CN105443173B - 用于pta装置能量回收的机组控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于PTA装置能量回收的机组控制***，汽轮机、减速机、压缩机、膨胀机顺序连接，第一辅机***与汽轮机连接，第二辅机***与压缩机、膨胀机连接；所述控制装置与汽轮机、压缩机、第一辅机***、第二辅机***连接。控制方法包括：控制第一辅机***、第二辅机***中各个阀位于初始状态；启动汽轮机带动压缩机组进行第一次暖机，当汽轮机转速到达第一设定值并保持设定时间后，进行第二次暖机；当转速到达第二设定值并保持设定时间后冲过临界转速值，然后达到额定转速；进入额定转速阶段进行防喘振控制，控制第二辅机***各个阀的开闭并带动汽轮机保持设定转速。本发明实现了最优化的负荷调节与切换，实现能源的梯级高校利用，实现整套***的能力平衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种化工领域的PTA装置用能量回收控制***和方法，具体地说是一套计算机控制***应用于PTA装置用三机组的控制，保证整个能量回收的控制***及其方法。
背景技术
PTA(Purified Terephthalic Acid)是精对苯二甲酸的简称。常温下外观为白色晶体或粉末，无毒，无味，主要用于生产聚酯(PET)，聚酯经过抽丝可得到占化学合成纤维70％的涤纶纤维，PTA是生产聚酯纤维的主要原料，广泛用于与化学纤维、轻工、电子、建筑等领域。不仅食品包装中越来越多地应用聚酯材料，而且在医药、化妆品等非食品包装中以及在PBT工程塑料、不饱和聚酯树脂等行业的应用都具有广阔的前景。
PTA机组的控制是目前压缩机领域工艺最复杂、控制要求最高的，PTA装置分为氧化单元和加氢精制单元两部分，而压缩机则是该装置的核心设备。在整个装置的运行中起到了核心的作用。它不仅要保护机组的安全稳定运行，而且根据工艺需要，实时监控压缩机的运行工况。因此，***的智能性、安全性、适用性尤为重要。对于空压机组的ESD(Emergency Shutdown Device)***，不仅要保证机组的安全，更要在事故状态下，对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行响应和保护，以保证人员、机组和装置的安全。
空压机组是PTA装置的核心设备，它除了承担输送大量空气的任务外，还需承担装置能量平衡和尾气利用的功能。压缩空气中的大部分氧气在氧化反应器中与PX反应消耗掉，反应后的尾气一部分经处理后用于装置的保安和粉料输送，其余进入尾气膨胀机进行能量回收。氧化反应热产生的副产蒸汽通过蒸汽轮机回收能量，现有控制***不能保证机组的最大效率化，该机组正常运行时控制***的防喘振阀全部关闭，如遇到工艺波动等，防喘振阀会快速打开。不会防喘振阀始终不能关闭而导致一部分能源损失掉。另外，PTA控制***控制复杂，开车时需要大量人员操作，启动时间长，控制***反应时间长，要求控制***配置高。
发明内容
本发明目的是提供一种新型的氧化反应流程用的空压机、能量回收机组综合控制***及其控制方法，以克服上述缺陷。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：用于PTA装置能量回收的机组控制***，包括汽轮机、减速机、压缩机、膨胀机、第一辅机***、第二辅机***以及中控***；汽轮机、减速机、压缩机、膨胀机顺序连接，第一辅机***与汽轮机连接，第二辅机***与压缩机、膨胀机连接；所述控制装置与汽轮机、减速机、压缩机、膨胀机、第一辅机***、第二辅机***连接。
所述汽轮机通过第一联轴器与减速机连接；减速机通过第二联轴器与压缩机、膨胀机依次连接。
所述第一辅机***包括凝汽器装置、启动蒸汽调节阀、速关阀、主气门调节阀、第一补气阀、第二补气阀；
所述汽轮机的第一输入端依次通过主气门调节阀、速关阀与启动蒸汽调节阀连接；汽轮机的第二、第三输入端分别连有第一补气阀和第二补气阀，分别用于输入0.1MPaG的副产蒸汽和0.25MPaG的副产蒸汽；汽轮机的排气口与凝汽器装置连接。
所述第二辅机***包括能量回收阀、冷空气入口阀、尾气入口切断阀、压缩机入口导叶、膨胀机一级入口导叶、膨胀机二级入口导叶、第一防喘振调节阀、第二防喘振调节阀、空气入口过滤器；
所述压缩机的入口经压缩机入口导叶、空气入口过滤器与空气入口连接；压缩机的出口通过并联的第一防喘振调节阀和第二防喘振调节阀放空，该出口还经并联的能量回收阀和冷空气入口阀后，再通过膨胀机一级入口导叶与膨胀机的入口连接；
所述膨胀机的入口经膨胀机一级入口导叶、膨胀机入口切断与尾气入口连接；所述膨胀机的二级入口导叶与膨胀机的二级入口连接。
