煤制天然气丙烯压缩机防喘振控制的实现

赵志伟

(内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司仪控分厂，内蒙古 赤峰 025350)

内蒙古大唐国际克旗煤制天然气项目有两套丙烯压缩制冷装置,两套装置独立且完全相同。每套装置为对应的一套低温甲醇洗工序提供-40℃和0℃两个级别的冷量。丙烯压缩制冷一期两个系列采用杭州汽轮机股份有限公司型号为HNK40/56/20的汽轮机，高进气参数或正常进气参数、全凝气式汽轮机。额定功率为14 500kW，转速为4 600r/min，进气压力为8.4MPa，温度为515℃，流量为57.96t/h；正常功率为11 988kW，转速为4 560r/min，进气压力为8.2MPa，温度为505℃,流量为46.9t/h；排气压力为0.02MPa，排气温度为60.1℃。另外，还采用日立公司的型号为3MCH1006丙烯压缩机，中间补气、水平剖分、叶轮直径为100cm、六级压缩、功率为13 183kW。通过丙烯压缩机将低温甲醇洗两个冷量级的丙烯蒸发器送来的气相丙烯压缩、冷凝，变成液相丙烯后，再返回丙烯蒸发器循环使用。机组投入运行后，TRICON系统将根据压缩机入口流量、入口压力、出口压力和相应的温度，利用TRICONEX独特的防喘振技术来判断是否发生喘振。如果发生喘振，则由防喘振控制器的输出值调节防喘振控制阀。

1 工艺原理①

冰机制冷是利用高压液体在低压下蒸发，在等温条件下从外界吸收热量，利用液体气化的相变热吸收热量，来达到制冷的目的。蒸发器内的液体吸热后蒸发变成气体，回到压缩机入口，经压缩机压缩到较高的压力后再进行冷却、冷凝变成液体，然后高压液体再通过节流装置进入低压装置进行吸热、蒸发。周而复始，就达到了循环制冷的目的。

2 生产过程

煤制天然气丙烯压缩制冷装置的主流程如图1所示。其中与喘振相关的主要设备有一段防喘阀552-FY011和二段防喘阀552-FY012，两个防喘振阀的主要作用是当压缩机一段和二段流量降到安全下限时，自动打开阀，增大经过压缩机的流量，防止操作点进入喘振区。丙烯分离器Ⅰ(552-F001)接收来自低温甲醇洗-40℃级蒸发器送来的气态丙烯，压力0.02MPa，流量183 007kg/h，分离液体后的气体进入压缩机一段入口进行压缩。丙烯分离器Ⅱ(552-F002)接收来自低温甲醇洗0℃级蒸发器送来的气态丙烯，压力0.45MPa，流量80 443kg/h，分离液体后从压缩机二段补气口进入压缩机，与压缩机一段进气压缩的气体混合后继续压缩到1.8MPa、99.3℃。与防喘振控制的实现相关的仪表测点包括一段入口压力测点PI552CP121、一段入口温度测点TI552CT121、一段入口流量测点FI552CF121、二段补气口压力测点PI552CP123、二段补气口温度测点TI552CT123、二段补气口流量测点FI552CF123、出口压力PI552CP125。

图1 丙烯压缩制冷装置主流程

3 丙烯压缩机防喘振控制系统的实现

3.1 控制系统简介

本系统应用TRICON TMR控制系统，它拥有高安全性和高可用性，通过三重模件冗余结构(TMR)提供容错能力。该系统由3个完全相同的系统通道组成。丙烯压缩制冷单系列机组采用一个主机架、两个扩展机架、一个远程机架、3冗余结构CPU模块和I/O总线、双冗余结构电源、261点I/O。

3.2 丙烯压缩机的防喘振控制说明

以往的压缩机防喘振控制方案大致可以分为固定极限流量和可变极限流量两类。但到目前为止，对于不同摩尔质量、温度和压力的压缩气体，还没有一种可行且固定的方法来有效、精确地测量、计算压缩机的喘振线。克旗煤制天然气项目丙烯压缩制冷系统是通过建立一个较大的额外安全空间，来保证机组在可以预料的最佳工作状况下的安全。

