示意
①喘振PID輸出。如上所述，當工作點快速靠近盤旋點時，喘振PID會有輸出；當工作點進入防喘振控制曲線時，喘振PID也會有輸出。
②喘振超馳輸出。在“安全裕度”右邊30%區域內，輸出值一直是0，當進入70%區域時，進行純比例運算輸出，快速上升到100%。
③過程控制超馳輸出。當轉速投過程控制時，才會有輸出，這是轉速控制與防喘振控制的解耦運算得出的輸出。
④全手動輸出。即手動給定的值。
4個值的選擇還與防喘振控制模式有關。防喘振控制有三種模式：全手動、半手動、自動。當自動模式時，喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過程控制超馳輸出3個值進行高選；當半手動模式時，對喘振PID輸出、喘振超馳輸出、過程控制超馳輸出、全手動輸出4個值進行高選；當全手動模式時，只選擇全手動輸出的值。
1.1.3 防喘振功能使能
“防喘振使能”條件有兩個：壓縮機進入運行模式，第三段壓縮比大于1.15。該使能同時作用于第四段“防喘振使能”。
1.1.4 防喘振控制曲線校正
防喘振控制程序里有兩項校正功能：
①當與防喘振控制計算相關的壓力和溫度點任一點出現故障時，安全裕度直接由10%變成15%，即防喘振控制曲線向左移5%。當故障消失時，安全裕度恢復為10%。
②每產生一次喘振，就需重新校正一次，即防喘振控制曲線向右移動2%，最多進行10次重新校正。可以通過復位功能進行重新校正復位，恢復原防喘振控制曲線。
1.2 石墻控制的基本原理
石墻一般發生在離心式壓縮機某一級，當該級的氣體流速達到聲速，該級的流量再也不會增加，就形成石墻。解決石墻問題最有效的方法是提高該級的pd/ps值。提高Pd/Ps值有很多種方法，如提高轉速、控制回流、或在該級入口安裝1臺降壓閥(石墻閥)。經研究第三種方法對提高pd/ps值最有效。
1.2.1 石墻控制曲線
石墻控制與防喘振控制類似，程序組態也是通過防喘振功能塊實現。石墻與喘振不同之處在于：流量越低、Pd/Ps值越高越容易產生喘振；而流量越大、pd/ps值越低越容易產生石墻。石墻控制曲線如圖3所示。
圖3 石墻控制曲線示意
圖3中縱坐標為壓縮機某級的Pd/Ps值；橫坐標為某級的Hc值；實際石墻線的右側為機組撞墻區域，是根據實際的機組性能曲線得到；防石墻控制曲線是將石墻線右移了一定的距離，一般為10%，該距離稱為“安全裕度”；實際工作點是一個坐標點，如： pd/ps=1.2，Hc=60%；盤旋點設定值所在線就是盤旋點的位置，在工作點的右邊，與工作點有一定距離，該距離即盤旋點的裕度設定值。當工作點快速靠近盤旋點時，石墻PID會有輸出，當盤旋點跟上變化，又回到原有設定的距離時，石墻PID控制輸出會慢慢回零。
當工作點穿過防石墻控制曲線，到“安全裕度”內，石墻PID控制開始輸出信號。當工作點進入石墻超馳區域，是“安全裕度”右邊70%的區域，會產生石墻超馳輸出信號，石墻超馳是純比例控制，使石墻控制閥打開速度更快。
1.2.2 石墻控制模擬量輸出
石墻控制模擬量最終輸出由3個輸出高選得到的，且與控制模式有關系，3個輸出為石墻PID輸出、石墻超馳輸出、全手動輸出，如圖4所示。
圖4 石墻控制輸出選擇示意
①石墻PID輸出。當工作點快速靠近盤旋點時，會有輸出；當工作點進入防石墻控制曲線時，也會有輸出。
②石墻超馳輸出。在“安全裕度”的30%及防石墻控制曲線左邊的區域，輸出一直是0；當進入70%區域時，進行純比例運算輸出，快速上升到100%。
③全手動輸出。手動給定輸出值。
