基于tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计学位论文(编辑修改稿)

基于tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

系统测试的必要性及基本方法 ...................................................................... 61 系统测试结果及 FAT 报告 ............................................................................. 62 本章小结 ................................................................................................................... 62 第 6 章 结论与展望 ................................................................................................................ 64 参考文献 .................................................................................................................................. 66 作者在攻读硕士学位期间的研究成果 .................................................................................. 68 东北大学硕士学位论文 目 录 VII 致 谢 ...................................................................................................................................... 70 东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 透平 压缩机组在 工业 装置中的作用 在我国，工业是能源消耗的大户， 近年来原油、原煤、天然气等能源消耗量位居世界前列，特别是石油年消耗量已超过 4 亿吨，对外依存度超过 50%，我国的炼油厂担负着越来越重要的能源加工生产任务。 随着国际市场油价不断上涨，更突显了石油行业的重要，如何更合理的利用石油资源，充分地对 石油副产品深加工，降低生产成本已经成为各个石化炼油企业迫切需要解决的问题。 如何 利用透平压缩机组使炼油装置中的富余气体重新利用，正被越来越多的厂家所广泛采用 [1]。 众多装置中炼油化工装置具有高温、高压、易燃、易爆的特点 ,工艺复杂且连续性强 ,安全要求高 ,为了最大限度地降低装置恶性事故发生的概率 ,减少计划外停工 ,避免重大人身伤害、重大设备损坏及重大经济损失的事故发生 ,建立一套安全可靠、动作及时的安全保护系统显得尤为重要。 压缩机是炼油装置的核心装置，控制系统则是压缩机组的心脏，核心设备的运转状况对生产起到了决定 性的作用，无论从安全还是利润的角度考虑，一套稳定的压缩机组和一套可行的控制方案对保障安全生产和提高生产率都是必不可少的。 压缩机控制技术在国内外的发展现状 透平压缩机是广泛应用于冶金、石化等工业部门的大型关键设备，典型的透平压缩机机组由蒸汽透平和离心式压缩机及其它一些辅助设备构成。 从稳定工况、保证安全角度出发，需要为其单独配备过程控制系统。 开发一套综合控制系统，将蒸汽透平的调速控制与压缩机的流量压力控制、防喘振控制及机组的超速保护、紧急停车等功能集成，实现对机组地高效、协调控制。 控制系统其实从 20 世 纪 40 年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。 现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以 PLC和 DCS 为代表，从 70 年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展 [2]。 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 2 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。 传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的 [3]。 1968 年美国 GM（通用 汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（ DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC。 由于第一代 PLC 是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。 这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。 20 世纪 70 年代初出现了微处理器。 人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成 了真正具有计算机特征的工业控制装置。 为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。 此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 PLC（ Programmable Logic Controller）。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。 在 这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。 目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展 [4]。 PLC 的技术从诞生之日起，就不停地发展。 这些发展不仅改进了 PLC 的设计，也改变了控制系统的设计理念。 随着 PLC 的功能越来越强大， PLC 也开始进入过程自动化领域。 当今的压缩 机控制也采用了 PLC 控制系统，具有代表性的有，西门子系列、 Tricon 系列、 GE 系列、 AB 系列等等。 