空压机的DCS控制资料

空气透平压缩机在DCS自动控制中的应用和操作
吴建平王键
（江苏沙钢集团制氧项目办，江苏张家港市锦丰镇，215625）
摘要：本文详细介绍了沙钢21000Nm3/h空分装置空气透平压缩机自动控制的原理、逻辑联锁，以及改用CENTUM CS3000控制的组态设计和操作方法。

关键词：空气透平压缩机；集散控制系统；防喘振控制；压力控制；启动、加载、卸载以及事故联锁；软件组态；
作者简介：
吴建平（1965-）：男，工程师，现任江苏沙钢集团氧气厂副厂长，项目办副主任，主管制氧项目仪电条线工作。

先后负责筹建了六套21000Nm3/h制氧机组。

王健（1976-）：男，工程师，主任协理，1999年毕业于上海理工大学，现从事制氧项目的工艺和仪表条线工作。

一、前言
沙钢集团650万吨热卷板工程配套6套21000Nm3/h无氢制氩工艺流程的空分装置，主体设备为杭氧生产。

空压机采用美国Cooper公司3MSG--25/10型三级压缩的空气透平压缩机,配套ABB公司9800KW电机，软启动器为HTR—10000S柜式高压热变电阻。

目前五套制氧机已经投产、第六套在建。

其中第一、二套空压机的控制系统采用原厂专用QUAD2000控制器（单片机），后由于空压机控制器及其电源问题频繁停车就决定后四套装置改用DCS系统（Yokogawa Centum CS3000）控制，沙钢自行组态设计，从三台已投用空压机的使用情况来看完全能达到原厂控制器的相同效果。

二、空压机改用DCS控制的方案和过程
1、开停车的控制方案
我们将空压机的压力、温度、振动、位移、电流等模拟量直接接入DCS，DCS到电控的开关量信号通过机旁PLC执行控制。

并可实现“电控”现场开停车或远程“DCS”全自动开停车功能。

空压机的控制要求压缩机在空分工艺要求的压力、流量变
化范围内安全运行，实现机组的启动、加载、卸载、故障联锁停车等一系列自动控制功能。

核心内容是DCS系统根据出口压力和电机电流的测量值通过多个控制模块调节入口导叶阀IGV 和防喘振放空阀BOV（快速气动阀）两者的开度，使两阀协调动作保证出口压力稳定、工况远离喘振区（详见图1）。

V3002放空阀（带电磁阀、气动放大器）仅作为BOV阀的补充和空冷系统压力低联锁放空使用，不参与核心控制。

入口导叶阀IGV 和防喘振放空阀BOV均设有自动“AUTO”和手动“MAN”两种操作位置，以便于人为干预操作。

手动时分别为手操器MIGV和MBOV。

BOV（防喘振放空阀）：气闭式、4-20mADC（0-100%）；
IIC3200 ：电机过载保护模块；PIC3009：出口压力控制模块；
FIC3200：防喘振控制模块；PIC3011：压力帽控制模块；
MBOV：防喘振阀手操器；MIGV：入口导叶手操器；
HC3001：V3001送气阀手操器；PIC3002：V3002放空阀控制模块。

图1 空压机气路控制图
2、空压机的控制原理（图2）
2.1 恒压控制
空分装置的工艺要求空压机的出口压力尽可能恒定（设计值为0.52Mpa表压）,这是整个装置的最基本的控制要求。

空压机出口压力由恒压控制器PICS3009调节（设定值SV为系统实际所需压力值），控制对象为入口导叶IGV。

2.2电机过载保护控制
当空分装置后系统压力持续低于空压机出口压力设定值（例如设备大气量进行加温吹扫时），恒压控制器将控制入口导叶持续开大直至全开，此时拖动电机有可能过载。

为了防止电机过载，引入电机过载保护控制器IIC3200（设定值SV为电机额定电流）调节导叶开度。

当电机电流超过额定值时，电机过载保护控制器与恒压控制器进行低选，限定入口导叶的开度，保护电机不过载。

当然开车过程中也可以通过调整IIC3200控制器的电流设定值来限定入口导叶的开度达到变负荷、低负荷工况操作的目的。

注：KIY3001A：加载速率限定模块；KIY3001B：卸载速率限定模块；
KPY3009 ：防喘振曲线计算模块；KPY3011：压力帽计算模块；
AS1、AS2、AS3：低值选择器；FOUT：分配器。

图2空压机控制原理图
2.3防喘振控制（流量控制）
透平空压机运行过程中始终存在压力和流量匹配的问题（具体表现为压力和电机电流），特别是出现高压力小流量的情况极可能导致压缩机发生喘振，严重时损坏机组（引起高压力小流量的原因主要有操作不当或后系统故障引起的气量骤减等情况）。

