CN102392813B - 压缩机组转速调节控制系统 - Google Patents

Abstract

压缩机组转速调节控制系统属于压缩机组自动化控制技术领域，尤其涉及一种压缩机组转速调节控制系统。本发明提供一种系统运行故障率和长周期运行成本低的压缩机组转速调节控制系统。本发明包括转速传感器，控制器，电液转换器，错油门油动机；其结构要点控制器分别与转速传感器、电液转换器相连，电液转换器、错油门油动机、汽轮机气门依次相连；所述转速传感器测量转子的转速信号送入控制器；所述控制器接收转速传感器信号与设定值比较进行PID（比例积分微分）运算，输出调速控制信号经电液转换器转换为二次油压信号，通过错油门油动机控制调节气门的开度控制进入汽轮机的蒸汽流量。

Description

压缩机组转速调节控制系统

技术领域

本发明属于压缩机组自动化控制技术领域，尤其涉及一种压缩机组转速调节控制系统。

背景技术

现代石油化工工程工业中,大型压缩机设备是驱动流程运转的关键设备,是工艺生产装置的心脏。安全生产是最大的节能，压缩机组控制系统可靠性、压缩机组控制方案、压缩机组本体的优化控制对装置运行与节能降耗有重要意义。

压缩机调速控制是透平压缩机组控制的核心，传统的控制需要多个分立仪表如电子调速器、联锁自保系统、负荷调节器等实现。每个分立仪表都需人为操作，且各个系统间的连接和故障率高，这样整个系统的长周期运行成本非常高。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种系统运行故障率和长周期运行成本低的压缩机组转速调节控制系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括转速传感器，控制器，电液转换器，错油门油动机；其结构要点控制器分别与转速传感器、电液转换器相连，电液转换器、错油门油动机、汽轮机气门依次相连。

所述转速传感器测量转子的转速信号送入控制器。

所述控制器接收转速传感器信号与设定值比较进行PID（比例积分微分）运算，输出调速控制信号经电液转换器转换为二次油压信号，通过错油门油动机控制调节气门的开度控制进入汽轮机的蒸汽流量。

作为一种优选方案，本发明所述控制器采用三重冗余（TMR）控制器（如T6300控制器）。

作为另一种优选方案，本发明所述调速控制信号为4-20mA的电流信号。

作为另一种优选方案，本发明所述控制器的功能部分包括测速输入部分、超速遮断与超速预防部分、临界速度问题部分、速度回路解耦部分、启动顺序部分、阀位限制部分。

作为另一种优选方案，本发明所述测速输入部分接收转速传感器提供的两个转速信号，当两个转速信号输入均正常时，对转速信号进行低选；若一个转速信号输入故障，选取另一个速度值且对输入故障报警；若两个转速信号输入均故障，执行关闭或将速度回路切换到手动操作且对输入故障报警。

作为另一种优选方案，本发明所述超速遮断与超速预防部分检测压缩机的转子速度，若压缩机的转子速度超过预设置的超速遮断，则执行压缩机关闭。

作为另一种优选方案，本发明所述临界速度问题部分通过虚拟开关超驰控制临界速度。

作为另一种优选方案，本发明所述速度回路解耦部分通过串级控制调节压缩机的速度或入口调节阀的开度来满足工艺要求。

其次，本发明所述启动顺序部分提供自动、半自动和手动起动三种起动方式。

另外，本发明所述阀位限制部分限制执行机构的输出信号或阀门斩位置，阀位限制部分的输出与转速/负荷、辅助控制通道的输出进行信号低选。

本发明有益效果：（1）本发明将转速传感器，控制器，电液转换器，错油门油动机通过PID控制整合在一起，降低了系统运行故障率和长周期运行成本。

（2）可靠性极高的冗余容错控制系统。本发明采用三重冗余TMR控制器，提高了系统的可靠性。

（3）通过控制器的集成运算控制，使调速控制响应速度快、响应灵敏性高。在正常工况时，使压缩机的转速偏差在要求范围内；在危急工况下，快速关闭调节气门或主气门，使机组快速停机。

（4）本发明调速控制信号均为4-20mA的电流信号；传输效果好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明电路原理框图。

图2为本发明转速调节系统逻辑总图。

图3为本发明第三暖机控制逻辑图。

图4为本发明第二临界区超时计算逻辑。

图5为本发明积分系数计算逻辑。

图6为本发明转速PID运算逻辑。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括转速传感器，控制器，电液转换器，错油门油动机；控制器分别与转速传感器、电液转换器相连，电液转换器、错油门油动机、汽轮机气门依次相连。

