【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)測試的必要性及基本方法 ...................................................................... 61 系統(tǒng)測試結(jié)果及 FAT 報告 ............................................................................. 62 本章小結(jié) ................................................................................................................... 62 第 6 章 結(jié)論與展望 ................................................................................................................ 64 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 66 作者在攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果 .................................................................................. 68 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 VII 致 謝 ...................................................................................................................................... 70 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒 論 透平 壓縮機(jī)組在 工業(yè) 裝置中的作用 在我國，工業(yè)是能源消耗的大戶， 近年來原油、原煤、天然氣等能源消耗量位居世界前列，特別是石油年消耗量已超過 4 億噸，對外依存度超過 50%，我國的煉油廠擔(dān)負(fù)著越來越重要的能源加工生產(chǎn)任務(wù)。隨著國際市場油價不斷上漲，更突顯了石油行業(yè)的重要，如何更合理的利用石油資源，充分地對 石油副產(chǎn)品深加工，降低生產(chǎn)成本已經(jīng)成為各個石化煉油企業(yè)迫切需要解決的問題。 如何 利用透平壓縮機(jī)組使煉油裝置中的富余氣體重新利用，正被越來越多的廠家所廣泛采用 [1]。 眾多裝置中煉油化工裝置具有高溫、高壓、易燃、易爆的特點(diǎn) ,工藝復(fù)雜且連續(xù)性強(qiáng) ,安全要求高 ,為了最大限度地降低裝置惡性事故發(fā)生的概率 ,減少計劃外停工 ,避免重大人身傷害、重大設(shè)備損壞及重大經(jīng)濟(jì)損失的事故發(fā)生 ,建立一套安全可靠、動作及時的安全保護(hù)系統(tǒng)顯得尤為重要。 壓縮機(jī)是煉油裝置的核心裝置，控制系統(tǒng)則是壓縮機(jī)組的心臟，核心設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況對生產(chǎn)起到了決定 性的作用，無論從安全還是利潤的角度考慮，一套穩(wěn)定的壓縮機(jī)組和一套可行的控制方案對保障安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)率都是必不可少的。 壓縮機(jī)控制技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 透平壓縮機(jī)是廣泛應(yīng)用于冶金、石化等工業(yè)部門的大型關(guān)鍵設(shè)備，典型的透平壓縮機(jī)機(jī)組由蒸汽透平和離心式壓縮機(jī)及其它一些輔助設(shè)備構(gòu)成。從穩(wěn)定工況、保證安全角度出發(fā)，需要為其單獨(dú)配備過程控制系統(tǒng)。開發(fā)一套綜合控制系統(tǒng)，將蒸汽透平的調(diào)速控制與壓縮機(jī)的流量壓力控制、防喘振控制及機(jī)組的超速保護(hù)、緊急停車等功能集成，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組地高效、協(xié)調(diào)控制。 控制系統(tǒng)其實(shí)從 20 世 紀(jì) 40 年代就開始使用了，早期的現(xiàn)場基地式儀表和后期的繼電器構(gòu)成了控制系統(tǒng)的前身。現(xiàn)在所說的控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進(jìn)行智能控制的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱為第三代控制系統(tǒng)，以 PLC和 DCS 為代表，從 70 年代開始應(yīng)用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過程控制中獲得迅猛的發(fā)展 [2]。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 2 并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的 [3]。 1968 年美國 GM（通用 汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable ,是世界上公認(rèn)的第一臺 PLC。由于第一代 PLC 是為了取代繼電器的，因此，采用了梯形圖語言作為編程方式，形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術(shù)的發(fā)展的大門。 