3個值的選擇同樣與石墻控制模式有關。石墻控制有三種模式：全手動、半手動、自動。當自動模式時，石墻PID輸出、石墻超馳輸出2個值進行高選；當半手動模式時，石墻PID輸出、石墻超馳輸出、全手動輸出三個值進行高選；當全手動模式時，只選擇全手動輸出的值。
1.2.3 防石墻功能使能
防石墻功能是無條件長期使能的。
1.2.4 防石墻控制曲線校正
防石墻控制曲線校正與防喘振控制曲線的校正有部分區別：當與石墻控制計算相關的壓力和溫度點任一點出現故障時，安全裕度直接由10%變成15%，也就是防石墻控制曲線向左移5%。當故障消失時，安全裕度恢復為10%。
2、防喘振控制和石墻控制實際應用中的問題
2.1 防喘振控制實際應用中的問題
2.1.1 工作點較快速波動
因工作點的較快速波動，會導致防喘振閥打開。
①原因分析。如上所述，當工作點快速靠近盤旋點時，喘振PID會有輸出，在自動或半手動模式下，閥門會打開。檢查工作點計算相關的測量信號，發現部分測量值有波動，但是波動幅度很小，應該不會影響機組喘振，不應該打開防喘振閥。
②解決方法。加大現場儀表本身的阻尼，降低儀表本身的敏感性，根據經驗，只上調1檔，不能調整過大，否則會嚴重影響防喘振控制的及時性；在程序中提高盤旋點跟蹤工作點的速度。同時，阻尼也不能調太快，否則會影響盤旋點實際作用，如果工作點實際靠近太快，則需要打開防喘振閥。
2.1.2 防喘振流量變送器故障
①原因分析。當防喘振流量測量出問題，直接影響工作點，如果進入防喘振區域，就會打開防喘振閥。影響流量測量值的原因有：引壓管積液嚴重、引壓管過長響應滯后波動、變送器本身故障但不顯示故障狀態。
②解決方法有以下兩種：
a)對于引壓管積液嚴重和過長問題。需要縮短引壓管，整體引壓管和變送器都在引壓口的上方，可以完全避免積液問題。該措施可以應用于所有參與防喘振控制計算的流量和壓力儀表。
b)流量變送器本身故障。如果發生故障報警，控制程序會自動選擇設定值，不會對防喘振控制產生大的擾動；如果不發出故障報警，此時需要操作人員要有很強的應急能力，生產部門有很好的應急方案。把當級的防喘振控制模式立即改為全手動，并迅速而平穩關閉防喘振閥。如果達不到這樣的應急能力，那只有將參與防喘振控制計算的儀表都改成“三重冗余”，信號“三取中”，可避免該類問題發生。
2.1.3 防喘振全手動功能非最高優先級
防喘振全手動功能并非最高優先級，分析如下：
①原因分析。原有防喘振功能塊的功能描述與實際的功能塊功能不符。經過實測，防喘振使能狀態由“1”改成“0”時，會由“下降沿”觸發防喘振所有自動、手動輸出100%，全開防喘振閥。廠家提供的功能塊說明該機組的防喘振使能的條件有Pd/Ps≥1.15，且應用于全部4臺防喘振閥控制，那么就引入了一個較大的安全隱患。如果2臺變送器其中1臺出現問題，導致Pd/Ps<1.15，那么“防喘振使能”狀態由“1”改成“0”，就會引起4臺防喘振閥門全部打開，對生產造成較大的擾動，甚至導致停機、裝置停工。基于該隱患，需要評估該pd/ps值作為“防喘振使能”的條件是否必要。經過和壓縮機生產廠家調研和評估，建議取消該條件。防喘振使能只要一個“機組進入運行模式”條件就足夠。
另外，檢查全廠的ITCC的“防喘振使能”的條件，發現都不一樣，如芳烴和新煉油裝置共8套ITCC的“防喘振使能”的條件都沒有用pd/ps條件。老煉油裝置有pd/ps條件、快開線和ITCC的壓力變送器的故障信號。
