1、东北大学硕士学位论文 摘要- I -分类号 密级 UDC 学 位 论 文石油化工离心压缩机控制系统的设计与实现作者姓名：指导教师： 教授 东北大学信息科学与工程学院教授级高工 沈鼓集团自控公司申请学位级别： 硕 士 学科类别： 专业学位学科专业名称： 控制工程论文提交日期： 年 10 月 10 日 论文答辩日期： 年 12 月 日学位授予日期： 年 月 答辩委员会席：评阅人：东 北 大 学年 10 月东北大学硕士学位论文 摘要- II -石油化工离心压缩机控制系统设计与实现摘 要离心式压缩机相比于其它压缩机具有很多优点，已经成为当今工业生产中应用最为普遍的压缩机类型。但它也有一些固有的而且是难
2、以消除的缺陷，例如稳定工作区域窄，容易发生喘振等，常有可能因为微小的偏差造成严重事故，而且这些事故的出现往往是迅速猛烈，单靠人工处理更是措手不及。随着计算机控制技术的发展，急需改进离心式压缩机控制手段，提高其控制品质。本论文以某厂离心压缩机控制系统为研究对象，完成了控制系统的架构设计，提出一套离心压缩机综合控制策略，较全面地考虑离心压缩机运行中可能发生的因素，使能源有效利用，改善防喘振品质。使用可变极限流量法，调节转速来保证压缩机的负荷满足工艺上的要求。在系统中附加“阀跳变”和非线性两种控制，其中“阀跳变”能够使控制器在原来输出的基础上阶跃某一开度，非线性控制在防喘振过程中能动态的改变 PI
3、控制器的比例增益和积分时间常数，与以往的控制算法相比，控制器反应更加迅速，能够更快和更有效的防止喘振的发生。在此基础上，开发了基于 Intouch 10.0 软件的压缩机运行监控软件，其中包括测点清单、报警画面、联锁画面、工艺画面、开车画面等，本项目增加首个联锁显示画面，在开车画面中列出盘车逻辑等，对离心压缩机系统的稳定运行起到积极的作用。通过研究，可以看出大型离心压缩机控制系统的发展还有很大的空间，可变极限流量法可能将成为以后防喘振控制的主要算法，对汽轮机的调速等各种联锁停车以及油泵自启等功能预先监测到问题，并提前做好处理，保护机组，保证正常生产。关键词： 防喘振；调速；离心压缩机；可变极限
4、流量东北大学硕士学位论文 Abstract- III -Design and Implementation of Centrifugal Compressor Control System in Oil RefineryAbstractCentrifugal Compressor has many advantages compared with other compressors. It is of small volume but large flow; it has excellent regulation performance and large regulation range o
5、f flowrate; it is also easy for maintenance having less easy worn parts and spare parts. These advantages have made Centrifugal Compressor the most widely used compressor in nowadays industrial production. As key equipment in industry, Centrifugal Compressor has some inherent disadvantages at the sa
6、me time. It has narrow steady workspace and is prone to Surge. It is most happened that minor deviation leads to considerable damage. The accident usually happened in such a quick and violent way that manual handling can not manage at all. With the development of Computer Controlling Technology, it
7、is urgent to improve the control methods of centrifugal Compressor, increase its control character. Architecture design of control system and proposes a comprehensive control strategy modeling on control system of Centrifugal Compressor is presented in the thesis. This new strategy gives overall con
8、sideration to the likely-happening factors during operation, not only makes efficient use of energy recourses, but improving the effect of anti surge. Variant limit flow is adopted to ensure the load of Centrifugal Compressor can meet the requirements by adjusting the speed of turbine. And valve jum