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成 了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。此時的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機(jī)（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為 PLC（ Programmable Logic Controller）。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 3040%。在 這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展 [4]。 PLC 的技術(shù)從誕生之日起，就不停地發(fā)展。這些發(fā)展不僅改進(jìn)了 PLC 的設(shè)計，也改變了控制系統(tǒng)的設(shè)計理念。隨著 PLC 的功能越來越強(qiáng)大， PLC 也開始進(jìn)入過程自動化領(lǐng)域。 當(dāng)今的壓縮 機(jī)控制也采用了 PLC 控制系統(tǒng)，具有代表性的有，西門子系列、 Tricon 系列、 GE 系列、 AB 系列等等。 論文研究背景 目前國內(nèi)眾多大型化工煉油項目中使用 PLC 控制系統(tǒng)，在這些項目中融入了很多先進(jìn)的理念，越來越多的現(xiàn)場項目要求對調(diào)速控制和壓縮機(jī)控制整合在一起，方便調(diào)節(jié)，提高效率；針對部分現(xiàn)場壓縮機(jī)喘振閥無法關(guān)閉到位，浪費(fèi)能源的現(xiàn)象；對機(jī)組操控性要求人機(jī)界面好、系統(tǒng)功能全、操作方便、安全級別高等要求。這些項目研發(fā)與調(diào)試及現(xiàn)場的試車也豐富了自動化工程師的經(jīng)驗(yàn)同時也對工程師東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 3 提出了更高的要求。沈鼓一直肩負(fù)著國內(nèi) 外各種大、中型的壓縮機(jī)組和控制系統(tǒng)的研發(fā)工作，幾乎所有種類的 PLC 系統(tǒng)都應(yīng)用在大型的離心機(jī)組上。針對地域與裝置的不同特性，需要工程師研究一套完整、實(shí)用、高效的控制系統(tǒng)為壓縮機(jī)組順利、平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)保駕護(hù)航。 本文從實(shí)際出發(fā)，以 中國石油寧夏 石化 分 公司 200 萬噸 /年柴油加氫 透平壓縮機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)項目為研究背景， 在保持工藝過程平穩(wěn)進(jìn)行的同時滿足工廠節(jié)能減排、提高效益的需求，根據(jù)裝置的特性和參數(shù)，對防喘振控制、調(diào)速控制進(jìn)行了集成和優(yōu)化，有效的降低了在傳統(tǒng)防喘振中的巨大能源消耗和工藝過程中的劇烈波動。在設(shè)計中 將蒸汽透平的 調(diào)速控制與壓縮機(jī)的流量壓力控制、防喘振控制及機(jī)組的超速保護(hù)、緊急停車等功能集成，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組 的 高效、協(xié)調(diào)控制 ， 大幅提高了機(jī)組的控制效率與控制品質(zhì)。 本文研究內(nèi)容 本文 對 透平壓縮機(jī)組的自動化控制 系統(tǒng) 進(jìn)行研究。 在工藝達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，對控制對象進(jìn)行分析進(jìn)而對系統(tǒng)的硬件軟件進(jìn)行合理的設(shè)計。對控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)劃分為防喘振、 超速保護(hù)、緊急停車 、 密封油、潤滑油、軸承溫度和振動監(jiān)控等輔助控制系統(tǒng) 。 保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行在穩(wěn)定工況區(qū)域，最終達(dá)到在機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時， 為 企業(yè) 創(chuàng)造最大的 效益。 主要研究內(nèi)容有 : （ 1） 介紹了 透 平 壓縮機(jī) 機(jī)組構(gòu)成 和工作原理的基礎(chǔ)，對 機(jī)組相關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行介紹并對 核心防喘振控制進(jìn)行了比較 完整 系統(tǒng)地闡述 。 （ 2）對 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成做了詳細(xì)的功能介紹， 通過分析功能需求和技術(shù)指標(biāo)明確設(shè)計目標(biāo)，來進(jìn)行硬件 的選型 。 針對裝置的特性，在防喘振功能及汽輪機(jī)調(diào)速功能上進(jìn)行系統(tǒng)分析，對系統(tǒng)功能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并制定完整的、可行的設(shè)計方案。 （ 3）特別是針對防喘振控制的算法進(jìn)行了優(yōu)化，從之前的平移喘振線轉(zhuǎn)變成為漸開喘振線，使喘振閥能及時開關(guān)到位，并通過編譯功能塊實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的無擾動調(diào)節(jié)，避免了能源的浪費(fèi)，是機(jī)組 更穩(wěn)定的運(yùn)行。 （ 4）針對上位及下位的組態(tài)過程，介紹了 Tricon 系統(tǒng)和 Wonderware Intouch軟件對人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn) ，并介紹了各種畫面的功能及操作。同時針對系統(tǒng)的測試及維護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2章 透平 壓縮機(jī) 原理及構(gòu)成 4 第 2 章 透平 壓縮機(jī) 原理及構(gòu)成 透平壓縮機(jī)的基本控制要求是在保證安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下充分利用壓縮機(jī)允許的工作區(qū)，讓機(jī)組工作在工藝要求的壓力和流量變化范圍內(nèi)，工況穩(wěn)定可靠，操作方便，自動化程度高；壓縮機(jī)的工作狀態(tài)盡可能地對操作人員透明，便于分析和操作，有較長的歷史趨勢可查；發(fā)生停車時，知道真正的原因是什 么。伴隨微電子和信息技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外有關(guān)廠家和學(xué)者已將電子器件的信息處理和控制功能揉和到機(jī)械裝置中，使產(chǎn)品一般具有自動控制、自動補(bǔ)償、自動校驗(yàn)、自選量程、自動調(diào)節(jié)、自診斷、自恢復(fù)等各種功能 [5]。 透平系統(tǒng)的原理及應(yīng)用 透平的原理及構(gòu)造 透平是將流體工質(zhì)中蘊(yùn)有的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的機(jī)器，又稱渦輪或渦輪機(jī)。透平是英文 turbine 的音譯 ,源于拉丁文 turbo 一詞 ,意為旋轉(zhuǎn)物體。透平的工作條件和所用工質(zhì)不同，所以它的結(jié)構(gòu)型式多種多樣，但基本工作原理相似。透平的最主要的部件是一個旋轉(zhuǎn)元件 ,即轉(zhuǎn)子 ,或稱葉輪，它安裝在透平軸上，具有沿圓周均勻排列的葉片。流體所具有的能量在流動中，經(jīng)過噴管時轉(zhuǎn)換成動能，流過葉輪時流體沖擊葉片，推動葉輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動透平軸旋轉(zhuǎn)。透平軸直接或經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)帶動其他機(jī)械，輸出機(jī)械功。透平機(jī)械的工質(zhì)可以是氣體，如蒸汽、燃?xì)?、空氣和其他氣體或混合氣體，也可以是液體，如水、油或其他液體。 蒸汽透平（或稱汽輪機(jī)）是用蒸汽做功的旋轉(zhuǎn)式原動機(jī)，它將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成透平轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，這一轉(zhuǎn)變過程需要經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，即蒸汽通過透平噴嘴（靜葉片）時，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成蒸汽高速流動的動能，然后高 速氣流通過工作葉片時，將蒸汽的動能轉(zhuǎn)換成透平轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。 蒸汽透平按工作原理分為兩類：沖動式和反動式，沖動式透平的蒸汽熱能轉(zhuǎn)變成動能的過程，僅在噴嘴中進(jìn)行，而工作葉片只是把蒸汽的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，即蒸汽在噴嘴中膨脹，速度增大，溫度壓力降低，而在葉片中僅將其動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能（汽體流速降低），而由于葉片沿流動方向的間槽道截面不變，因而蒸汽不再膨脹，壓力也不再降低；而在反動式透平中，蒸汽在靜葉片中膨脹，壓力溫度均下降，流速增大，然后進(jìn)入動葉片（工作葉片），由于動葉片沿流動方向的間槽道截面形狀與東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2章 透平 壓縮機(jī) 原理及構(gòu)成 5 靜葉片間槽 道截面變化相同，所以蒸汽在動葉片中繼續(xù)膨脹，壓力也要降低，由于汽流沿著動葉片內(nèi)弧流動時方向是改變的，因此，葉片既受到?jīng)_擊力的作用，同時又受到蒸汽在動葉片中膨脹，高速噴離動葉片產(chǎn)生反動力的作用，沖動力和反動力的合力就是動葉片所承受的力，這就是說，在反動式透平中，蒸汽熱能轉(zhuǎn)變成動能的過程，不僅在靜葉片中進(jìn)行，也在動葉片中進(jìn)行。 按熱力過程分，透平可分為背壓式、凝汽式和抽汽凝汽式三類：背壓式透平—— 在透平中工作后的蒸汽，在較高壓力（大于 ）下排出，供作它用； KT250KT1503 等屬于凝汽式 透平――蒸汽在透平中作功后全部排入凝汽器中冷凝；KT1501B 屬于抽汽凝汽式透平――將在透平高壓缸作過功的蒸汽抽出一部分供作它用，而另一部分蒸汽在透平低壓缸繼續(xù)作功后全部排入凝汽器中冷凝。 只有一個葉輪的蒸汽透平稱為單級透平，這種透平功率小、轉(zhuǎn)速高、效率低，一般用于驅(qū)動小型油泵或水泵；為了提高能量轉(zhuǎn)換的效率，透平往往不是僅有一只葉輪，而是讓蒸汽依次通過幾個葉輪（一個葉輪為一級），逐級降低其壓力、溫度，蒸汽每經(jīng)過一次熱能 —— 動能 —— 機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，稱為工作的一