所述中控***包括压缩机控制***、安全控制***、轴系监测***、DCS***、上位机监控画面；
所述压缩机控制***与安全控制***通过OPC协议进行通讯；安全控制***与轴系监测***、以及压缩机控制***与DCS***均通过串口Modbus协议进行通讯，上位机监控画面通过以太网与压缩机控制***、安全控制***、DCS***通讯；
所述压缩机控制***与启动蒸汽调节阀、第一防喘振调节阀、第二防喘振调节阀、速关阀、主气门调节阀连接；还分别与压缩机入口导叶、膨胀机一级入口导叶、膨胀机二级入口导叶各自连接的电磁阀连接；还与能量回收阀、冷空气入口阀、汽轮机的入口压力传感器、压缩机的入口/出口压力和温度以及出口差压传感器连接；
所述安全控制***与第一补气阀、第二补气阀、尾气入口切断阀；
所述轴系监测***与汽轮机、减速机、压缩机、膨胀机内的轴振动传感器和温度传感器连接。
用于PTA装置能量回收的机组控制方法，包括以下步骤：
控制第一辅机***、第二辅机***中各个阀位于初始状态；
压缩机组具备启动条件；
启动汽轮机带动减速机、压缩机、膨胀机进行第一次暖机，当汽轮机转速到达第一设定值并保持设定时间后，进行第二次暖机；当转速到达第二设定值并保持设定时间后，进行第三次暖机；当转速冲过第三设定值后达到额定转速时，进入额定转速阶段进行防喘振控制，并根据设定的压缩机组参数控制第二辅机***各阀的开闭并使汽轮机保持设定转速。
所述控制第一辅机***、第二辅机***中各个阀位于初始状态包括：第一补气阀和第二补气阀关闭，能量回收阀和冷空气入口阀全开，膨胀机入口切断阀关闭，压缩机入口导叶开度为设定值A，膨胀机一级入口导叶、二级入口导叶开度为设定值B，防喘振调节阀为全开。
所述汽轮机转速超过第三设定值并小于额定转速时，第一防喘振调节阀和第二防喘振调节阀同时以设定速率关闭，同时控制压缩机入口导叶以设定速率打开，使压缩机出口压力达到压力设定值。
所述防喘振控制包括以下步骤：
1)测量压缩机的入口、出口温度，入口、出口压力以及出口流量；
2)将孔板差压转换为入口流量的平方qr2作为防喘振曲线的横坐标；
3)根据压缩机出、入口的压力转换为压比Rc作为防喘振曲线的纵坐标；
4)根据入口流量的平方qr2、压比Rc得到动态防喘振控制曲线：
Ss＝qr2(,sll)/qr2(,op)
其中，qr2(,sll)为喘振点的流量平方，qr2(,op)为正常运行点的流量平方，分别利用下式得到：
qr2＝(△Po,d*Pd/Ps2*Ts/Td)/Ps；
其中△Po,d为喘振点/正常运行点的出口差压，Td为喘振点/正常运行点的出口温度；Pd为喘振点/正常运行点的压缩机出口压力，Ps为喘振点/正常运行点的压缩机入口压力，Ts为喘振点/正常运行点的压缩机入口气体温度；
5)根据动态防喘振控制曲线，得到工作点至喘振点的距离d，再根据设定的安全裕度b计算出DEV值即DEV＝d-b；
当DEV值小于零时，控制防喘振调节阀同时以设定的速率打开阀门直至全开；
当DEV值等于零时，防喘振调节阀保持当前阀门开度；
当DEV值大于零时，控制防喘振调节阀同时以设定的速率关闭阀门直至全关；
其中，b为设定的安全裕度。
所述根据设定的压缩机组参数控制第二辅机***各阀的开闭包括：
所述防喘振调节阀根据动态防喘振控制曲线中工作点与防喘振线的偏差作为参考值进行PID控制；
所述能量回收阀在防喘振调节阀开/闭前进行开/闭，具体为：DEV＝d-2×b，d为动态防喘振控制曲线中工作点至喘振点的距离，b为设定的安全裕度；
当DEV值小于零时，控制能量回收阀打开设定开度；
当DEV值等于零时，控制能量回收阀保持当前开度；
当DEV值大于零时，控制能量回收阀关闭；
能量回收阀根据开度作为参考值进行PID控制；
所述压缩机入口导叶根据压缩机出口压力对阀开关角度进行PID控制。
所述根据设定的压缩机组参数控制第二辅机***各阀的开闭还包括：当防喘振控制中的DEV与2×b的和超过阈值时，控制能量回收阀、冷空气入口阀在若干秒内关闭。
停车时，控制能量回收阀、冷空气入口阀、防喘振调节阀全开，控制压缩机入口导叶关闭，膨胀机入口切断阀、膨胀机一级入口导叶、二级入口导叶保持关闭；启动蒸汽调节阀、第一补气阀、第二补气阀关闭。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明将汽轮机、压缩机、膨胀机共用一套辅机***，完成装置蒸汽动力平衡，实现高校、稳定、安全联产功能，减少装置运行维护人员，减少设备运行故障点，减少装置运行维护费用，操作简便、灵活，易实现装置的集中控制和管理。
2.本发明采用多个阀门和导叶配合。能够使机组效率最大化，保证整套***的能力平衡，使整体机组安全可靠地长期连续运行
3.本发明的防喘振采用采用两个调节阀，均带有电磁阀，能够实现快开慢关功能，且防喘振控制能够平稳，快速调节达到保护压缩机组的作用。
