GE能源集团ITCC - 透平压缩机综合控制系统.pdf

GE能源集团 效益与喘振之间的 平衡之道 ITCC 透平压缩机综合控制系统 1 前言 GE能源集团的优化与控制业务部门通过 提供专业和优质的产品及服务 帮助用户 解决目前广受关注的工厂性能优化及控制问 题 通过预测性状态监测降低资产生命周期 成本 通过先进控制系统提高设备运行灵活 性 可靠性及效率 先进的钻探技术用于能源开采 全面的咨询和多种形式的合约式服务提 高设备可靠性及有效维护 先进的燃煤发电厂燃料成本 效率及配 比智能软件 为您实现收入最大化 成 本最小化 通过将这些解决方案整合在一起 我们 不仅能够更轻松地满足您的需求 还为您提 供更好的用户互动平台 依托GE全球配置的优质服务资源 优化 与控制业务370名员工在中国8个城市为您 提供本地化服务 其中170名工程及服务专 家随时为您提供专业支持 我们充分熟悉您 的行业 深入了解您的需求 真正的本地化 服务结合全球技术优势 不断为您提供新一 代更为先进的产品和完整的解决方案 实现 客户利益最大化 GE早在上世纪60年代就已经开始研制 透平控制系统 经过40多年的实践和经验 积累 已经推出了6代产品并成功应用于上 万台机组 其中约400台应用于ITCC控制领 域 Mark Vie是当前GE用于机组控制的尖端 产品 它采用了领先的透平压缩机控制系统 设计理念 提供非常灵活的冗余配置 高速 的计算和数据通讯 且安全性完全符合国际 标准 透平 压缩机综合控制ITCC 透平与压缩机综合控制技术 透平与压缩机综合控制技术ITCC是上世纪末出现的用于控制和保护压缩机的新技 术 它是基于先进的电子技术 通讯技术及控制算法 与传统的压缩机控制技术相 比 它可以帮助用户更有效 更安全地操作压缩机 同时节省能耗 传统的透平及压缩机控制 透平及压缩机控制包括 调速控制 Speed Control 过程控制 Process Control 和压缩机控制 Compressor Control 过去 这三个控制系统是三个相互 独立的控制系统 并由三家供应商提供 对于控制对象而言 这样的系统构成不利于 控制回路之间的相互配合 如解耦等 会增加调节难度 用户的维护成本也会增加 如备品配件 培训等 整体的可靠性和效率低下 透平及压缩机综合控制 随着电子技术和通讯技术的发展 现在将三个独立的控制集成在一起 由一个控 制系统平台来完成调速控制 过程控制和压缩机控制 这种集成控制系统已经显示出 其在控制策略 系统可靠性 项目管理 维护成本等方面的优越性 ITCC控制系统与常用的过程控制系统DCS相比有明显的特殊性 首先 ITCC系统可 靠性高 可以实现三重冗余TMR 其次 由于透平和压缩机的动态对象调节特性的要 求 ITCC相对DCS而言具有更快的执行周期 还有 在调节的过程中 透平与压缩机之 间 压缩机各段之间都会产生耦合效应 ITCC系统有专业的解耦算法来消除或控制这 种耦合 透 平 SICPICUIC PT PT TTFT 透平转速控制过程控制防喘振控制 压 缩 机 工艺过程 23 C3R First Stage Head vs ACFM 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 01234567 ACFM 10 4 Isentropic Head 10 3 Ft 初始喘振控制线 新的喘振控制线 这是在一个大型乙烯厂的丙烯冷却压气机第一 段性能曲线 重新设置的喘振控制线为用户降 低了能耗 每段节约312马力 每天 674 或者 每年 264 000 其他各段的节约还将递增 以上数据是以当地原料价格为基础 仅供参考 GE ITCC的特点 灵活的冗余配置 控制器 网络和I O都可根据用户的需要做 单 双冗余和三冗余TMR配置 高速运算能力 支持远程I O 通过光纤连接远程I O 传输距离可达2Km 专业的防喘振控制算法 专利的RateControl速率控制器 对不同的应用软件可以按用户需求组态 系统使用全 Polytropic head 算法达到标准 化并得到最佳性能 当变送器故障时维持对压缩机的保护 自动PID增益补偿可以在所有工况条件下提供 最佳调节 使用 Pre Pack 启动循环阀超程控制来克服 系统滞后 各层解耦算法 提高过程效率并降低能耗 允许压缩机工作得更靠近喘振线 减少循环量 节省成本 能优化系统的整体性能 而不仅仅是单个元件 明显提高系统可靠性 降低压缩机控制器和透平控制器之间的相互影 响 最大程度降低喘振事件发生的风险 解 耦 5个独立的控制响应可应对任何的过程倒流 操作和维护成本最小 更快捷和交互的控制实质上消除了喘振事件 延长了压缩机寿命并降低了维护成本 易用的诊断和维护工具 I O I O Packs 45 Mark VIe系统控制器 可以按用户要求实现单 双冗余及 三冗余 高度集成化 工作状态指示LEDs CPU主频667 MHz 快达10ms的执行周期 3 IONet接口 2 UDH接口 采用DC24V供电 低功耗设计 12W 良好的散热设计 无需风扇 环境温度0 65 Mark VIe系统网络交换机 可以按用户要求实现单 双冗余 及三冗余 工业级以太网交换机 提供8 16个10 100M RJ 45以太网 口 1个光线口 可选 双色LEDs状态显示 MTBF 2M hours 高速背板可达 2 6Gb s 工作温度 40 to 85 湿度 10 to 95 非凝结 Mark VIe系统I