所述转速传感器测量转子的转速信号送入控制器。

所述控制器接收转速传感器信号与设定值比较进行PID运算，输出调速控制信号经电液转换器转换为二次油压信号，通过错油门油动机控制调节汽门的开度控制进入汽轮机的蒸汽流量。

所述控制器采用三重冗余（TMR）控制器。

所述调速控制信号为4-20mA的电流信号。

下面详述本发明控制器的各控制功能部分：（1）测速输入（磁性传感器〈测速探头〉输入）部分：本发明转速传感器为控制器提供两个转速信号，转速信号采用频率检测方式。控制器通过控制算法，对控制器进行组态以选择应用所需的频率信号，再通过控制器将其转换成实际转速，当两个速度输入均正常时，速度信号采用低选方式。若一个输入故障，选取另一个速度值中的最大值。若全部测速输入故障，根据应用，执行关闭或将速度回路切换到手动操作，且对于任何故障均报警。 

（2）超速遮断与超速预防部分：检测压缩机的转子速度，若压缩机的转子速度超过预设置的超速遮断，则执行压缩机关闭。当压缩机达到已设置的超速值时，超速功能测试被提供用以验证超速预防和超速遮断功能。采用报警以表明/报警压缩机速度已移至预设置限定以下或以上，且提供低，低-低和高，高-高参数。本发明控制器的控制系统使用专业超速保护器和调速器本身自带的超速保护功能共同实现超速遮断与超速预防。

（3）临界速度问题部分：通常压缩机具有一个或几个以谐波频率或共振频率振动的临界速度。速度设定点功能允许对两个临界速度范围的定义。若速度设定点处于临界速度范围，其以预定的临界速度斜率倾斜穿过临界范围以最小化压缩机在临界速度范围内运行的时间。若压缩机不能达到临界范围的高一侧（由于蒸汽供给不足），则速度设定点将自动减少至临界范围的较低一侧。若速度PID处于手动操作，则切换到自动操作。

 通过设置虚拟开关（带有安全性特点）可超驰控制临界速度功能，以满足压缩机测试的目的，但常在正常运行期间内被执行。

（4）速度回路解耦部分：通过串级控制调节压缩机的速度或入口调节阀的开度来满足工艺要求。串级控制指采用两级PID调节回路，分别为喘振调节部分和性能调节部分两部分。

当压缩机进入喘振调节时，有时性能控制部分会同时要求减少流量（如性能控制变量为入口压力时），两个控制回路是相互反作用的转速，从而造成系统的不稳定，使机组更加接近喘振。针对这种情况，本发明性能控制部分和喘振控制部分会将各自的输出加权到对方的控制相中去，从而实现解耦控制来使两个控制回路协调动作。性能控制部分通过采用超前-滞后解耦条件将其控制行为与其同组回路（如防喘振）的控制行为相协调。

（5）启动顺序部分：本发明控制器提供三种不同起动方式的选择：自动、半自动和手动起动。组态时必须选择这三种起动方式的一种，以便使从停机状态达到最低转速控制。组态的起动方式和控制器调速系统最低控制转速将取决于工厂的起动程序和制造厂的建议。

若设置暖机转速（暖机/额定或顺序自动起动方式），控制器将提供自动转速控制并避开临界转速。可以通过控制器的键盘，远程触点输入。此外，也能组态一个“允许起动”的触点输入。例如，若跳闸节流或截止阀没有关闭阻止起动。

暖机/额定：暖机/额定功能使操作人员能以组态的速率在设置的暖机转速和额定转速之间改变转速。暖机/额定功能还能组态成仅作为自动升至额定转速功能。

自动起动：顺序自动起动功能使操作人员能从设定的低暖机转速起动并停留在该转速下直至设定的暖机时间结束，然后升至设定的高暖机转速并停留直至设定主高暖机时间结束，最后升至设定的额定转速给定值。在暖机转速下的停留时间和加速率取决于是“热态起动”还是“冷态起动”。“热态”和“冷态”由的停机时间来确定。当处于热态和冷态条件之间时，调速系统使用热态和冷态数据点的内插值来确定合适的起动速率和停留时间。

如果必要，能通过编程和采用顺序自动起动的暂停/继续指令来终止和继续顺序自动起动程序。可以通过控制器的键盘，远程触点输入来选择暂停或继续。此外，顺序自动起动能够组态成自动暂停在每个暖机给定值处。

