丙烯压缩机变频调速控制方案设计与实现

丙烯压缩机变频调速控制方案设计与实
现
沈阳鼓风机集团自动控制系统工程有限公司沈阳 110869中文摘要:丙烯压
缩机需要根据上下游工艺需求改变机组转速来调整工况，是烯烃装置中的核心设备。

本文以宁波利万聚酯材料有限公司160万吨年芳烃装置项目丙烯压缩机变频调速控制为背景，对丙烯压缩机的特殊工艺需求进行了深入研究，设计了一套完善的变频调速控制方案，具备上切工频的节能功能，同时配机组控制系统设置了压力串级控制，简化了机组调速的操作难度，提高了机组运行的稳定性。

关键词：丙烯压缩机；变频调速；上切工频；串级控制
在经济飞速发展的21世纪，低碳烯烃（乙烯、丙烯等）是我国石油化工行
业最重要的产品之一，是塑料、合成树脂、纤维、橡胶等大宗重要合成材料的基
础原料。

为适应市场的竞争，国内化工龙头企业开始合资建设大型乙烯装置和芳
烃装置，丙烯压缩机作为工艺流程中的核心设备，其调速控制方案直接决定了安
全生产和产品质量，因此受到了大家的重视。

2000年前国内大型高压变频调速技
术刚刚起步，液力耦合器的调速方案又受限于可以调速但无法节能，丙烯压缩机
大多选用汽轮机驱动作为调速的解决方案。

2008年以后，随着进口变频器如SIEMENS、ABB、TMEIC等厂家进入中国市场，国内变频调速技术得到了迅速的提高，越来越多的压缩机驱动方案选择了10kV、6kV的高压变频电机配套大型高压
变频器。

电驱方案的优势在于脱离了汽轮机驱动方案从而无需考虑蒸汽来源问题，减少了项目初期的投资，同时通过变频器调速能够达到节能环保的作用，受到越
来越多业主青睐。

本文以宁波利万聚酯材料有限公司160 万吨年芳烃装置项目为研究背景，选
用沈鼓自主研发设计的3MCL1106丙烯压缩机。

丙烯装置的压缩机气路循环都是
闭路，通常在每段装有防喘阀门，如果有段间抽出气，会增加石墙阀防止流量过大。

其系统组成见图1。

图1丙烯压缩机系统示意图
丙烯机组由于设备故障或工艺需求紧急停机时，所有防喘阀门和一个石墙阀
全部打开，介质从一、二、四段分别泄放，保证机组出口压力达到压力的平衡。

因为丙烯制冷单元是一个闭路循环系统，所以每段进出口的压力会互相影响。

以
丙烯机的四段防喘振控制为例，在机组紧急停机的初期，介质从四段出口处通过
防喘阀门向四段罐进行泄压，同时也在向机组的一、二段进行泄压。

在机组四段
防喘阀门前后压力平衡后，由于四段的防喘阀门阀前压力逐渐下降，一、二段罐
的压力更低，所以制冷单元的四段罐内部的介质会经过防喘阀门向一、二段罐进
行泄压。

从上述情况可以看出丙烯机组的各段进出口压力互相影响，每次波动后
会逐渐达到压力的平衡，也造成丙烯机组制冷系统的动态平衡控制过程十分复杂。

因此丙烯压缩机的调速功能对于维持工况平衡至关重要。

良好可靠的调速方
案能够保证丙烯机组的稳定运行从而保证上下游工艺的安全生产。

在驱动方案设
计中需要着重考虑操作人员的多地控制，调速与压力的串级控制，同时还要兼顾
系统调速和上切工频状态节能的技术要求。

本项目的变频调速方案设置了高压配电间、现场就地操作柱和远程中控室三
种操作模式，整体电驱方案如图2所示。

在机组的整套高低压电控现场设备中专
门设置一个用于主电机启停操作的操作柱。

该操作柱具备就地起动主电机、就地
停止主电机、紧急停机的功能，同时可以向操作人员反馈主电机运行电流和允许
启动的信号。

操作柱分为远程和就地两个档位，当切换到就地档位时，操作人员
可以在现场主电机旁进行丙烯机组的启动，当机组转速达到运行区下限时，机组
停止升速。

同时在现场收到工艺人员的停机指示时，可以通过手动停机甚至在紧
急情况下使用急停按钮。

当切换到远程档位时，操作人员可在高压配电间或者远程中控室进行机组启停操作。

当丙烯机组处于远程控制时，变频器进线柜接收变频器就绪信号和中控室机组控制系统给出的工艺允许启机信号，在确认主电机空间加热器处于停状态后，将允许启动信号送至机组控制系统。