O模块 可以按用户要求实现单 双冗余 及三冗余 I O模块直接插在端子板上 可以 热插拔 I O模块带有主频为233MHz的CPU 双100MB以太网全双工端口 诊 断专用红外端口 使用光纤 远程I O可达2km 有多种通用和专用I O模块供选择 带有环境温度传感器 工作状态指示LEDs 环境温度 30 65 Mark VIe系统介绍 Mark VIe 系统硬件 Mark VIe系统结构 转速伺服 压力温度透平压缩机 辅助系统 负荷驱动 压缩机 泵 I O网络 100MB以太网 单元高速数据 公路UDH 100MB以太网 公路PDH 控制器 I O模块 操作员站历史站本特利S1 本特利3500 工厂高速数据 100MB以太网 Mark VIe系统在网络通讯结构上分为三层 分别是工 厂数据高速通道 PDH 单元机组数据高速通道 UDH 和I O 网络 I ONet 都使用10 100MB以太网 其中I ONet可实 现三重冗余 UDH可实现双冗余 在通讯结构上最大程度 地减少了通信故障 I O模块作为I ONet以太网的节点可以很方便地实现 远程I O 并且I ONet具有很好的可扩展性 Mark VIe提供多种对外通讯接口 包括 Modbus 串 口 以太网 客户 服务器 GSM 以太网TCP IP服务器 OPC Ethernet 客户 服务器 DNP 3 0 Serial Ethernet 服务器 PI 服务器接口 如果需要 Mark VIe还可以在I O层提供Modbus及Hart接口 67 Mark VIe组态软件ToolboxSTTM 硬件组态 直接拖入式组态 I O点查看 增加 删除及校验 组态模块上的LED的状 态与实际模块显示需相同 每个I O模块均配有带时标的详细诊断信息 硬件组态易学易用 循环阀 Decoupling 解耦 Purge Position吹扫位置 Hard Manual 硬手操 Valve Characterizer阀门特性 Dead Zone 死区 Overstroking 超程 高 选 高 选 Closing Rate Limit关阀速率限制 最后输出 Rate Antisurge Control 速率控制 Main Antisurge Control 主防喘振 Boost Function 跳变功能 SMP喘振最小位置 Manual with Backup 手动 带后备 Sequencing 顺序控制 P1 Override 吸气压力超驰 P2 Override 排气压力超驰 External Function 1 外部功能 External Function 2 外部功能 External Function 3 外部功能 OptiComp控制算法 OptiComp是GE优化与控制在总结了多年的经验的基础上形成的对于透平和压缩 机综合控制的最佳方案 它包括了对压缩机工作点位置的计算 专利的防喘振控制 算法 喘振检测等 使压缩机的操作范围最大化 根据工况的不同 自动实现防喘振回路增益补偿 专用的变化率控制器用于当压缩机工况突然变化时实现快速控制响应 开环的输出跳变进一步阻止喘振 根据OP的位置和变化速率及时有效阻止倒流和喘振 使用多个参数及其变化速率检测喘振的发生 89 Stage 1Stage 2Stage 3Stage 4 1st Stage Suction 1st Stage FI 35001 PI 35001 TI 35001 PV 36002 SV 36001 SI 36001 2nd Stage Suction 3rd Stage Suction FV 35001 FI 35002 PI 35005 TI 35002 FI 35101 PI 35041 TI 35004 TI 35042 FV 35002 FV 35003 2nd Stage3rd Stage4th Stage 4th Stage Suction FV 35004 PI 35031 TI 35003 PI 35040 FI 35004 Vib OverviewTurb DetailTurb ControlStage 1Start PermsStart SeqLube OilSeal Gas A1Propylene System Overview Compressor Stage 4 Compressor Stage 3 Compressor Stage 2 Compressor Stage 1 Turbine FI 35003 LIQD QUENCHLIQD QUENCHLIQD QUENCH CONDENSATE STEAM LP STEAM PI 36002 XZL 35010A XZL 35010B XZL 35010C Common Alarm Common Trip Lube Oil Fault Seal Gas Fault GOVERNOR VALVE XZ SOV 36024 XZ SOV 36022 T T VALVE XV 36020 11 FSOV 3500111 FSOV 35002 11 TSOV 3500111 TSOV 35002 A M DEGC DEGC A M DEGC DEGC A M DEGC DEGC 11 TSOV 35004 11 FSOV 35003 MPaG RPM 11 D 350111 D 350211 D 350311 D 3504 DegC MPaG kg hr kg hr MPaG kg hr