基于tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计本科生生论文 大学论文.docx
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基于tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计本科生生论文大学论文
分类号密级
UDC
学位论文
基于Tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计
作者姓名:
崔炜奇
指导教师:
关守平教授东北大学信息科学与工程学院
于建国高级工程师沈鼓集团自控公司
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:
2012年12月3日
论文答辩日期:
2012年12月7日
学位授予日期:
年月日
答辩委员会主席:
王建辉
评阅人:
徐林田盛
东北大学
2012年12月
AThesisinControlEngineering
DesignofControlSystemofDieselHydrogenationTurbineCompressorBasedonTriconSystem
byCuiWeiqi
Supervisor:
ProfessorGuanShouping
SeniorEngineerYuJianguo
NortheasternUniversity
December2012
独创性声明
本文声明,所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果,也不包括本文为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名:
日期:
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定:
即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本文同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后:
半年□一年□一年半□两年□
学位论文作者签名:
导师签名:
签字日期:
签字日期:
基于Tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计
摘要
当今,透平压缩机在炼油、天然气、煤化工等行业中得到了广泛的应用。
特别是在柴油加氢装置中压缩机做为核心设备,更需要安全、稳定的运行,一旦出现故障,将会带来非常严重的后果。
所以,为核心装置配备一个智能控制系统,犹如给机组配备了一个大脑。
在保证着机组平稳运行的基础上,最大限度的节约能源,优化控制方案为装置的安全运转保驾护航。
本文以中国石油宁夏石化公司柴油加氢装置压缩机控制系统开发为背景,对汽轮机、压缩机的工作原理做了详细的介绍。
控制系统本文采用的是TRICONEX公司生产的Tricon控制系统。
三重冗余容错的控制器更提高了控制系统的性能和稳定性。
本文完成了对压缩机控制系统设计的方案,提出了一套实用的压缩机控制策略。
针对调速控制方案进行了串级控制。
根据更改入口压力设定值来控制机组,手动设定转速即为目标转速,目标转速作为SP值,实测转速作为PV值,两者通过速度PID不断的比较,得出一个阀门开度值CV。
相对于之前的简单调节系统,串级控制系统改善了控制质量。
防喘振控制本文中运用可变极限流量法控制,以取代先前的固定式防喘振控制系统。
其中包括多个控制回路,较好的考虑了压缩机运行中可能发生的因素,从而提高了防喘振的安全可靠性。
同时也减少了能源的浪费。
在装置试车期间对控制方案进行改进,当系统压力比较低时,打开防喘振控制阀,当投负荷后阀门能及时关到位。
无论是投负荷与空负荷运转都确保循环机不在喘振区运行,既缩短了开停工时间,又减少了维修的麻烦。
把之前的防喘振曲线平移的模式,改进为防喘振线渐开的模式,提高了机组的运行效率,同时也更平稳的控制机组。
不仅降低了消耗,也为企业带来了较大的经济效益。
本文阐述的此套柴油加氢控制系统,已经投产运营,控制系统运行平稳、控制精确、操作方便,完全满足甚至超出了当初设计时的用户要求,得到了用户的认可和好评。
关键词:
透平压缩机;调速;防喘振;Tricon
DesignofControlSystemofDieselHydrogenationTurbineCompressorBasedonTriconSystem
Abstract
Nowadays,TurbineCompressorarewidelyappliedinoilrefining,naturalgas,coalchemicalindustryandotherindustries.Inparticular,thecompressor,ascoreequipmentofadieselhydrogenationplant,doesneedsafeandstableoperation,onceafailurehappens,therewillbeveryseriousconsequences.Therefore,providinganintelligentcontrolsystemforthecoreequipmentislikeprovidingabrainforthecompressorunit.Onthebasisofguaranteeingsmoothrunningofthecompressorunit,itsavesenergytothemaximum,andoptimizesthecontrolschemetoensuresafeoperationoftheplant.
InthecontextofdevelopmentofcontrolsystemofcompressorofdieselhydrogenationplantofPetroChinaNingxiaPetrochemicalCompany,thispapergivesadetailedintroductionoftheoperatingprincipleofsteamturbineandcompressor.ThecontrolsysteminthispaperadoptsTriconcontrolsystemmanufacturedbyTRICONEX.Tripleredundantfault-tolerantcontrollerfurtherimprovestheperformanceandstabilityofcontrolsystem.Thispapercompletestheschemefordesignofcontrolsystemofcompressor,andgivesasetofusefulcompressorcontrolstrategies.Aimingatthespeedcontrolscheme,cascadecontrolisexercised.Thecompressorunitiscontrolledbychangingthesettingvalueofinletpressure,manualsettingspeedistargetspeed,targetspeedservesasSPvalue,measuredspeedservesasPVvalue,andvalveopeningvalueCVisobtainedbyconstantcomparisonofspeedPIDofboth.Comparedwithprevioussimpleregulatingsystem,cascadecontrolsystemimprovesthecontrolquality.