4.本发明实现了工业流程中能源利用的最大化。采用膨胀机驱动压缩机，比单独采用汽轮机驱动压缩机，即节省蒸汽，又不用采用大功率的汽轮机的两重损失；同时将流程中产生的低品位的蒸汽提供给汽轮机，将流程中的尾气提供给膨胀机，汽轮机和膨胀机共同驱动压缩机做功，根据需要实现最优化的负荷调节与切换，实现能源的梯级高校利用，实现整套***的能力平衡。
5.本发明稳定、可靠，具有明显的经济、和社会效益。
6.本发明通过对CCC、HIMA控制器的硬件和软件的研究和开发，使其在软硬件应用方面能够灵活运用，双重化冗余容错的硬件体系结合全面的冗余容错技术和故障策略，使得***可靠性达到99.99％。
附图说明
图1为本发明的***结构图；
图2为本发明的中控***架构图；
图3为本发明的防喘振控制曲线图一；
图4为本发明的防喘振控制曲线图二；
图5为本发明的防喘振控制流程图；
图6为本发明的升速曲线曲线图；
图7为转速控制流程图一；
图8为转速控制流程图二；
其中，1汽轮机，2减速机，3压缩机，4膨胀机，5凝汽器，6凝结水泵，7-1热井液位循环阀、7-2热井液位排放阀，8启动蒸汽调节阀，9第一补气阀，10第二补气阀，11能量回收阀，12冷空气入口阀，13膨胀机入口切断阀，14压缩机入口导叶,15膨胀机一级入口导叶，16膨胀机二级入口导叶，17第一防喘振调节阀，18第二防喘振调节阀，19速关阀，20主汽门调节阀，21空气入口过滤器，30压缩机控制***,31安全控制***，32轴系监测***，33DCS***，34上位机监控画面，110第一联轴器，120第二联轴器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括汽轮机1、减速机2、压缩机3、膨胀机4和辅机***，组成压缩机组；其中，汽轮机1通过第一联轴器110与减速机2连接组成驱动源机组；减速机2通过第二联轴器120与压缩机3组成汽轮机驱动压缩机组；压缩机3通过第二联轴器120与膨胀机4组成膨胀机驱动压缩机组；所述汽轮机和膨胀机是通过两个联轴器连接的，两者共用辅机***完成装置蒸汽动力平衡。
所述辅机***包括凝汽器5、凝结水泵6、热井液位调节阀(热井液位循环阀7-1和热井液位排放阀7-2)、启动蒸汽调节阀8、速关阀19、主气门调节阀20、第一补气阀9、第二补气阀10、能量回收阀11、冷空气入口阀12、膨胀机入口切断阀13、压缩机入口导叶14、膨胀机一级入口导叶15、膨胀机二级入口导叶16、第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18、空气入口过滤器21。
汽轮机1的排气口连接到凝汽器装置中的凝汽器5的输入端，凝汽器装置内的凝汽器5、凝结水泵6、热井液位调节阀排放阀7-2通过管道依次连接，凝汽器5的输入端经热井液位循环阀7-1与热井液位调节阀排放阀7-2依次连接。凝汽器装置5将汽轮机出口的气体进行冷凝，产生的液体放置在罐体中(热井)，再根据热井液位来控制排放阀7-2和循环阀7-1；
蒸汽入口，通过启动蒸汽调节阀8、速关阀19、主气门调节阀20依次连接到汽轮机1的入口(输入端1)。启动蒸汽调节阀8是启动汽轮机时所用气源的调节阀。来控制蒸汽的流量；速关阀19，是控制蒸汽的两位阀。机组具备启动时要先开启速关阀19，当机组出现故障停机时，该阀快速关闭；主气门调节阀20是控制压缩机负荷用的，来调节汽轮机转速的调节阀；
流程中产生的低品位的蒸汽通过管道连接汽轮机的输入端，也就是将0.1MPaG副产蒸气补气源经过气液分离罐连接到汽轮机1的输入端2，将0.25MPaG副产蒸气补气源经过气液分离罐连接到汽轮机1的输入端3。第一补气阀9、第二补气阀10分别是不同压力的副产蒸汽切断阀，机组停车时要关闭这两个阀门。
能量回收阀11的入口连接压缩机3的输出端，能量回收阀11的出口连接膨胀机的入口，再经过膨胀机一级入口导叶进入膨胀机。所述冷空气入口阀12与能量回收阀并联。能量回收阀11是在机组启动过程中，当压缩机出口气体压力达到一定值时，通过该阀进入膨胀机组进行做功，以减少汽轮机做功，从而减少蒸汽进气量；冷空气入口阀12是膨胀机在启动过程中，通过该阀使冷空气进入膨胀机，防止膨胀机发热，保护膨胀机。
尾气入口切断阀13入口连接尾气，尾气入口切断阀13的出口连接膨胀机4的入口，再经过膨胀机一级入口导叶进入膨胀机4。尾气入口切断阀13是当尾气压力达到一定值时，打开该阀，使尾气进入膨胀机做功。
压缩机入口导叶调节阀14连接到压缩机3的入口，外部空气经过空气入口过滤器21后，再经过压缩机的入口导叶14进入压缩机3。压缩机入口导叶14是通过改变压缩机入口导叶的角度来调节压缩机的流量和压力的。