因此防喘振控制是非常重要的，目的是使压缩机始终工作在限定的范围内，而不进入喘振区，以确保机组的的安全运行。

防喘振控制的对象是放空阀BOV。

当空压机工作点靠近喘振区时提前打开放空阀增大流量使工作点远离喘振区。

PIC3009
图3 防喘振控制曲线图
压缩机发生喘振时每个压力对应一个最小电流值，压力与最小电流值呈线性关系构成喘振曲线（详见图3）。

喘振线需在现场试车过程中实测出来（通常测得3个喘振点，选择最合适的2点）。

由于喘振发生得非常快，所以在喘振线右侧设定一条防喘振控制曲线调节放空阀提前打开，与喘振线相距5∽8%的流量值（不取电流量程，否则能损大）。

此偏移量越小，放空阀打开的机会就越少，能量损失越少，但也越容易受阀门响应影响进入喘振线以内；该量越大，放空阀打开的机会就越大，能量损失越大，但越能保证机组的安全。

该偏移量值的选择很关键，需在开车过程中试验摸索。

计算方法如下：Y轴对应压力；X轴对应电流。

喘振线方程式：Y=aX+b，将测得的2点喘振值代入方程式，求出a和b 的值就能确立喘振线。

防喘振控制曲线方程式：X′=(1+C)*(Y-b)/a，C取8%。

控制原理图2中，KPY3009和FIC3200两控制器串级后构成防喘振功能，KPY3009控制器根据喘振曲线和防喘振控制曲线方程式计算出相应电流，FIC3200控制器调节放空阀开度，其设定值SV为控制曲线电流，随空压机出口压力变化而变化。

机组工作点一旦达到喘振线，防喘振阀将快速全开卸压（MBOV 转手动），想升压时MBOV打自动位置。

2.4 压力帽控制
对于恒压控制的压缩机，单靠入口导叶的调整还不足以确保出口压力稳定在设计值，当压力继续升高并达到某一值时，压力帽控制器开始起作用打开放空阀，与防喘振控制器低选，保护出口压力不再升高。

压力帽控制器实际上还起到预开放空阀的作用。

2.5启动联锁逻辑
在相关工艺和机械条件全部满足后，按“复位”键程序初始化：
（1）所有报警、联锁信息复位。

（2）入口导叶阀IGV处于手动全关状态，BOV阀处于手动全开状态。

（3）加载限定器处于手动0位，卸载限定器处于手动0位。

同时开空压机前电控、仪控正常保证DCS NR=1（即无报警）、TRIP=0（即无联锁）、STOP CP=1(即无停车事故，压缩机启动逻辑条件满足)才可正常开车。

从流程画面调用STOPCP位号，只有当STOPCP=1时，可立即开车，按“启动”键。

在启动联锁程序中原设计测振仪的振动联锁倍增功能，但实际上起动过程中测振仪经常超量程引起停车联锁，所以在启动程序中设计了“振动联锁”“振动复位”开关，启动前振动联锁开关解除。

空压机启动成功后10秒IGV阀位置于10%，空压机低负荷运转。

此时按“振动复位”键将振动联锁信息初始化，然后按“振动联锁”键将振动、位移事故联锁程序投用，当然此过程也可设计成程序控制完成。

2.6加载控制
空压机电机启动50秒后才可以加载，计时时间一到流程图有操作信息弹出提示。

操作人员根据情况可选择自动加载和手动加载方式。

自动加载过程：操作工选择自动加载方式时，先将恒压控制器PIC3009、手操器MIGV和MBOV均打自动位置，然后按“加载”键进入加载程序。

此时加载速率限定器KIY3001A开始起作用（在35秒内MIGV开度从10%慢慢升至100%，同时MBOV开度从0%升至100%），与PIC3009、IIC3200控制器低选后调节入口导叶慢慢打开，与FIC3200、PIC3011控制器低选后调节防喘振阀慢慢关闭，详见控制原理图2。

此时操作工在防喘振曲线流程图上可以实时监视压缩机的工作点，工作点在控制线右侧向上向右移动。

手动加载过程：操作工选择手动加载方式后，入口导叶手操器MIGV和防喘振阀手操器MBOV均打手动位置，慢慢打开入口导叶的同时慢慢关闭防喘振阀，两阀协调操作，保证机组出口压力稳定上升，远离喘振区。

加载结束后两手操器置于自动位置。

2.7卸载控制
卸载时按流程图画面上的“卸载”键：（１）手操器MBOV 自动转手动，BOV阀位从当前值一下子降到０％快速全开；（2）卸载速率限定器KIY3001B开始起作用，同时手操器MIGV转手动位置，限定IGV阀位在10秒内从当前值降到１０％，空
压机小负荷运转。