Anti-surgecontrolinthispaperadoptscontrolofvariablelimitflowmethodtoreplacepreviousfixedanti-surgecontrolsystem.Itincludesmultiplecontrolloops,andbetterconsiderspossiblefactorsduringtheoperationofcompressor,thusimprovingsafereliabilityofanti-surge.Besides,itreducesenergywastage.Thecontrolschemeisimprovedduringtrialrunoftheplant,anti-surgecontrolvalveisopenedwhenthesystempressureislow,andthevalvecanbetimelyclosedtothedesignatedpositionafterfull-load.Itensuresthecirculationmachinedoesnotoperateinthesurgeareawhetherfull-loadorno-loadoperation,whichnotonlyshortensthetimeofstart-upandshut-down,butalsosavesthetroubleofrepair.Previoustranslationmodeofanti-surgecurveisimprovedtoinvolutemodeofanti-surgeline,whichimprovestheoperatingefficiencyofthecompressorunit,andrealizesmorestablecontrol.Itnotonlyreducesenergyconsumption,butalsobringsgreateconomicbenefitsfortheenterprise.
Thedieselhydrogenationcontrolsysteminthispaperhasgoneintooperation.Featuredbysmoothrunning,accuratecontrolandeasyoperation,thecontrolsystemfullymeetsandevengoesbeyonduserrequirementsatthebeginningofthedesign,andwinsrecognitionandfavorablecommentfromusers.
Keywords:
TurbineCompressor;speedregulation;anti-surge;Tricon
第1章绪论
1.1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。
1.2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,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(ProgrammableLogicController)。
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30-40%。
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。
1.3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。
1.4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WonderwareIntouch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。
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]。
2.1透平系统的原理及应用
2.1.1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0.1MPa)下排出,供作它用;KT2501、KT1503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,称为工作的一个级,级与级之间用隔板隔开,第一级出来的蒸汽进入第二级,第一级的喷嘴装在汽缸的隔板上,蒸汽经过第二级喷嘴,再次降压、降温、升速,然后去推动第二个叶轮,依次类推,这种透平称为多级透平,多级透平的喷嘴和动叶片是相间排列的,大功率透平将几级叶轮装在一个汽缸内,根据蒸汽工作压力分为高、中、低压缸,有时一个缸还可分成几段,每段都有几个叶轮[6]。
汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。
在汽轮机中,蒸汽在喷嘴中发生膨胀,压力降低,速度增加,热能转变为动能。
如图2.1所示:
高速汽流流经动叶片时,由于汽流方向改变,产生了对叶片的冲动力,推动叶轮旋转做功,将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。
透平结构主要由转动部分、静止部分、控制部分组成。
转动部分:
主要有主轴、叶轮(或转鼓)、动叶片、止推盘、危急保安器、联轴节等。
其中转子的作用是将蒸汽的动能转变为机械能,传递作用在叶片上的蒸汽圆周分力所产生的扭矩,向外输出机械功。
静止部分有汽缸、隔板、喷嘴、静叶片、汽封轴承等。
控制部分有调节装置、保护装置。
调节装置作用:
在稳定工况时保证转速不变且规定值,在负荷变化时,由调节系统来实现转速变化的偏差不超过规定范围;保护装置:
在汽轮机发生不正常的工况时,能自动保证设备的安全不致引起严重事故。
图2.1冲动式汽轮机工作原理图
Fig.2.1Impulseturbineworkingprinciplediagram
2.1.2透平调节系统
为了调节汽轮机的功率和转速,每台汽轮机有一套由调节装置组成的调节系统。
另外,汽轮机是高速旋转设备,它的转子和定子间隙很小,是既庞大又精密的设备。
为保证汽轮机安全运行,配有一套自动保护装置,以便在异常情况下发出警报,在危急情况下自动关闭主汽阀,使之停运。
调节系统和保护装置常用压力油来传递信号和操纵有关部件。
汽轮机的各个轴承也需要油润滑和冷却,因而每台汽轮机都配有一套润滑油系统[7]。
总之,汽轮机设备是以汽轮机
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