（6）阀位限制部分：阀位限制部分限制了执行机构的输出信号或阀门斩位置，有助于起动和停机。阀位限制部分的输出与转速/负荷、辅助控制通道的输出进行信号低选。最小阀位的控制或阀位限制部分通道控制了阀门的位置，于是阀位限制部分就限制了最大阀门位置，且能通过键盘、外部触点调整阀位限制。

 阀位限制部分还能用于系统的动态故障查寻。如果认为是TSCS调速系统引起系统不稳定，调整阀位限制部分以手动控制阀门的位置。当以这种方式使用阀位限制器必须注意，不得让系统达到危险的运行点。

在压缩机驱动压缩机的应用中，速度控制逻辑可提供压缩机与压缩机完整的顺序/启动。一般来讲，速度控制收到一个频率信号，并且向压缩机提供输出信号。速度输入包括了单个或冗余信号，可在控制器内执行选择/决定。

如图3所示，当本发明第三暖机启动时，当实际转速到达第三暖机转速时，IDLE(为内部编制好的暖机控制功能块)功能块起作用根据第三暖机设定转速与实际转速做比较，进行脉冲计时，输出分别为：暖机状态显示、暖机倒计时、当前暖机转速。

如图4所示，当本发明第二临界区使能时，当实际转速到达第二临界转速下限时，对实际转速在临界转速区间进行正计时，临界区指临界转速上、下限的范围内。当计时时间超出设定的时间，输出动作启动报警或跳车。

如图5所示，本发明对PID功能块的积分系数以分段函数方式输出后作为PID积分控制部分的输入信号Ki，然后设定好Ki的最小值、最大值。再计算出实际转速与设定转速差的最小值、最大值。根据这4个值确定分段函数的起始和终止区域，Ki的实际变化值根据转速差的实际值通过PID_AD功能块(分段函数功能块)计算得出。

如图6所示，此PID为调节阀实际控制输出功能块，做为调速系统的结尾功能块，设定转速在经过一系列的判断、修正后，与实际转速的偏差来做为阀门开度的速度基础参数。

在转速临界区，放大PID功能块设定值SP的增长速度，来扩大与实际转速的偏差，使得Kp、Ki参数调整步伐加大，阀门以较快的速度打开，使得实际转速以最快的速度通过临界区。

通过该功能块实现转速控制的手自动选择，在停机下采用手动方式，方便阀门限制器的工作。启机后完全由自动控制。

下面说明本发明的程序逻辑：本发明整体逻辑分为四部分，分别是：（1）启、停车联锁逻辑。启停车联锁逻辑主要是做好PID调速运算逻辑的联锁逻辑控制的准备工作，做好前提逻辑，主要完成如下工作：a.通过启动按钮与汽机具备启动状态来判断汽机的运行状态，为调速程序做启动准备。

b.通过按钮与汽机的运行状态来对阀门限制器的进行手自动选择及互锁。

c.在手动状态下，对于开、关阀的内部逻辑限制分别处理。

d.当启动命令有效时，选择是否需要做超速试验及输出控制。

e.转速设定点在升速、降速时的限制逻辑。

f.选址转速升、降速在中断还是继续是对两个命令的本别安全限制处理。

g.超速下启动跳车逻辑。

h.汽机启动后对HMI的按钮进行全部锁定。

（2）转速输入处理逻辑。转速输入处理逻辑是为PID调速运算逻辑确定实际转速。检测实际转速，将两个测速探头进行内部逻辑处理归一，转换成程序需要的实际转速。对其进行判断实现3个报警输出，它们分别是：a.一号转速传感器的测速探头故障。

b.二号转速传感器的测速探头故障。

c.两个转速传感器的测速探头全部故障。

（3）转速运算逻辑。转速运算逻辑中实现暖机转速及时间、临界区判断、停机时间、额定转速区判断逻辑。系统运行后将停机时间初始值置为冷态暖机时间，同时对机组停机时间进行正计时计算，根据汽机停机状态及冷态暖机阐述、内部定时器来计算下次启机需要的暖机时间，根据设定好的冷态暖机、热态暖机及各个暖机时间的输入设定，对来源于停机时间的暖机时间进行计算，停机时间、冷态时间、热态时间三个参数进行计算比较，判断中间参数的取值范围，在根据选定好的各个暖机时间，分别计算实际需要的各个实际暖机转速及时间，转速临界区逻辑中根据临界转速的输入与实际转速的比较计算实际转速在临界区的时间同时进行超时处理，判断是否需要停机或降速。