還存在另一個隱患，如果單級出/入口變送器出現問題，根據防喘振控制功能，可能會引起單級防喘振閥門打開。主要依賴于儀表可靠性，如果發生故障不可避免，那么就要討論可以解決或將損失降到最低的方案，如：單級防喘振閥突然打開的完善的應急預案；考慮把參與防喘振計算的儀表改成“三重冗余”，信號“三取中”參與防喘振計算。
②解決方法有以下四種：
a)壓縮機生產廠家需要提交準確的、全面的防喘振功能說明書及防喘振功能測試的內容。
b)廠家需要規范統一“防喘振使能”的條件，取消pd/ps值作為“防喘振使能”的條件。
c)要有完善的單級防喘振閥突然打開的應急預案，盡量避免造成更大影響。
d)建議將參與防喘振計算的儀表改成“三重冗余”，信號“三取中”。
2.2 石墻控制實際應用中存在的問題
乙烯裝置8臺爐運行時，Hc=90%左右，石墻控制打開石墻控制閥。
按照目前pd/ps值，遠遠大于石墻線的Pd/Ps的最高限1.31，上面區域沒有石墻線和防石墻控制曲線，因此不會出現進入石墻控制的情況。
但是，故障時Hc=90%左右，石墻閥為何會打開？經分析后發現，因為石墻控制曲線中，當Pd/Ps=1.31時，上方無石墻線和防石墻控制曲線，并不一定受石墻控制。經過測試，石墻線到100%的位置，從(100，1.31)的坐標垂直朝上的線都是有效，同理防石墻控制曲線也是一樣。所以可知為防石墻控制曲線的問題，防石墻控制曲線是石墻線左移了10%安全裕度，當Hc≥90%時，進入防石墻控制曲線，就會開始打開石墻閥。
分析可知，當pd/ps值超過產生石墻的可能區域，則不用考慮石墻控制問題，故障原因可能是實際防喘振功能模塊存在的缺陷。
通過核對機組生產廠家性能曲線和組態廠家的喘振線、石墻線計算書，發現兩者不符，經核查，第三級入口的最大流量數值有誤，用的是1級入口最大流量6.4×105kg/h，影響了第三級防喘振計算和石墻控制計算。
因丙烯制冷壓縮機第三段入口沒有單獨設置入口流量檢測元件，給三段性能控制和計算帶來一些理解上的偏差，但第三段入口流量最大量程是用于性能控制的必要條件之一，現通過壓縮機性能曲線，壓縮機數據表得出第三段入口流量最大流量用于防喘振和石墻控制。
解決方法：當Pd/Ps>1.31時，取消石墻控制線；按照新的計算書，修改石墻線程序。
3、日常維護和常見故障判斷及處理
3.1 日常維護
丙烯制冷壓縮機的日常維護建議如下：
①日常維護必須按照機組特護有關要求進行巡回檢查，發現防喘振和石墻控制相關測量點有異常情況，及時匯報和處理。
②在未改造引壓管之前，定期對流量表進行引壓管排液處理，排液前要進行風險評估，編制施工方案。
③向工藝人員詢問儀表使用情況，及時把儀表隱患消除在萌芽狀態。
3.2 常見故障判斷及處理
丙烯制冷壓縮機常見故障判斷及處理方式如下：
①機組發生喘振或石墻報警時，先查看各個相關參數的歷史趨勢，檢查入口流量表、入口壓力表和出口壓力表，檢查防喘振/石墻電磁閥及防喘振/石墻閥。同樣，處理前要進行風險評估，編制施工方案。
②防喘振閥/石墻閥誤開時，操作人員要及時按照應急預案，慢慢關閉閥門，以免停車，將損失降低到最小。
③對防喘振/石墻控制相關的儀表進行故障處理前，需要評估風險，編制施工方案；防止再次誤動作，擴大事件損失。
4、結束語
防喘振和石墻控制對保護壓縮機組、壓縮機組穩定運行和裝置安全平穩生產是至關重要的。如何確保其可靠運行，是操作、維護人員最為關注的。提供操作、維護人員的高水平業務能力也是迫在眉睫的。有效地改善現存在的問題，是接下來的重要任務。
作者：陳文勇(福建古雷石化有限公司)
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