某石化公司为保证丙烯制冷压缩机组的安全高效运行，压缩机控制系统(ITCC)采用了基于TÜV认证SIL3级三重冗余(TMR)技术的TS3000系统，扫描周期为毫秒级，目前系统“看门狗”时间设置为150ms，满足防喘振控制时间300ms以内的要求；人机界面采用Wonderware公司的INTOUCH9.5组态的监控画面；采用了Triconex专有的防喘振功能模块，实现对机组的防喘振控制及石墙控制。
1、防喘振控制和石墙控制基本原理
1.1 防喘振控制的基本原理
丙烯制冷压缩机是离心式压缩机，离心式压缩机具有排气量大、效率高、结构简单、体积小、气体不受油污染以及正常工况下运转平稳、压缩气流无脉动等特点。但是对气体的压力、流量、温度变化较敏感，易发生喘振。早在1945年英国技术人员首先发现了离心式压缩机的喘振现象并引起了人们的注意。喘振是离心式压缩机固有的一种现象，具有较大的危害性，是压缩机损坏的主要诱因之一。因此，提高离心式压缩机的抗喘振性能，保证其安全可靠运行对工业生产有着非常重要的意义。防喘振控制就是在压缩机段间、缸间设置自动和手动两用的控制系统使压缩机的运行工况点始终位于喘振线的右侧。
1.1.1 防喘振控制曲线
该压缩机防喘振控制曲线如图1所示。图1中纵坐标为压缩机某级出口压力(Pd)与入口压力(Ps)的比值；横坐标为某级入口流量与入口最大流量的比值Hc；实际喘振线的左侧为机组喘振区域，是根据实际的机组性能曲线得到；防喘振控制曲线是喘振线右移了一定的距离，一般为10%，该距离称为“安全裕度”；操作点即实际工作点，是一个坐标点，如：Pd/ps=2， Hc=60%；盘旋点设定值所在线就是盘旋点的位置，在工作点的左边，与工作点有一定距离，该距离即盘旋点的裕度设定值。当工作点快速靠近盘旋点时，喘振PID会有输出；当盘旋点跟上变化，又回到原有设定的距离时，喘振PID输出会慢慢回零。
图1 防喘振控制曲线示意
当工作点穿过防喘振控制曲线，在“安全裕度”内，喘振PID控制开始输出信号。当工作点进入喘振超驰区域，即“安全裕度”左边70%的区域，会产生喘振超驰输出信号，喘振超驰是纯比例控制，打开速度更快。当工作点进入快开线区域，即“安全裕度”左边2%区域，一般作为防喘振电磁阀失电的条件，防喘振阀全部打开。
1.1.2 防喘振控制模拟量输出
防喘振控制模拟量最终输出由4个输出内容高选得到，且与控制模式有关系，4个输出分别为喘振PID输出、喘振超驰输出、过程控制超驰输出、全手动输出，如图2所示。
图2 防喘振控制输出选择示意
①喘振PID输出。如上所述，当工作点快速靠近盘旋点时，喘振PID会有输出；当工作点进入防喘振控制曲线时，喘振PID也会有输出。
②喘振超驰输出。在“安全裕度”右边30%区域内，输出值一直是0，当进入70%区域时，进行纯比例运算输出，快速上升到100%。
③过程控制超驰输出。当转速投过程控制时，才会有输出，这是转速控制与防喘振控制的解耦运算得出的输出。
④全手动输出。即手动给定的值。
4个值的选择还与防喘振控制模式有关。防喘振控制有三种模式：全手动、半手动、自动。当自动模式时，喘振PID输出、喘振超驰输出、过程控制超驰输出3个值进行高选；当半手动模式时，对喘振PID输出、喘振超驰输出、过程控制超驰输出、全手动输出4个值进行高选；当全手动模式时，只选择全手动输出的值。
1.1.3 防喘振功能使能
“防喘振使能”条件有两个：压缩机进入运行模式，第三段压缩比大于1.15。该使能同时作用于第四段“防喘振使能”。
1.1.4 防喘振控制曲线校正
防喘振控制程序里有两项校正功能：
①当与防喘振控制计算相关的压力和温度点任一点出现故障时，安全裕度直接由10%变成15%，即防喘振控制曲线向左移5%。当故障消失时，安全裕度恢复为10%。
②每产生一次喘振，就需重新校正一次，即防喘振控制曲线向右移动2%，最多进行10次重新校正。可以通过复位功能进行重新校正复位，恢复原防喘振控制曲线。
1.2 石墙控制的基本原理
石墙一般发生在离心式压缩机某一级，当该级的气体流速达到声速，该级的流量再也不会增加，就形成石墙。解决石墙问题最有效的方法是提高该级的pd/ps值。提高Pd/Ps值有很多种方法，如提高转速、控制回流、或在该级入口安装1台降压阀(石墙阀)。经研究第三种方法对提高pd/ps值最有效。
1.2.1 石墙控制曲线