（4）PID调整运算逻辑。PID调整运算逻辑，压缩机调节蒸汽流量时，需考虑两个基本应用，这样不管负载变化对压缩机驱动设备的影响如何，压缩机将以所需速度运行。为了保持过程应用中的某个压力/流量，通常采用压力/流量到速度串级控制方案，且速度必须连续变化以达到过程需要。

除基本目标外，压缩机速度控制还包括了超速保护和临界速度问题。图2表明了自动的启动和关闭顺序控制。此外，一些辅助的控制任务，如单阀压缩机的阀门定位，也可通过速度控制回路执行。速度控制回路也可作为为其它压缩机控制应用提供速度信号的信号源。该部分完成调速控制的主体工作，包括如下步骤：a.首先对本发明压缩机的盘车转速、额定转速、暖机临界等各个转速设定值进行输入限制控制。

b.在第一、二临界区转速时，当测振系统检测的压缩机轴振动过高，自动将转速设定值降到上次输入的设定值处。

C.当暖机转速使能数据选定后，PID设定值SP限制功能块投入使用，比如SP不能设定在转速临界区内，在转速很低的时候不能将SP设定为额定转速或超速转速等等。

d.超速使能时，对转速设定与额定转速、转速设定上限的逻辑处理，同时转速设定值必须避开临界区（临界区具体速度来源于压缩机组的出厂参数）。

e.在阀门行程标定逻辑中，首先确定阀门行程的上、下限和行程百分比。根据开、关阀的实际标定状态与阀门反馈比较后重新校订阀门的上、下限。

f.在启机状态下，自动通过阀门限制部分将阀门放大到阀门的标定上限，动作速度根据内部定时器来调整。在启机状态下，转为手动控制时，自动将阀位限制百分比控制在允许范围内，避免转速扰动过大。

g.在转速设定值的加、减操作中，手动分为点动及联动状态，点动时转速上升以给定转速设定百分比动作，联动时根据定时器与百分比来判断，以一定的速度增长转速。同时要避开临界转速区，可以通过额定按钮设定转速到额定转速。

h.在顺序控制逻辑有效后，转速设定值根据各个暖机转速的选择，自动将转速升到额定状态。

i.转速设定值的上升率、下降率计算。

j.PID的Kp、Ki斜率控制器的逻辑处理。

k.将上述步骤中做好的各个参数赋值到PID功能块。

可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.压缩机组转速调节控制系统，包括转速传感器，控制器，电液转换器，错油门油动机；其特征在于控制器分别与转速传感器、电液转换器相连，电液转换器、错油门油动机、汽轮机气门依次相连；

所述转速传感器测量转子的转速信号送入控制器；

所述控制器接收转速传感器信号与设定值比较进行PID运算，输出调速控制信号经电液转换器转换为二次油压信号，通过错油门油动机控制调节气门的开度控制进入汽轮机的蒸汽流量；

所述控制器的功能部分包括测速输入部分、超速遮断与超速预防部分、临界速度问题部分、速度回路解耦部分、启动顺序部分、阀位限制部分；

所述测速输入部分接收转速传感器提供的两个转速信号，当两个转速信号输入均正常时，对转速信号进行低选；若一个转速信号输入故障，选取另一个速度值且对输入故障报警；若两个转速信号输入均故障，执行关闭或将速度回路切换到手动操作且对输入故障报警；

所述速度回路解耦部分通过串级控制调节压缩机的速度或入口调节阀的开度来满足工艺要求。

2.根据权利要求1所述压缩机组转速调节控制系统，其特征在于所述控制器采用三重冗余控制器。

3.根据权利要求1所述压缩机组转速调节控制系统，其特征在于所述调速控制信号为4-20mA的电流信号。

4.根据权利要求1所述压缩机组转速调节控制系统，其特征在于所述超速遮断与超速预防部分检测压缩机的转子速度，若压缩机的转子速度超过预设置的超速遮断，则执行压缩机关闭。

5.根据权利要求1所述压缩机组转速调节控制系统，其特征在于所述临界速度问题部分通过虚拟开关超驰控制临界速度。

6.根据权利要求1所述压缩机组转速调节控制系统，其特征在于所述启动顺序部分提供自动、半自动和手动起动三种起动方式。

7.根据权利要求1所述压缩机组转速调节控制系统，其特征在于所述阀位限制部分限制执行机构的输出信号或阀门位置，阀位限制部分的输出与转速/负荷辅助控制通道的输出进行信号低选。