论文研究背景 目前国内众多大型化工炼油项目中使用 PLC 控制系统，在这些项目中融入了很多先进的理念，越来越多的现场项目要求对调速控制和压缩机控制整合在一起，方便调节，提高效率；针对部分现场压缩机喘振阀无法关闭到位，浪费能源的现象；对机组操控性要求人机界面好、系统功能全、操作方便、安全级别高等要求。 这些项目研发与调试及现场的试车也丰富了自动化工程师的经验同时也对工程师东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 3 提出了更高的要求。 沈鼓一直肩负着国内 外各种大、中型的压缩机组和控制系统的研发工作，几乎所有种类的 PLC 系统都应用在大型的离心机组上。 针对地域与装置的不同特性，需要工程师研究一套完整、实用、高效的控制系统为压缩机组顺利、平稳的运转保驾护航。 本文从实际出发，以 中国石油宁夏 石化 分 公司 200 万吨 /年柴油加氢 透平压缩机机组控制系统项目为研究背景， 在保持工艺过程平稳进行的同时满足工厂节能减排、提高效益的需求，根据装置的特性和参数，对防喘振控制、调速控制进行了集成和优化，有效的降低了在传统防喘振中的巨大能源消耗和工艺过程中的剧烈波动。 在设计中 将蒸汽透平的 调速控制与压缩机的流量压力控制、防喘振控制及机组的超速保护、紧急停车等功能集成，实现对机组 的 高效、协调控制 ， 大幅提高了机组的控制效率与控制品质。 本文研究内容 本文 对 透平压缩机组的自动化控制 系统 进行研究。 在工艺达到要求的基础上，对控制对象进行分析进而对系统的硬件软件进行合理的设计。 对控制系统进行详细划分为防喘振、 超速保护、紧急停车 、 密封油、润滑油、轴承温度和振动监控等辅助控制系统。 保证压缩机安全运行在稳定工况区域，最终达到在机组平稳运转的同时， 为 企业 创造最大的 效益。 主要研究内容有 : （ 1） 介绍了 透 平 压缩机 机组构成 和工作原理的基础，对 机组相关调节系统和调速系统进行介绍并对 核心防喘振控制进行了比较 完整 系统地阐述。 （ 2）对 压缩机控制系统硬件 构成做了详细的功能介绍， 通过分析功能需求和技术指标明确设计目标，来进行硬件 的选型。 针对装置的特性，在防喘振功能及汽轮机调速功能上进行系统分析，对系统功能进行优化和改进，并制定完整的、可行的设计方案。 （ 3）特别是针对防喘振控制的算法进行了优化，从之前的平移喘振线转变成为渐开喘振线，使喘振阀能及时开关到位，并通过编译功能块实现对机组的无扰动调节，避免了能源的浪费，是机组 更稳定的运行。 （ 4）针对上位及下位的组态过程，介绍了 Tricon 系统和 Wonderware Intouch软件对人机交互界面的实现 ，并介绍了各种画面的功能及操作。 同时针对系统的测试及维护进行了详细的说明。 东北大学硕士学位论文 第 2章 透平 压缩机 原理及构成 4 第 2 章 透平 压缩机 原理及构成 透平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压缩机允许的工作区，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；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，有较长的历史趋势可查；发生停车时，知道真正的原因是什 么。 伴随微电子和信息技术的发展，国内外有关厂家和学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，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 [5]。 透平系统的原理及应用 透平的原理及构造 透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮或涡轮机。 透平是英文 turbine 的音译 ,源于拉丁文 turbo 一词 ,意为旋转物体。 透平的工作条件和所用工质不同，所以它的结构型式多种多样，但基本工作原理相似。 透平的最主要的部件是一个旋转元件 ,即转子 ,或称叶轮，它安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。 流体所具有的能量在流动中，经过喷管时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。 透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。 透平机械的工质可以是气体，如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。 蒸汽透平（或称汽轮机）是用蒸汽做功的旋转式原动机，它将蒸汽的热能转变成透平转子旋转的机械能，这一转变过程需要经过两次能量转换，即蒸汽通过透平喷嘴（静叶片）时，将蒸汽的热能转换成蒸汽高速流动的动能，然后高 速气流通过工作叶片时，将蒸汽的动能转换成透平转子旋转的机械能。 蒸汽透平按工作原理分为两类：冲动式和反动式，冲动式透平的蒸汽热能转变成动能的过程，仅在喷嘴中进行，而工作叶片只是把蒸汽的动能转换成机械能，即蒸汽在喷嘴中膨胀，速度增大，温度压力降低，而在叶片中仅将其动能部分转变为机械能（汽体流速降低），而由于叶片沿流动方向的间槽道截面不变，因而蒸汽不再膨胀，压力也不再降低；而在反动式透平中，蒸汽在静叶片中膨胀，压力温度均下降，流速增大，然后进入动叶片（工作叶片），由于动叶片沿流动方向的间槽道截面形状与东北大学硕士学位论文 第 2章 透平 压缩机 原理及构成 5 静叶片间槽 道截面变化相同，所以蒸汽在动叶片中继续膨胀，压力也要降低，由于汽流沿着动叶片内弧流动时方向是改变的，因此，叶片既受到冲击力的作用，同时又受到蒸汽在动叶片中膨胀，高速喷离动叶片产生反动力的作用，冲动力和反动力的合力就是动叶片所承受的力，这就是说，在反动式透平中，蒸汽热能转变成动能的过程，不仅在静叶片中进行，也在动叶片中进行。 按热力过程分，透平可分为背压式、凝汽式和抽汽凝汽式三类：背压式透平—— 在透平中工作后的蒸汽，在较高压力（大于 ）下排出，供作它用； KT250KT1503 等属于凝汽式 透平――蒸汽在透平中作功后全部排入凝汽器中冷凝；KT1501B 属于抽汽凝汽式透平――将在透平高压缸作过功的蒸汽抽出一部分供作它用，而另一部分蒸汽在透平低压缸继续作功后全部排入凝汽器中冷凝。 只有一个叶轮的蒸汽透平称为单级透平，这种透平功率小、转速高、效率低，一般用于驱动小型油泵或水泵；为了提高能量转换的效率，透平往往不是仅有一只叶轮，而是让蒸汽依次通过几个叶轮（一个叶轮为一级），逐级降低其压力、温度，蒸汽每经过一次热能 —— 动能 —— 机械能的转换，称为工作的一。