9、p makes output of the controller impulse. Nonlinear control can dynamically change the proportion and integral of PI controller. Compared with traditional method, this control method can more swiftly and efficiently perform anti surge. Operation and monitor process based on INTOUCH 10.0 is developed
10、. It includes List Page, Alarm Page, Trip Page, Technics Page and Start Page. Besides, the first event indicator of trip is added into the process and turning gear motor logic is added to start page. Besides, the first event indicator of trip is added into the process and turning motor logic is adde
11、d to start page. There is still a great potential for the development of the control system of large size Centrifugal Compressor. Since Mobility Limit Flux method has the advantage of 东北大学硕士学位论文 Abstract- IV -monitoring and dealing with problems such as adjusting the speed of turbine, trip and autom
12、atic startup of oil pump, it may become the main method for anti surge in the future. By applying this method, the machine set can be well protected and daily production can be ensured. At last this thesis indicates the research field for further study in the future.Keyword: Anti-surge; Adjusting th
13、e speed of turbine; Centrifugal compressor; Variant limit flow东北大学硕士学位论文 目录- V -目 录独创性声明 .I摘 要 .IIABSTRACT .III第一章 绪 论 .11.1 选题的意义 .11.2 离心压缩机控制系统设计的要点 .11.3 计算机控制系统选择 .31.4 本文的组织形式 .4第二章 离心压缩机的工作原理 .52.1 基本工作原理 .52.2 性能曲线及管网特性 .62.3 离心压缩机的调节 .72.4 离心压缩机的控制和保护 .82.5 小结 .8第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 .93.1 系统功
14、能需求 .93.2 系统设计目标 .103.2.1 性能指标 .103.2.2 功能指标 .113.3 系统硬件总体设计 .123.3.1 TS3000 产品介绍 .123.3.2 系统网络结构 .133.3.3 系统硬件总况 .133.3.3 系统外部 I/O 点数确定 .153.4 系统 PLC 软件设计 .163.4.1 TriStation 1131 介绍 .163.4.2 功能模块简述 .173.5 系统 HMI 软件设计 .193.5.1 Intouch10.0 介绍 .193.5.2 HMI 功能简介 .203.6 系统安全设计 .213.7 小结 .21东北大学硕士学位论文 目
15、录- VI -第四章 离心压缩机防喘振控制器的设计 .234.1 喘振 .234.1.1 喘振现象 .234.1.2 影响喘振的因素 .244.1.3 喘振机理的研究 .274.1.4 喘振预测 .284.2 喘振控制策略 .284.2.1 喘振被动控制方法 .284.2.2 喘振主动控制方法 .304.3 防喘振控制要点 .314.4 防喘振控制器的设计 .334.4.1 离心压缩机工作点及喘振线坐标的建立 .334.4.2 离心压缩机防喘振控制体系的建立 .344.4.3 离心压缩机防喘振控制的三种模式 .384.5 小结 .38第五章 离心压缩机控制系统的具体实现 .395.1 机组功能
16、的具体实现 .395.1.1 机组 ESD 模块功能的实现 .395.1.2 机组防喘振模块的实现 .435.1.3 机组调速模块的实现 .455.1.4 机组干气密封调节模块的实现 .485.1.5 机组 SOE 模块的实现 .495.2 机组 HMI 的具体实现 .505.2.1 机组开车监控 .525.2.2 机组工艺监控 .525.2.3 防喘振监控 .535.2.4 报警、联锁监控 .545.2.5 调速监控 .555.3 上下位机通讯的 DDE 设计及实现 .565.4 小结 .58第六章 离心压缩机控制系统的系统测试 .596.1 系统测试的必要性 .596.2 系统测试的基本方