所述膨胀机一级入口导叶15连接到膨胀机4的入口，能量回收阀11、冷空气入口阀12、尾气入口切断13，通过管路连接到膨胀机一级入口导叶15的输入端。所述膨胀机二级入口导叶16连接到膨胀机4的二级入口，通过管路连接到膨胀机二级入口导叶16的输入端。膨胀机一级入口导叶15是通过改变膨胀机一级入口导叶的角度来调节膨胀机的一段入口压力的；膨胀机二级入口导叶16是通过改变膨胀机二级入口导叶的角度来调节膨胀机的二段入口压力的。
其中，压缩机入口导叶14、膨胀机一级入口导叶15、膨胀机二级入口导叶16均由中控***控制实现开闭。能量回收阀11、冷空气入口阀12、第一补气阀9、第二补气阀10、第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18、膨胀机入口切断阀13、速关阀19、主汽门调节阀20均带有电磁阀，上述阀门能够实现迅速开闭功能。启动蒸汽调节阀8不带电磁阀，只能调节，不能实现迅速开闭功能。
所述第一防喘振调节阀17和第二防喘振调节阀18为型号参数完全相同的阀门，均连接压缩机3的输出端，经过防喘振调节阀17进行放空。防喘振调节阀17、18是防止压缩机喘振用的，根据压缩机性能曲线，当压缩机的工作点进入到防喘振线时，打开阀门，压缩机出口压力下降，流量增加使压缩机不发生喘振。
空气入口过滤器21是过滤入口空气用的，防止杂质进入压缩机组。
压缩机的输出端提供一定温度、压力的空气送往氧化反应流程。
如图2所示，中控***包括压缩机控制***30,安全控制***31，轴系监测***32，DCS***33，上位机监控画面34；其中压缩机控制***30采用CCC(Compressor ControlsCorporation)S5VANG-D10-02冗余***(CCC S5SYSTEM),安全控制***31采用HIMA H51q-HRS冗余***(HIMA SYSTEM)，轴系监测***32采用Bently3500轴系监测***(BNETLY3500SYSTEM)，DCS***33采用DCS横河***(DCS)，上位机监控画面34采用计算机监控软件CCC TrainView和HIMA Wizcon SOE(HMI Interface)。
CCC压缩机控制***30与HIMA安全***31是通过OPC协议进行通讯的，HIMA安全***31与Bently3500轴系监测***32是通过MODBUS RS485串口进行通讯的，CCC压缩机控制***30和HIMA安全***31分别与DCS横河***33是通过MODBUS RS485串口进行通讯的，上位机监控画面34与CCC压缩机控制***30是通过以太网进行通讯的。
CCC压缩机控制***(通过压力、差压、液位、温度变和脉冲送器)采集现场信号包括：
汽轮机、压缩机、膨胀机的出口/入口的温度和压力，汽轮机转速，压缩机流量，开启启动蒸汽调节阀8后压力，凝气器5热井液位，各种阀门状态信号等；阀门包括启动蒸汽调节阀8、第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18、速关阀19。
CCC压缩机控制***给现场阀门控制信号(通过执行机构)包括：
第一防喘振调节阀17和第二防喘振调节阀18的调节、冷空气入口阀12调节、能量回收阀11调节、压缩机入口导叶执行机构(调节阀14)调节、膨胀机入口导叶执行机构(调节阀14和16)调节、汽轮机凝气器循环(排放)阀7-1、7-2调节、启动蒸汽调节阀8调节、主气门转速调节阀20等。
Bently3500轴系监测***通过硬线连接压缩机、膨胀机、减速机、汽轮机的轴振动、轴位移及轴承温度传感器(开关量联锁点)等；采集现场信号(通过测振探头、测温电阻)包括：压缩机、膨胀机、减速机、汽轮机的轴振动、轴位移及轴承温度。
HIMA安全***采集现场信号(通过压力变送器、测温电阻)包括：蒸汽入口分离器液位；汽轮机排气温度；给现场阀门控制信号(通过控制阀门内磁铁的通电和断电，使阀门得电、失电)包括：第一防喘振调节阀17和第二防喘振调节阀18、冷空气入口电磁阀12、能量回收电磁阀11、膨胀机入口切断电磁阀13、第一补气阀9、第二补气阀10、联锁停车等。
本发明不同于一般压缩机组的防喘振控制，用横、纵坐标值(流量、压力)显示来控制防喘振阀的开度，而是引入一个偏差参数DEV的正负值来控制防喘振阀的开度；反应流程中的低品味0.1MPaG,0.25MPaG的副产蒸气通过汽轮机驱动压缩机，此时，可以关闭汽轮机启动蒸汽。汽轮机、压缩机、膨胀机共用一套辅机***，完成装置蒸汽动力平衡，并且，利用压缩机组向反应装置提供大量的压缩空气来作为氧气原料，减少装置运行维护费用，实现装置的集中控制与集中管理。同时汽轮机驱动压缩机做功，当压力没有达到反应流程所要求的设计压力1.492MPaA时，或者说反应流程还没有尾气进入膨胀机时，压缩机驱动膨胀机做功，实现能量回收控制，根据需要实现负荷调节，实现能源的梯级高效利用。
