低压电气控制在制冷压缩机中的应用及发展趋势 数据 知识 短文 建筑电气
刘宁霞
摘 要：制冷压缩机是制冷系统的核心和心脏，将热量从低温环境排放到高温环境，供工艺生产使用。由于环境温度是经常变化的，故压缩机大部分时间是处于部分负荷状态，易发生喘振。和利時专为压缩机组的控制研发了三重冗余容错控制系统和基于无关坐标系防喘振计算和控制算法，实现机组的安全可靠的控制，并有效避免喘振的发生。
关键词：和利时T880控制系统；制冷压缩机；无关坐标系
中图分类号：TB65 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0160-02
某公司是一个以合成氨生产为龙头，集化肥化工产品为一体的化工企业，公司的产品有合成氨、尿素、三聚氰胺、纯碱、氯化铵等。原尿素装置中的制冷压缩机组采用电机拖动方式，控制系统采用TRICON系统对机组进行控制，并对实时状态进行监测。2015年完成由电机拖动到汽轮机拖动的形式，并将控制系统替换成杭州和利时自动化有限公司的三重冗余容错（TMR）控制系统，即T880控制系统。
1 和利时T880控制系统概况
1.1 架构图
T880系统具有安全、可靠、配置方便、控制周期短等特点，能够最大限度地保证压缩机组在正常生产期间不发生误动作停车，最大程度地提高机组的运行效率。如图1所示，是和利时公司T880控制系统的架构图，这种系统的最大优势是实现保护与控制的相对独立、提高系统安全性，CPU三冗余配置、通道三冗余配置、通讯卡双卡双网冗余，降级运行模式3-2-1-0。根据压缩机控制系统点数特征设计专用控制模板、进行压缩机系统关键回路设计，快速任务与慢速任务在不同的CPU内运行、保证快速任务的实时性，快速回路控制速度快、典型应用控制周期≤20ms，IO采集速度快、数据更新时间≤2ms，通用DCS结构、通讯功能强大、并支持远程IO。
1.2 控制目标
和利时T880控制系统的控制目标包括保证制冷压缩机在安全性高的条件下运行、并能够提供持续的喘振防护，喘振防护功能在保证运行安全的同时尽量不引起工艺的波动、不给生产活动带来能源浪费，最大程度地避免误停机现象的发生，并将机组运行效率最大化。机组控制系统（CCS）必须是整个装置控制系统的一部分，方便实现与DCS和其他控制设备进行通讯等。
2 制冷压缩机的和利时T880控制系统
2.1 硬件配置
硬件主要包括主机笼SGM101、扩展机笼SGM110及专用控制机笼ETM100，控制器SGM206、通讯卡SGM216、AI采集卡SGM416、AO采集卡SGM526、DI采集卡SGM616、DO输出卡SGM716、防喘振控制专用模块ETM281及对应的端子模块等。根据不同的系统规模，配置不同的硬件数量。
2.2 软件配置
软件使用和利时自主研发的压缩机集成软件包V1.2版本，主要通过任务配置、硬件配置、程序创建、变量定义等实现算法的组态。组态简单直观，并且提供反编译功能。
2.3 和利时速度控制器功能
速度控制器的目的是在工艺正常生产时，当汽轮机负荷变化时可以通过控制转速的手段，达到机组动态平衡。当负荷增加时调大汽门的开度，增大汽轮机的进气量，当负荷突然减小时，则要防止甩负荷造成的严重后果。和利时提供的汽轮机速度控制器完全可以在操作员界面上实现启动、升速、暖机、过临界、转速调节控制、串级控制等功能，并提供超速回避保护、电超速跳车、超加速跳车、外部ESD跳车、启动安全故障跳车、调速器失速跳车等安全保护措施。和利时速度控制器的样式如图2所示，通过该种控制器，能够实现精确的转速控制，转速控制能控制在±5RPM，三冗余测速模块具备超速保护功能。