17、法 .596.3 系统测试的工作流程 .616.3.1 系统测试地点 .616.3.2 系统测试人员 .616.3.3 系统测试过程文档 .61东北大学硕士学位论文 目录- VII -6.4 检测结果 .626.5 小结 .62结 束 语 .63参考文献 .65致 谢 .67东北大学硕士学位论文 第一章 绪论- 1 -第一章 绪 论 1.1 选题的意义离心压缩机是冶金、石油化工、天然气输送、制冷以及动力等工业部门广泛使用的大型关键设备，是一个复杂的机、电、油、气等综合系统，结构与工作原理比较复杂，它的原动机有蒸汽离心、电机、蒸汽轮机或能量回收离心。习惯上，把离心压缩机和原动机的组合体称为离心压
18、缩机组。现在很多流体的装置都采用了离心式压缩机，如合成氨装置的合成气、循环气，转化装置的天然气和工艺气，尿素装置的二氧化碳气体以及炼油厂的催化、重整等装置。由于经济条件限制等原因，这些机组大都是单机运行，没有备用机组，因此确保这些相当于装置 “心脏”的机组安全稳定运行，就是控制系统必须解决的问题。此课题来源于我公司为大连福佳大化石油化工有限公司设计并开发的大型离心压缩机控制系统。福佳大化芳烃项目是在国家实施振兴东北老工业基地的战略背景下建设的大型现代化芳烃联合装置，该项目的兴建，延伸了大连石化产业园区从炼油到 PX，到 PTA 的石化“黄金产业链” ，填补了大连石化工业只有“油头”没有“化尾”
19、的空白。压缩机作为炼油厂中装置的动力系统，是相当重要的核心部件。它的故障来源既有结构性的也有参数性的，导致系统具有强耦合性、时变性及非线性等。所以要极高重视离心压缩机保护和调节系统的开发，此系统的开发成功对以后顺利投产以及安全运行将起到很大的支持作用，也将为今后开发同类产品起到理论指导作用，并且节约了开发时间，提高了科技含量及经济效益。1.2 离心压缩机控制系统设计的要点离心压缩机的基本控制要求是在保证安全平稳运转的前提下充分利用其允许的工作区，让机组工作在工艺要求的压力和流量变化范围内，工况稳定可靠，操作方便，自动化程度高。离心压缩机的工作状态尽可能地对操作人员透明，便于分析和操作，有较长的
20、历史趋势可查，当联锁停车时，可能会由于一个轴温高停车，机组收到联锁停车后会打开放空阀，卸去大部负荷，这时可能会出现其它点，如轴位移过大等联锁反应，为方便查询故障原因，应加入报首次联锁条件以及 SOE 功能等。伴随微电子和信息技术的发展，国内外有关厂家和学东北大学硕士学位论文 第一章 绪论- 2 -者已将电子器件的信息处理和控制功能揉和到机械装置中，应用机械电子、信息等相关技术，使装置的功能水平和自动化程度大大提高，使产品一般具有自动控制、自动补偿、自动校验、自选量程、自动调节、自诊断、自恢复等各种功能 1。但是值得指出的是，目前国内仍有很多企业的压缩机控制系统以经典控制理论为基础，采用模拟调节
21、器，对其运行中的有关参数(如排气量、排气压力、排气温度等)分别作必要的调节，构成单回路的并联控制系统。控制件也多为机械式的双位或比例调节器以及一些保护继电器。这种控制系统模式虽然能对参数进行一定的调节，以保证装置正常安全运行，实现必要的工艺要求，但调节器难以适应大的负荷变化和工况变化，更顾及不到机组总体最佳的节能运行，因此升级改造势在必行。近年来发展起来的模糊控制及神经元网络技术，为压缩机的智能控制奠定了基础。模糊控制技术不需要确切地了解对象的数学模型，而是用语言来描述受控系统的模型，从而充分利用有经验的优秀操作者对过程细微的、独特的认识，在复杂的条件下提供适当的输出。而神经元网络技术是一个由
22、大量简单处理单元连接组成的人工网络，用来模拟大脑神经系统的结构和功能，可用于压缩机的负荷预测、系统分析和控制，以及某些多变量函数最优值的求取等方面，成为压缩机理想的控制技术 2。综上所述，总结离心压缩机组控制系统的设计要点如下：（1）控制系统硬件平台的选择。单片机小巧、灵活、成本低、易于产品化、能方便组装各种智能控制设备和仪器；可编程控制器 PLC 体积小、可靠性强、技术成熟，特别是它的抗干扰能力强，适合压缩机运行的恶劣环境，可实现故障自诊断和智能控制；集散控制系统 DCS 合理地吸收了仪表控制系统和计算机控制系统的长处，构成横向分散、纵向分层的体系结构，实现了信息操作管理集中化而控制分散化的
23、目的，特别是数据通讯网络技术的应用，将各分散装置有机地结合在一起，使整个系统的信息沟通起来更加方便 3。上述三种选择各有特点，这就要求我们必须依据工业现场的实际运行条件，以及用户对系统未来的可扩展性、可维护性的要求程度，还有用户当前的经济状况等等，进行严密的方案论证并最终选择一个切实可行的硬件平台作为依托。（2）软件开发平台的选择。很多国外进口的压缩机组，供货商都会一并提供配套的控制系统，针对性比较强，控制效果比较理想。也可以购买第三方厂东北大学硕士学位论文 第一章 绪论- 3 -家的通用工控组态软件来直接进行上位机监控系统的开发，这样可以缩短开发周期，但无疑增加了成本。还可以选择自行设计开发专用于离心压缩机组控制的软件平台，这需要开发人员对压缩机组的特性有比较好的了解，需要较长的开发时间，但是适当降低了成本。（3）控制策略的选择。离心压缩机组工艺流程回路复杂，需要监控的参数众多，涉及到水路、油路、气路的压力、温度和流量控制，以及机组的调速控制、防喘振控制，机组振动和温度监控，甚至包括同步驱动电机、蒸汽轮机和变频调速控制等等 4。对于这些需要进行控制的对象和回路，我们是选择传统的 PID 控制技术，还是应用近些年来蓬勃发展的智能控制技术，或者是将两者相结合即采用先进 PID 控制技术，是