如图3、4所示，静态防喘振控制线是不随温度、压力参数变化而变化，喘振线是以流量为横坐标，以压力为纵坐标，根据特性曲线上喘振点集合构成的一条曲线，我们按照物理本质经过温度、压力补偿；用简化流量的平方和简化压头，经过多变压缩指数处理得到动态防喘振控制曲线，我们命名为Ss＝1为喘振线，当Ss<1时为安全操作区域，当Ss>1时为喘振区域。为了监控画面方便显示，引进了偏差DEV,DEV＝0为喘振线，当DEV>0时为安全操作区域，当DEV<0时为喘振区域。
基于这个动态防喘振线的防喘振控制方法无疑是一种精确的控制方法。以前由于种种原因，防喘振控制是以某一流量、压力变化而控制，这种比较粗放的防喘振控制做法，在如今越来越重视效率、节能越显得不合时宜，我们这种动态防喘振方案弥补了这一缺憾，控制更精确。
根据上述特性，对压缩机的防喘振控制功能设计了阶梯响应RTL控制线，喘振线SLL，防喘振控制线SCL,安全线(SOL)。
其中喘振线SLL是根据机组性能曲线设定的，防喘振控制线SCL是根据喘振线SLL加上裕度b设定的,阶梯响应RTL控制线是根据喘振线SLL加上一定裕度(该***为0.15)设定的，安全线(SOL)是根据喘振线SLL减去裕度(该***为0.1)设定的。它们均可以根据温度变化而变化，实现动态防喘振控制。防喘振控制***保证压缩机组运行工况点处于安全区域。
参见图5本发明的压缩机的防喘振控制***包括：传感器模块，用于测量出口的温度、压力、差压，及入口的温度、压力；简化流量的平方的转换模块，用于将孔板差压转换为简化流量的平方；动态防喘振控制模块，用于根据所述入口处的温度、压力、出口处的温度、压力、流量和压缩机的静态喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线，然后，根据压比和转化流量的平方，输入到防喘振调节器进行控制；防喘振调节器用于根据所述防喘振控制压比和所述传感器模块输入的出、入口压力，温度，差压，输出防喘振控制信号；执行机构，用于根据所述防喘振调节器输出的防喘振控制信号调节所述压缩机工作的正常运行点。流量、压力、温度经处理变为标准流量，供显示用。
下面结合具体实施对本发明的防喘振控制方法进一步说明:
第1步，测量压缩机的入口温度43℃，出口温度107℃，入口压力98.07KPaA,出口压力1.492MPaA，出口流量209000Nm3/h；
第2步，防喘振曲线横坐标的计算，即将孔板差压转换为入口简化流量的平方qr2。
其中，Ru为通用气体常数，R为特定气体常数，MW为气体分子量，Ps为入口压力，Δpo.s为通过测量元件的差压，Ts为压缩机入口气体温度，Zs为压缩机入口气体的压缩因子；Z和T分别等于Zs和Ts；
qr2＝(△Po,d*Pd/Ps2*Ts/Td)/Ps； (2)
其中△Po,d为出口差压，无论流量计安装在入口还是出口，最终参与防喘振控制的要转换为入口差压，再转换为简化流量的平方。Td为出口温度。
第3步，根据压缩机出、入口的压力转换为压比Rc。
Rc＝Pd/Ps； (3)
其中，Pd为压缩机出口压力，Ps为压缩机入口压力。
第4步，根据出、入口处的温度压力，通用、特定气体常数，气体分子量入口气体的压缩因子，测量元件的差压，计算动态防喘振控制曲线；
Ss＝qr2(,sll)/qr2(,op) (4)
其中，qr2(,sll)为喘振点的流量平方，qr2(,op)为正常运行点的流量平方，均通过公式(2)得到，公式(2)中各参数也分别为喘振点和正常运行点的参数。
第5步，根据防喘振控制曲线，引进工作点至喘振点的距离d，再根据安全裕度计算出一个值(DEV)，当这个值小于零、或大于零时，输出根据CCC***的喘振控制器输出到防喘振控制信号；
d＝1-Ss
DEV＝d-b
其中，b为安全裕度,根据机组性能设定，一般为0.2-0.3,该点所对应流量的百分数是：((1/qrt(1-b))-1)*100。
当DEV值小于零时，控制防喘振调节阀17、18同时以设定的速率打开阀门直至100％全开；
当DEV值等于零时，防喘振调节阀17、18保持当前开度；
当DEV值大于零时，控制防喘振调节阀17、18同时以设定的速率关闭阀门直至全关；
如图3所示，表一为喘振点的特性曲线的相关参数，计算如下：
表一
| Point | ① | ② | ③ | ④ | ⑤ | ⑥ |
| X1 | 14.2046 | 14.9694 | 15.4180 | 15.7036 | 15.9381 | 16.0197 |
| f1 | 5.8871 | 8.6107 | 10.9747 | 13.6650 | 17.0297 | 18.3262 |