2.4 压缩机性能控制
和利时T880控制系统还能对压缩机性能进行很好的控制。性能控制包括定风量控制，即将风机的送风量作为过程参数，控制汽轮机的转速从而达到满足工艺要求的送风流量。定风压控制，即将风机的排气压力作为过程参数，通过调节汽轮机转速，从而达到满足工艺要求的排风压力。性能控制可以与转速控制串联控制，形成完全的自动化控制。
2.5 和利时压缩机防喘振器功能
喘振是压缩机固有的一种特性，是压缩机与管道耦合后的振荡现象，反映在当压缩机的流量减少到某一数值时，压缩机出现的极为不稳定的工作状态，引起机组的剧烈震动，从而造成叶轮的断裂等。压缩机防喘振控制是要避免压缩机因发生喘振造成严重的设备损坏与停工，避免压缩机因发生喘振对工艺操作造成巨大的扰动。
和利时的防喘振控制算法是基于无关坐标系防喘振计算与控制算法。该控制算法将压缩机的喘振极限线SLL与分子量MW、入口压力Ps、入口温度Ts、入口比热比ks和入口气体压缩因子Zs无关，只与压缩机组内部构造有关。
基于无关坐标系的防喘振控制算法，通过公式计算将压缩机在不同工况下的多组性能曲线换算到无关坐标系中，再依据无关坐标系中的性能曲线获取到机组喘振极限线。为了提前有效地防止压缩机喘振现象发生，在机组喘振极限线的右边通过可调参数设置安全裕量，形成喘振控制线，这样就可以在机组运行点达到喘振极限线之前开始动作，增加压缩机的流量，从而阻止喘振情况发生，保证压缩机的正常运行。为了保证工艺系统的平稳性，在喘振极限线与控制线中间设置快开响应线，如果运行点超过快开响应线，防喘振控制算法将快速小开度打开防喘振控制阀。又在快开响应线与喘振极限线中间设置了安全响应线，即定义一个操作极限，如果运行点超过这个极限，则表明压缩机已经发生喘振，安全响应将增加喘振控制线的裕度，并阶梯大开度地打开防喘振阀，迅速制止喘振，达到安全生产的工艺要求。
压缩机喘振控制器的HMI面板提供三种操作方式：（1）全自动控制：防喘振阀的控制信号完全由预设的程序控制输出。（2）软手动控制：当运行点处在安全区域，防喘振阀的开度由操作者控制，当运行点处在非安全区域时，由系统自行切换到全自动控制模式，此过程中防喘振调节阀按照程序调节，不会一次开到100%，最大程度的保证工艺的稳定性。（3）硬手动控制：防喘振阀的开度完全由操作者控制，所以在正常生产过程中不建议长时间在该控制方式下运行。只有当喘振信号源故障时，切到该控制方式下检修仪表，当故障消除后，应及时切回到全自动控制或者软手动控制方式下。压缩机防喘振控制界面如图3所示，图中机组运行在低负荷状态下，防喘振的控制均在自动状态下。
3 结束语
和利时T880控制系统是完全国产化的，基于无关坐标系的防喘振计算与控制算法，为压缩机的控制带来了较为明显的优化，汽轮机的控制完全在操作员界面上实现，实现了机组控制系统一体化、集成化。该厂的制冷压缩机组自2016年7月投运以来，转速控制可靠，防喘振控制始终运行在自动运行模式下，最大程度地降低了操作者的劳动强度。
参考文献：
[1]范战松.和利时PLC在螺杆式压缩机控制系统中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化，2012，05：73-74.
[2]郑庆伟，陈玲，郑传经，等.OMRON中小型PLC在制冷压缩机试验装置控制系统中的应用[J].制冷与空调（四川），2012，05：467-470.
[3]李志宏，秦悦明.国产压缩机控制系统在甲醇合成气改造中的应用[J].通用机械，2014，05：34-38.