机组控制系统先合闸变频进线柜真空断路器QF1，然后向变频器发出启动指令，变频器根据预先设定好的速率进行升速直至机组转速到达运行工况下限，机组停止升速。

如工艺要求丙烯机组长时间运行在额定工况下，则由机组控制系统远程合闸工频旁路柜真空断路器QF3，此时机组驱动电机由两路电源同时供应。

在变频器经过程序检测后自动切换，此时断开变频器输出柜真空断路器QF2，将变频器输出切除。

需要注意的是，如果变频器发生故障时，并不能保证能够正常上切至工频运行，因此上切至工频电网的主要意义是为了节能和变频器本体的定期维护。

丙烯压缩机电驱系统如图2所示。

在电机保护方面，工频旁路柜中需要设置差动保护，保证电机安全运行，变频器进线柜中无需配置差动保护。

因为目前2000kW以上的电机需配置差动保护作为电机的主保护，此要求的前提条件是电机直接工频50Hz运行。

采用变频控制后如继续使用差动保护系统，系统会误动作影响变频系统正常运行。

差动保护前提是要求输入侧和电机侧互感器同频率、同相位工作，保证二者可进行差动比较，但采用变频器控制，由于变频中间直流环节的隔离，输出相位与工频电网不一定一致（频率是按需求速度变化的），将导致微机保护差动保护误动作。

如将差动安装于变频输出侧，同样存在问题：因为互感器工作频率是按工频设计的，变频器调节后如偏离工频频率较高时，互感器也将无法正常工作并可能导致其损坏，差动系统也无法进行工作。

图2丙烯压缩机电驱系统图
在丙烯机组的调速控制方案中，不能直接测量出下
游工艺对流量的需要量，但是后续工段的流量需求变化
会导致机组出口的压力随之变大或变小，所以丙烯机组的调速控制通常利用出口
压力来控制下游工艺段的参数。

丙烯机组闭环控制可以满足在大多数情况的工艺
生产的需求，但是对于调节对象在动态下的调节效果并不理想，由于实际生产中
工艺对调节效果稳定性和安全性有很高的指标；由于丙烯机组对于装置的生产特
别重要，所以单回路PID逻辑不能满足实际的控制需要。

这里需要在单回路PID
的基础上，通过增加逻辑和优化，重新创造出复杂的串级PID控制。

丙烯压缩机的变频转速控制实际上就是串级PID调速控制。

在安全生产中操
作人员可以手动设定机组转速同时利用入口压力来控制转速，如图3所示。

手动
设定机组转速后，控制系统会根据速率再产生一个目标转速，作为SP值的是目
标转速， PV值是实测转速，两者一直通过转速PID比较，实时得到一个输出CV
值来决定变频器的转速给定，这套控制方案中，转速控制PID不再考虑压力和流
量的动态变化，只负责机组转速；通过大量的现场实践得出，丙烯机组通过入口
压力来调节转速是最理想的调速控制，串级控制器的控制原理是把机组出口压力
信号与内部的设定值进行比较输出，得到一个转速设定值，通过变频器调节机组
转速，直至压力流量达到需要的设定值。

图3电机驱动丙烯压缩机的
串级调速控制
本文介绍的丙烯压缩机变频调速控制从烯烃装置的工艺技术要求出发，设计
了一套可以变频调速可以工频运行的完善方案。

通过机组控制系统配合变频器设
置了压力串级控制，优化了丙烯机组的工艺控制，给操作人员带来了巨大的便利，同时为化工企业带来了较高的经济效益。

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作者简介: 陈思诗（1988-），女，沈阳鼓风机集团自动控制系统工程有限公司，中级工程师，从事压缩机控制系统开发研究工作。