如图4所示，工作点到达喘振线(SLL)或者在喘振线的左侧，就代表机组发生了喘振，此时的偏差值DEV小于零。工作点在防喘振线(SCL)左侧、喘振线右侧的时候处于调节保护状态，PID将打开防喘振阀来保护压缩机组，如果工作点仍然继续深入靠左，就会触发RT响应(阶跃响应)，RT响应期间会导致阀门每隔一段时间(可修改)就会打开一定角度(角度大小可修改)，如果RT响应都不能阻止工作点继续靠近安全线(SOL)，就会触发SO响应(安全响应)，SO响应直接使防喘振阀门开到100％，也就是全开。
第6步，根据防喘振控制信号控制执行机构(防喘振阀的开度)放空，使压缩机工作在正常运行点中。
本发明中各个阀的均采用PID控制器，分别为：
分别用于控制第一防喘振调节阀17和第二防喘振调节阀18的防喘振控制器，根据工作点到防喘振控制曲线的偏差得到的DEV值进行PID控制；用于控制压缩机入口导叶14的性能控制器，参考值为压缩机出口压力；用于控制能量回收阀11的能量回收控制器，根据工作点到防喘振控制曲线2倍的安全裕度b的偏差得到的DEV值进行PID控制；用于控制冷空气入口阀12的膨胀机冷却空气控制器，是手操器；用于控制膨胀机入口导叶15、16的膨胀机入口导叶控制器，参考值为膨胀机相应的入口压力。转速控制器用于控制汽轮机1的转速的，参考值为汽轮机的转速。
参见图6所述转速控制器，转速控制器的输出控制汽轮机主气门调节阀20的开度，改变蒸汽流量，保证机组在稳定的工作转速3000rpm下运行，无论其驱动设备的负荷或者蒸汽的质量如何变化。
根据现场实际情况设定自动时序，包括暖机时序,以及不同时序时的升速速率等诸多参数。
在此机组控制时不需远程控制，所以只需在本地控制状态。
开车前在按下CCC压缩机控制***的联锁画面的复位按钮之前，要先按下“Reset”按钮。当机组具备启动条件的时候，调速框中会提示“Ready Start”的字样，这时按下“Start”按钮机组就会启动。按下“Idle1”(暖机1)按钮机组会自动控制转速到达预先设定好的暖机1的转速，按下“Idle2”(暖机2)按钮机组会自动控制转速到达预先设定好的暖机2的转速，按下“Idle3”(暖机3)按钮机组会自动控制转速到达预先设定好的暖机3的转速，按下“Rated”(额定转速)按钮机组会自动控制转速到达预先设定好的最小连续可调转速的转速，这时会显示“RUN”。这时我们可以通过对“SP”设定值的修改来控制转速，这个设定值的修改范围只有预先设置好的连续可调转速范围(就是正常工作转速的范围)。现场的控制按钮如“升速”、“降速”、“超速试验”按下后就会即时生效。“升速”、“降速”按钮都是抬起时立刻保持当前转速。按下“Stop”按钮，机组会自动降速，直到停车。如果机组在进汽阀门打开到一定程度，但是机组转速在一定时间内不能达到某一转速(预先设定好的)的时候，调速***会自动联锁停车。
如图7、8所示，开车、运行过程的主要步骤：
5.1启车前如果CCC压缩机控制***的监控界面显示机组有联锁，则需要到联锁画面中寻找存在的联锁点(故障点)，并进行相关处理。
5.2联锁消除后，需要确定各个电磁阀的开关状态及初试设定值，例如：能量回收电磁阀11全开(得电)；冷空气入口电磁阀12全开(得电)；膨胀机入口切断电磁阀13全关(失电)；第一补气阀9全关(失电)；第二补气阀10全关(失电)；压缩机入口导叶14调节的设定值为1.342MPaG,防喘振阀的防超压保护设定值为1.340MPaG,启动蒸汽减压阀的设定值为0.88MPaG等。
5.3阀门确认后，需要到CCC控制***“开车条件”画面中确认满足所有的开车条件，压缩机具备启动条件(润滑油温度正常、压力正常，入口导叶全关，防喘振阀全开，顶升泵运行，机组无停车信号等)之后，就可以到CCC控制***“气路***”画面中启动汽轮机了。调速模块的启动顺序如下：
“启动”压缩机组具备开车条件后按下此按钮会使机组冲转；
“暖机1”按下会使机组达到暖机转速500rpm，暖机30分钟后，可以进入暖机2；
“暖机2”按下会使机组达到暖机转速1200rpm，暖机30分钟后，可以进入暖机3；
“暖机3”按下会使机组冲过临界转速区到达2800rpm，停留观察即可进入额定转速(运行)；
“额定转速”按下会使机组到达最小连续可调转速2950rpm(连续可调转速范围是2950rpm——3050rpm)；
在达到额定转速以前，要加速通过临界转速，
在进入“额定转速”后，可以进行机组的超速试验，按下CCC控制***画面上的升速箭头按钮并保持不动，直到机组转速达到4320rpm后，机组自动停车。4320rpm是保护机组的超速设定值。
正常运行后可停车，“停透平”按下会使机组正常停车。
正常停车后，关闭0.1MPa(G)、0.25MPa(G)补气阀9、10，关闭主气门调节阀20,同时确认转速降至为“0”。
在启动过程中:
1.防喘振控制器控制第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18。当转速低于2800rpm时，第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18处于全开状态。当机组进入紧急停车状态ESD时，防喘振控制器进入紧急停车状态，第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18瞬间打开。当转速高于2800rpm时，防喘振控制器进入自动运行状态，按照实测的喘振控制线进行防喘振保护。防喘振控制器偏差值DEV控制在0以上，出口压力高限控制(POC)使压缩机出口压力限制在1.44MPag以下。
2.压缩机入口导叶控制器当转速控制器没有进入正常转速控制范围2950rpm到3050rpm时，控制器处于停止状态，压缩机入口导叶14开度为12％。当转速处于正常控制范围，通过压缩机入口导叶14控制压缩机出口压力,压缩机出口压力设定值范围为1.1Mpag到1.4Mpag(缺省设定值为1.342Mpag)之间。
当转速达到一定程度(2800rpm)时，防喘振阀按照一定速率0.1％/s慢慢关闭，同时，压缩机入口导叶14以一定速率慢慢打开，直至压缩机出口压力达到设计值1.393MPaG,出口流量209000Nm3/h时方可进入氧化反应流程。
3.能量回收控制器,当膨胀机入口尾气切断阀处于全关状态时，能量回收控制器处于运行状态，控制防喘振控制器偏差值DEV，调整范围为0-0.2，能量回收阀11优先于第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18打开，将压缩空气能量回收回来。当膨胀机入口尾气切断阀13打开时，控制器处于停止状态，10秒内将能量回收阀11以一定速率完全关闭。
4.膨胀机冷却空气控制器，当膨胀机入口尾气切断阀13处于打开状态时，控制器处于运行状态，通过膨胀机入口导叶调节15控制膨胀机入口压力，调整范围为0.90Mpag到1.0MPag(缺省设定值为0.928Mpag)之间。当膨胀机入口尾气切断阀13关闭时，控制器处于停止状态，10秒内将冷空气入口阀12完全打开。
5.膨胀机入口导叶控制器，当膨胀机入口尾气切断阀13处于打开状态时，控制器处于运行状态，通过膨胀机1级导叶15和2级导叶16控制膨胀机入口压力，调整范围为0.9Mpag到1.0MPag(缺省设定值为0.9Mpag)之间。当膨胀机入口尾气切断阀关闭13时，控制器处于停止状态，10秒内将膨胀机1级导叶15和2级导叶16完全关闭。
转速控制器的输出控制主气门调节阀20的开度，改变蒸汽流量，保证机组在稳定的工作转速3000rpm下运行，无论其驱动设备的负荷或者蒸汽的质量如何变化，都要使汽轮机转速控制在3000rpm。
在启动时，启动蒸汽进入汽轮机来驱动压缩机，当压缩机出口气体达到一定压力后，气体进入膨胀机做功来驱动压缩机，当压缩机出口压力达到设计压力值后，气体进入反应流程，反应流程产生的副产蒸汽进入汽轮机，此时，启动蒸汽将减少用量，甚至启动蒸汽阀关闭。汽轮机和膨胀机共同驱动压缩机做功，实现整套***的能力平衡。
本发明能够确保机组安全。必须避免由于工艺波动(如反应流程故障)引起的转速波动而导致机组联锁。蒸汽轮机、膨胀机均设置超速保护装置，避免故障状态下机组超速或单机超速造成的损坏。
该机组需要维持工艺波动情况下压缩机出口压力的稳定，从而保证氧化反应的顺利进行。特别是反应器突然降负荷时，采用压力性能和防喘振协调控制来防止压缩机喘振和出口压力大幅波动。蒸汽轮机通过主蒸汽阀调整进入汽轮机的蒸汽量来保证功率平衡，维持转速的稳定。
氧化反应流程故障时，膨胀机负荷瞬时大幅下降，压缩机负荷瞬时大幅增加，对叶轮、齿轮和轴承带来的较大的冲击，控制上要避免瞬时振动过大带来的联锁停车。在氧化反应器跳车时，能量回收旁通阀应迅速打开补压并实时控制压力。
***设置能量回收气管路，保证开车工况、低负荷工况、反应流程故障工况等适当条件下压缩机出口多余空气的能量回收。同时确保机组运行期间，避免在高温下，尾气中的有机物与空气中的氧气有可能会发生的化学反应，空气不与尾气同时进入尾气膨胀机。膨胀机进口管线上接有自空压机出口管线引入的冷却空气，在没有能量回收空气或氧化尾气进入膨胀机的情况下，迅速注入膨胀机带走热量，避免膨胀机无工作介质空转状态下内部气体流场极度恶化所造成的膨胀机温度过高。
总之，保证机组在启车、反应器引发、副产蒸汽切换、尾气切换、反应流程故障等各种工况下的平稳运行。
Claims (10)
1.用于PTA装置能量回收的机组控制***，其特征在于：包括汽轮机(1)、减速机(2)、压缩机(3)、膨胀机(4)、第一辅机***、第二辅机***以及中控***；汽轮机(1)、减速机(2)、压缩机(3)、膨胀机(4)顺序连接，第一辅机***与汽轮机(1)连接，第二辅机***与压缩机(3)、膨胀机(4)连接；所述中控***与汽轮机(1)、减速机(2)、压缩机(3)、膨胀机(4)、第一辅机***、第二辅机***连接；