MPaG DegC kg hr MPaG DegCDegC kg hr MPaG DegC REMOTELOCAL ONLINEOFFLINEONLINEOFFLINEONLINEOFFLINEONLINEOFFLINE hP Torque Speed NM RPM KW 11 FSOV 35004 C1Propylene Compressor Stage 1 SURGE CAPTURE Suction Deriv Disch Deriv Speed Deriv Flow Deriv Q 2 H Surge Counter CONTROL VALUES Suction Pressure Disch Pressure Suction Temp Discharge Temp Specific Gravity Specific Heat K Pressure Ratio Polytropic Head Inlet Flow CALCULATIONS CONSTANTS Min Flow Compressor Map IN CONTROL Auto Output Decoupling Manual Output Valve Min Position ANTI SURGE CONTROLLER Setpoint WS PV Output 100 0 Compressor Stage 1 PI 35001 FI 35001 TI 35001 REMOTELOCAL ONLINEOFFLINE KPag KPag DegC DegC Polytropic Head Nm kg x 10 Kgm Kg 3 acmh x 10 3 Stage 1 Trend Kg hr MPaG DegC Sys OverviewVib OverviewTurb DetailTurb ControlStart SeqLube OilSeal GasStart Perms RESET BOOSTANTI SURGE PIDMANUALSUCT PRS OVERRIDEDISCH PRS OVERRIDERATE CONTROLLERSTART UP POSITIONERAUX CONTROL 1AUX CONTROL 2AUX CONTROL 3ROUTINE DEACTIV AUTOMANUALMANUAL W BKUP AUTO MAN W BACKUP OPENCLOSE MAN RESET TE FT TE PT PT TE PT FT TE FT PT FT 压缩机第1段 转速控制 性能压力控制 防喘振阀 富气压缩机 压缩机第2段 FT 防喘振阀 应用领域 GE Mark VIe ITCC用于炼油 乙烯 化工及管线传输等工艺过程 对包括气体处理工艺中所 使用的残气压缩机 增压机 冷却压缩机及膨胀机等在内的离心压缩机 轴流压缩机等进行转速 控制 防喘振控制和负荷控制 以及透平与压缩机之间 压缩机各段之间的解耦控制 炼油应用 富气压缩机 催化裂化主风机 循环氢压缩机 焦化气压缩机等 富气压缩机 富气压缩机是炼油催化裂化工艺过程中的关键机组之一 反应器压力受到分馏系统的影响 最终由富气压缩机入 口压力决定 GE ITCC可以实现机组启 停机控制 调速控制 辅助润滑油系统控制 密封系统控制等 在保证透平压 缩机设备安全的基础上可以帮助用户实现自动负荷调节 应用组态 可现场组态 浮点计算 动态数据显示 算术功能块 用户功能块 梯形功能块 密码保护 布尔及模拟量强制输出 自动生成应用组态文件 显示各应用块之间的相互关系 趋势组态 自动上载数据块 毫秒级分辨率 拖放变量到趋势生成器 每个趋势图可有100个变量 左右拖拉时间轴 双光标 停机趋势上的报警信息 和趋势链接的事件记录 友好的人机界面HMI 1011 乙烯应用 裂解气压缩机 丙烯压缩机 乙烯压缩机等 丙烯压缩机 丙烯压缩机是乙烯装置里三大关键机组之一 其特点是压缩机由多段组成 并在同一轴系上 各段有独立的防喘振控制回路 GE ITCC除可以实现主机系统控制及辅助系统控制外 还可以实现防喘振控制回路之间的解耦 最大程度改善机组整体运行效率 化肥应用 合成气压缩机 氨压缩机 二氧化碳压缩机 工艺空气压缩机等 氨压缩机 氨冷冻压缩机的主要作用是提供稳定的低温环境 使反应得到的氨气液化 GE ITCC可以集成透平控制 各段防喘振控制 负 荷控制 及辅助系统控制等 FT FT TE PT XV H TE PT PT LT HY 压缩机第1段 转速控制 性能压力控制 隔离阀 手动控制阀 压缩机第2段压缩机第3段压缩机第4段 丙烯压缩机 LTLT LT XV H 隔离阀 PT TE FT XV H 隔离阀 PT TE TE FT TE PT FT XV H 隔离阀 XV H 隔离阀 I P 温度控制阀 TY I P 防喘振阀 防喘振阀 FY I P 防喘振阀 防喘振阀 温度控制阀 FY I P FY I P FY I P 液位控制阀 LY I P 液位控制阀 LY I P 液位控制阀 LY I P LY I P 温度控制阀 TY I P 温度控制阀 TY I P TE 压缩机第1段压缩机第2段压缩机第3段压缩机第4段 氨压缩机 FT TE PT FT TE PT TE PT FT PT TE PT TE PT PT TE PT TE PT 防喘振阀 转速控制 性能压力控制 FY I P 防喘振阀 FY I P 防喘振阀 FY I P 防喘振阀 FY I P 压