石墙控制与防喘振控制类似，程序组态也是通过防喘振功能块实现。石墙与喘振不同之处在于：流量越低、Pd/Ps值越高越容易产生喘振；而流量越大、pd/ps值越低越容易产生石墙。石墙控制曲线如图3所示。
图3 石墙控制曲线示意
图3中纵坐标为压缩机某级的Pd/Ps值；横坐标为某级的Hc值；实际石墙线的右侧为机组撞墙区域，是根据实际的机组性能曲线得到；防石墙控制曲线是将石墙线右移了一定的距离，一般为10%，该距离称为“安全裕度”；实际工作点是一个坐标点，如： pd/ps=1.2，Hc=60%；盘旋点设定值所在线就是盘旋点的位置，在工作点的右边，与工作点有一定距离，该距离即盘旋点的裕度设定值。当工作点快速靠近盘旋点时，石墙PID会有输出，当盘旋点跟上变化，又回到原有设定的距离时，石墙PID控制输出会慢慢回零。
当工作点穿过防石墙控制曲线，到“安全裕度”内，石墙PID控制开始输出信号。当工作点进入石墙超驰区域，是“安全裕度”右边70%的区域，会产生石墙超驰输出信号，石墙超驰是纯比例控制，使石墙控制阀打开速度更快。
1.2.2 石墙控制模拟量输出
石墙控制模拟量最终输出由3个输出高选得到的，且与控制模式有关系，3个输出为石墙PID输出、石墙超驰输出、全手动输出，如图4所示。
图4 石墙控制输出选择示意
①石墙PID输出。当工作点快速靠近盘旋点时，会有输出；当工作点进入防石墙控制曲线时，也会有输出。
②石墙超驰输出。在“安全裕度”的30%及防石墙控制曲线左边的区域，输出一直是0；当进入70%区域时，进行纯比例运算输出，快速上升到100%。
③全手动输出。手动给定输出值。
3个值的选择同样与石墙控制模式有关。石墙控制有三种模式：全手动、半手动、自动。当自动模式时，石墙PID输出、石墙超驰输出2个值进行高选；当半手动模式时，石墙PID输出、石墙超驰输出、全手动输出三个值进行高选；当全手动模式时，只选择全手动输出的值。
1.2.3 防石墙功能使能
防石墙功能是无条件长期使能的。
1.2.4 防石墙控制曲线校正
防石墙控制曲线校正与防喘振控制曲线的校正有部分区别：当与石墙控制计算相关的压力和温度点任一点出现故障时，安全裕度直接由10%变成15%，也就是防石墙控制曲线向左移5%。当故障消失时，安全裕度恢复为10%。
2、防喘振控制和石墙控制实际应用中的问题
2.1 防喘振控制实际应用中的问题
2.1.1 工作点较快速波动
因工作点的较快速波动，会导致防喘振阀打开。
①原因分析。如上所述，当工作点快速靠近盘旋点时，喘振PID会有输出，在自动或半手动模式下，阀门会打开。检查工作点计算相关的测量信号，发现部分测量值有波动，但是波动幅度很小，应该不会影响机组喘振，不应该打开防喘振阀。
②解决方法。加大现场仪表本身的阻尼，降低仪表本身的敏感性，根据经验，只上调1档，不能调整过大，否则会严重影响防喘振控制的及时性；在程序中提高盘旋点跟踪工作点的速度。同时，阻尼也不能调太快，否则会影响盘旋点实际作用，如果工作点实际靠近太快，则需要打开防喘振阀。
2.1.2 防喘振流量变送器故障
①原因分析。当防喘振流量测量出问题，直接影响工作点，如果进入防喘振区域，就会打开防喘振阀。影响流量测量值的原因有：引压管积液严重、引压管过长响应滞后波动、变送器本身故障但不显示故障状态。
②解决方法有以下两种：
a)对于引压管积液严重和过长问题。需要缩短引压管，整体引压管和变送器都在引压口的上方，可以完全避免积液问题。该措施可以应用于所有参与防喘振控制计算的流量和压力仪表。
b)流量变送器本身故障。如果发生故障报警，控制程序会自动选择设定值，不会对防喘振控制产生大的扰动；如果不发出故障报警，此时需要操作人员要有很强的应急能力，生产部门有很好的应急方案。把当级的防喘振控制模式立即改为全手动，并迅速而平稳关闭防喘振阀。如果达不到这样的应急能力，那只有将参与防喘振控制计算的仪表都改成“三重冗余”，信号“三取中”，可避免该类问题发生。
2.1.3 防喘振全手动功能非最高优先级
防喘振全手动功能并非最高优先级，分析如下：