此时如需加载，两手操器需转自动位置，然后按“加载”键空压机自动加载。

如需停车按“停车”键。

2.8 停车联锁逻辑
当机组出现任何一个重要的工艺参数（比如振动、轴瓦温度等）高高报或机组故障时，将紧急停车，以确保机组的安全。

停车逻辑是电机停车，BOV阀快速全打开，IGV阀关至10%。

计划停车过程：操作工按“停车”键，机组先卸载慢关入口导叶到10%，防喘振阀快速全开，压缩机卸载至小负荷，然后停主电机，停车过程结束。

故障联锁停车分为两种情况：（1）由于停车联锁条件满足（TRIP=1）而引起的停车过程，停压缩机，防喘振阀快速全开，入口导叶慢关至10%；（2）在中控室紧急按钮台按下紧急按钮，电控直接停车（不经过电控PLC），防喘振阀快速全开，入口导叶慢关至10%。

故障停车处理后再起动时，必须经人工复位初始化。

2.9辅助油泵联锁逻辑
电机未启动或油压PIAS3104＜110Kpa辅助油泵启动；当电机启动50秒后并且油压PIAS3104＞190Kpa时辅助油泵停机。

2.10油箱加热器联锁
当辅助油泵运转并且供油温度TIAS3105＜30℃时油箱加热器投运；供油温度TIAS3105＞40℃或者空压机启动时油箱加热器停机。

三、组态设计
Centum CS300集散控制系统具有强大的数据采集、过程控制、逻辑控制、顺序控制等功能，采用Windows2000操作系统界面友善（这也是改用DCS的原因），所以设计控制方案时尽量对操作人员开放以便于监视和操作。

3.1流程图设计5个画面窗口，图中设计设备运转、停运的色变（运转时变红色、停运时变绿色），伴随信息报警提示操作人员。

（1）空压机气路控制图：图中有参与控制IGV、BOV两阀的主要PID控制器，同时在位号下标示PID控制器的输出值
MV，并将“启动、加载、卸载、停车、复位、振动复位、振动联锁”等按键置于图上。

（2）空压机机械监控图：此图主要有振动、位移、轴承温度位号以及油录系统。

（3）空压机启动条件图：图中将所有空压机启动条件以表格形式列出以供操作工随时查看，各位号设计色变功能，条件满足信息报警提示。

（4）事故停车记录图：图中将所有引起事故停车的参数以及高限值以表格形式列出，有色变功能。

事故停车时记录下第一停车联锁事件，并以红色标点标出。

“复位”后消失。

（5）防喘振控制曲线图：操作工可以在图中查看空压机的工作点位置，及时调整各项控制器的设定值维持工况稳定。

3.2历史趋势图窗口设计实时趋势、历史长趋势两种形式：
振动、位移、压力和电流PID控制器的PV、MV值等测点采用1
秒钟扫描周期，作为实时趋势主要用于查看启动过程中的振动值的最大值以及变化趋势。

轴承温度等测点采用1分钟扫描周期，作为长时间查看使用。

3.3各个位号通过设定操作级别、操作确认防止误操作。

其中压力控制器、手操器、按键等设定为班长级可读可写；涉及到串级功能的、所有数字量输出DO点设定为工程师级只可读不可写。

3.4程序组态设计采用Yokogawa公司特有的顺控表和逻辑图相结合的方法减少编写难度，同时阅读直观易于修改。

四、操作步骤
4.1开车过程
当空压机经过原始开车性能测试后，得到各压力状况下的喘振点，
计算出防喘振控制曲线，并且对各仪表测点的报警联锁值核对确认，启动、加载、卸载、事故停车等程序测试确认准确后，就具备全自动开车条件，空压机可以投入正常生产。

当然空压机开车还应遵守以下开车顺序：
（1）开车准备：应先通冷却水、仪表气源，检查入口导叶阀、
防喘振放空阀等动作准确性，现场仪表、仪控、电控系统等保证正常，机械设备正常；机旁电控柜上，将各类选择转换开关置于自动位置，进行仪控自动运行，软启动器接于主回路上，开排烟风机。

此时辅助油泵和油箱加热器等受DCS自动控制，及时查看供油压力、供油温度。

（2）开空压机之前按“复位”键初始化，“振动联锁”开关置于“OFF”位置。

（3）按“启动”键，空压机运转正常后，先按“振动复位”键，然后将“振动联锁”置于“ON”位置。

（4）电机启动５０秒后，加载信息提示后，压力控制器PIC3009、手操器MIGV、MBOV转自动位置，按“加载”键。

4.2停车过程
（1）正常停车：按“停车”键。

（2）事故停车：全自动过程，DCS控制电机停车，卸载步序。

（3）紧急停车：中控室按钮台按下紧急按钮，电机直接停车，卸载步序。

五、结束语
沙钢空分装置空压机改用CENTUM CS3000自动控制后，运转正常，此类控制程序可推广到空分装置中的透平增压膨胀机、透平氧压机、透平氮压机的自动控制。