丙烯制冷压缩机采用两路防喘振控制系统：第一路在压缩机一段入口，设置552-FY011进行防喘振调节保护；第二路在压缩机二段入口，设置552-FY012进行防喘振调节保护。当机组在非满负荷情况下运行时，压缩机出口阀前有部分高温、高压气体经过防喘阀552-FY011和552-FY012分别引回到丙烯分离器Ⅰ(552-F001)和丙烯分离器Ⅱ(552-F002)内，作为防喘振回流补充气体。当机组在满负荷情况下运行时，如发生入口流量减小、出口压力升高及转速波动大等情况，操作点进入喘振区时，可以通过3种方式(全自动、自动、手动)开喘振阀，出口气体分别回流到丙烯分离器Ⅰ和丙烯分离器Ⅱ内，控制压缩机进口气的温度、压力及流量等符合工艺要求，确保机组在工作区域内稳定运行。

丙烯压缩机的防喘振控制系统的基本原理如图2所示。

图2 丙烯压缩机防喘振系统的基本原理

因为压缩机内部特定的压力数据，以下3个压力值相等：pd1=pss=ps2。压缩机一段出口混合温度为：

Td1=(Ts1+373.15)(pd1/ps1)0.174

(1)

其中，0.174为sigma常数，是计算Td1的一个因素。

压缩机一段入口质量流量补偿计算包含一段实际压力和温度，公式为：

(2)

压缩机二段入口内部混合温度为：

Ts2=(G1Td1+GssTs2)/(G1+Gss)

(3)

压缩机二段入口内部质量流量补偿计算公式为：

(4)

Qd1=Gss[847.82(Td1+273.15)]/(42ps2·

1.033/87.2×10000)

(5)

(6)

式中G1——压缩机一段入口流量计所测差压，kPa；

Gss——压缩机二段入口流量计所测差压，kPa；

pd1——一段出口压力，kPa；

ps1——一段入口压力，kPa；

ps2——二段入口混合压力，kPa；

pss——二段入口压力，kPa；

Td1——一段出口混合温度，℃；

Ts1——一段入口温度，℃；

Ts2——二段入口混合温度，℃；

Tss——二段入口温度，℃；

Qd1——一段出口质量流量，kg/h；

Qs1——压缩机一段入口流量计所测差压，kPa；

Qs2——二段入口混合质量流量，kg/h；

Qss——压缩机二段入口流量计所测差压，kPa；

3.3 丙烯压缩机喘振作图的方法

丙烯压缩机的喘振点可由压比(pd/ps)及入口流量表测出的入口流量计算得出。入口流量的测量值与pd、ps、Td及Ts等可用来计算等价流量值h(该孔板可视为位于压缩机的入口)，进而作出喘振预测。一般来说，防喘振控制是操作点接近喘振线时生效，克旗煤制天然气项目丙烯压缩制冷系统是从喘振线开始增加一个+6%的安全裕度，绘制一条控制线，当操作点进入控制线以内会开启防喘振阀(图3)。

图3 丙烯压缩机防喘振示意图

喘振线计算方法如下：

(7)

式中pd——压缩机出口气体绝对压力；

ps——压缩机入口气体绝对压力。

(8)

式中 MFLOW——入口补偿质量流量；

MFLOW_max——最大质量流量；

ps——入口压力；

psb——设计基准大气压，psb=105kPa(A)；

Ts——入口温度；

Tsb——设计基准温度，Tsb=-35℃。

在不同的转速条件下，不同的出、入口压力、温度和流量，日立压缩机在出厂前经实验计算出6个喘振点，5段直线连接绘制成喘振线，将6个喘振点输入到喘振函数模块中，设置好参数后自动生成防喘振线，而控制线是从喘振线开始+6%，所以也能够自动得到控制线。如果系统检测到工作点越过喘振线，表示喘振已发生，喘振控制线将被自动调节到右方，加大安全裕度2%。图4、5分别为丙烯压缩机一段、二段防喘振线图和计算列表。

图4 丙烯压缩机一段防喘振线图和计算列表

图5 丙烯压缩机二段防喘振线图和计算列表

4 结束语

压缩机防喘振控制是通过跟踪防喘振控制线来完成的，在压缩机正常运行时，利用防喘振控制器来保证系统稳定。当流量波动大时，PID控制、给定值迁移及超驰控制等算法来快速打开防喘振阀(控制器的防喘振控制过程是非常迅速的，它的一个处理周期大约为55ms)，从而避免喘振的发生。实际运行证明：防喘振控制工作稳定，性能可靠，压缩机调试维护非常方便，保证了机组长期安全稳定的运行。