①原因分析。原有防喘振功能块的功能描述与实际的功能块功能不符。经过实测，防喘振使能状态由“1”改成“0”时，会由“下降沿”触发防喘振所有自动、手动输出100%，全开防喘振阀。厂家提供的功能块说明该机组的防喘振使能的条件有Pd/Ps≥1.15，且应用于全部4台防喘振阀控制，那么就引入了一个较大的安全隐患。如果2台变送器其中1台出现问题，导致Pd/Ps<1.15，那么“防喘振使能”状态由“1”改成“0”，就会引起4台防喘振阀门全部打开，对生产造成较大的扰动，甚至导致停机、装置停工。基于该隐患，需要评估该pd/ps值作为“防喘振使能”的条件是否必要。经过和压缩机生产厂家调研和评估，建议取消该条件。防喘振使能只要一个“机组进入运行模式”条件就足够。
另外，检查全厂的ITCC的“防喘振使能”的条件，发现都不一样，如芳烃和新炼油装置共8套ITCC的“防喘振使能”的条件都没有用pd/ps条件。老炼油装置有pd/ps条件、快开线和ITCC的压力变送器的故障信号。
还存在另一个隐患，如果单级出/入口变送器出现问题，根据防喘振控制功能，可能会引起单级防喘振阀门打开。主要依赖于仪表可靠性，如果发生故障不可避免，那么就要讨论可以解决或将损失降到最低的方案，如：单级防喘振阀突然打开的完善的应急预案；考虑把参与防喘振计算的仪表改成“三重冗余”，信号“三取中”参与防喘振计算。
②解决方法有以下四种：
a)压缩机生产厂家需要提交准确的、全面的防喘振功能说明书及防喘振功能测试的内容。
b)厂家需要规范统一“防喘振使能”的条件，取消pd/ps值作为“防喘振使能”的条件。
c)要有完善的单级防喘振阀突然打开的应急预案，尽量避免造成更大影响。
d)建议将参与防喘振计算的仪表改成“三重冗余”，信号“三取中”。
2.2 石墙控制实际应用中存在的问题
乙烯装置8台炉运行时，Hc=90%左右，石墙控制打开石墙控制阀。
按照目前pd/ps值，远远大于石墙线的Pd/Ps的最高限1.31，上面区域没有石墙线和防石墙控制曲线，因此不会出现进入石墙控制的情况。
但是，故障时Hc=90%左右，石墙阀为何会打开？经分析后发现，因为石墙控制曲线中，当Pd/Ps=1.31时，上方无石墙线和防石墙控制曲线，并不一定受石墙控制。经过测试，石墙线到100%的位置，从(100，1.31)的坐标垂直朝上的线都是有效，同理防石墙控制曲线也是一样。所以可知为防石墙控制曲线的问题，防石墙控制曲线是石墙线左移了10%安全裕度，当Hc≥90%时，进入防石墙控制曲线，就会开始打开石墙阀。
分析可知，当pd/ps值超过产生石墙的可能区域，则不用考虑石墙控制问题，故障原因可能是实际防喘振功能模块存在的缺陷。
通过核对机组生产厂家性能曲线和组态厂家的喘振线、石墙线计算书，发现两者不符，经核查，第三级入口的最大流量数值有误，用的是1级入口最大流量6.4×105kg/h，影响了第三级防喘振计算和石墙控制计算。
因丙烯制冷压缩机第三段入口没有单独设置入口流量检测元件，给三段性能控制和计算带来一些理解上的偏差，但第三段入口流量最大量程是用于性能控制的必要条件之一，现通过压缩机性能曲线，压缩机数据表得出第三段入口流量最大流量用于防喘振和石墙控制。
解决方法：当Pd/Ps>1.31时，取消石墙控制线；按照新的计算书，修改石墙线程序。
3、日常维护和常见故障判断及处理
3.1 日常维护
丙烯制冷压缩机的日常维护建议如下：
①日常维护必须按照机组特护有关要求进行巡回检查，发现防喘振和石墙控制相关测量点有异常情况，及时汇报和处理。
②在未改造引压管之前，定期对流量表进行引压管排液处理，排液前要进行风险评估，编制施工方案。
③向工艺人员询问仪表使用情况，及时把仪表隐患消除在萌芽状态。
3.2 常见故障判断及处理
丙烯制冷压缩机常见故障判断及处理方式如下：
①机组发生喘振或石墙报警时，先查看各个相关参数的历史趋势，检查入口流量表、入口压力表和出口压力表，检查防喘振/石墙电磁阀及防喘振/石墙阀。同样，处理前要进行风险评估，编制施工方案。
②防喘振阀/石墙阀误开时，操作人员要及时按照应急预案，慢慢关闭阀门，以免停车，将损失降低到最小。
③对防喘振/石墙控制相关的仪表进行故障处理前，需要评估风险，编制施工方案；防止再次误动作，扩大事件损失。
4、结束语
防喘振和石墙控制对保护压缩机组、压缩机组稳定运行和装置安全平稳生产是至关重要的。如何确保其可靠运行，是操作、维护人员最为关注的。提供操作、维护人员的高水平业务能力也是迫在眉睫的。有效地改善现存在的问题，是接下来的重要任务。
作者：陈文勇(福建古雷石化有限公司)
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