所述第二辅机***包括能量回收阀(11)、冷空气入口阀(12)、膨胀机入口切断阀(13)、压缩机入口导叶(14)、膨胀机一级入口导叶(15)、膨胀机二级入口导叶(16)、第一防喘振调节阀(17)、第二防喘振调节阀(18)、空气入口过滤器(21)；
所述压缩机(3)的入口经压缩机入口导叶(14)、空气入口过滤器(21)与空气入口连接；压缩机(3)的出口通过并联的第一防喘振调节阀(17)和第二防喘振调节阀(18)放空，该出口还经并联的能量回收阀(11)和冷空气入口阀(12)后，再通过膨胀机一级入口导叶(15)与膨胀机(4)的入口连接；
所述膨胀机(4)的入口经膨胀机一级入口导叶(15)、膨胀机入口切断阀(13)与尾气入口连接；所述膨胀机的二级入口导叶(16)与膨胀机(4)的二级入口连接。
2.根据权利要求1所述的用于PTA装置能量回收的机组控制***，其特征在于：所述汽轮机(1)通过第一联轴器(110)与减速机(2)连接；减速机(2)通过第二联轴器(120)与压缩机(3)、膨胀机(4)依次连接。
3.根据权利要求1所述的用于PTA装置能量回收的机组控制***，其特征在于：
所述第一辅机***包括凝汽器装置、启动蒸汽调节阀(8)、速关阀(19)、主气门调节阀(20)、第一补气阀(9)、第二补气阀(10)；
所述汽轮机(1)的第一输入端依次通过主气门调节阀(20)、速关阀(19)与启动蒸汽调节阀(8)连接；汽轮机(1)的第二、第三输入端分别连有第一补气阀(9)和第二补气阀(10)，分别用于输入0.1MPaG的副产蒸汽和0.25MPaG的副产蒸汽；汽轮机(1)的排气口与凝汽器装置连接。
4.根据权利要求1所述的用于PTA装置能量回收的机组控制***，其特征在于：所述中控***包括压缩机控制***(30)、安全控制***(31)、轴系监测***(32)、DCS***(33)、上位机监控画面(34)；
所述压缩机控制***(30)与安全控制***(31)通过OPC协议进行通讯；安全控制***(31)与轴系监测***(32)、以及压缩机控制***(30)与DCS***(33)均通过串口Modbus协议进行通讯，上位机监控画面(34)通过以太网与压缩机控制***(30)、安全控制***(31)、DCS***(33)通讯；
所述压缩机控制***(30)与启动蒸汽调节阀(8)、第一防喘振调节阀(17)、第二防喘振调节阀(18)、速关阀(19)、主气门调节阀(20)连接；还分别与压缩机入口导叶(14)、膨胀机一级入口导叶(15)、膨胀机二级入口导叶(16)各自连接的电磁阀连接；还与能量回收阀(11)、冷空气入口阀(12)、汽轮机(1)的入口压力传感器、压缩机(3)的入口/出口压力和温度以及出口差压传感器连接；
所述安全控制***(31)与第一补气阀(9)、第二补气阀(10)、膨胀机入口切断阀(13)；
所述轴系监测***(32)与汽轮机(1)、减速机(2)、压缩机(3)、膨胀机(4)内的轴振动传感器和温度传感器连接。
5.用于PTA装置能量回收的机组控制方法，其特征在于包括以下步骤：
控制第一辅机***、第二辅机***中各个阀位于初始状态；
压缩机组具备启动条件；
启动汽轮机(1)带动减速机(2)、压缩机(3)、膨胀机(4)进行第一次暖机，当汽轮机转速到达第一设定值并保持设定时间后，进行第二次暖机；当转速到达第二设定值并保持设定时间后，进行第三次暖机；当转速冲过第三设定值后达到额定转速时，进入额定转速阶段进行防喘振控制，并根据设定的压缩机组参数控制第二辅机***各阀的开闭并使汽轮机(1)保持设定转速；
所述防喘振控制包括以下步骤：
1)测量压缩机(3)的入口、出口温度，入口、出口压力以及出口流量；
2)将孔板差压转换为入口流量的平方qr2作为防喘振曲线的横坐标；
3)根据压缩机(3)出、入口的压力转换为压比Rc作为防喘振曲线的纵坐标；
4)根据入口流量的平方qr2、压比Rc得到动态防喘振控制曲线：
Ss＝qr2(,sll)/qr2(,op)
其中，qr2(,sll)为喘振点的流量平方，qr2(,op)为正常运行点的流量平方，分别利用下式得到：
qr2＝(△Po,d*Pd/Ps2*Ts/Td)/Ps；
其中△Po,d为喘振点/正常运行点的出口差压，Td为喘振点/正常运行点的出口温度；Pd为喘振点/正常运行点的压缩机出口压力，Ps为喘振点/正常运行点的压缩机入口压力，Ts为喘振点/正常运行点的压缩机入口气体温度；
5)根据动态防喘振控制曲线，得到工作点至喘振点的距离d，再根据设定的安全裕度b计算出DEV值即DEV＝d-b；
当DEV值小于零时，控制防喘振调节阀(17、18)同时以设定的速率打开阀门直至全开；
当DEV值等于零时，防喘振调节阀(17、18)保持当前阀门开度；
当DEV值大于零时，控制防喘振调节阀(17、18)同时以设定的速率关闭阀门直至全关；
其中，b为设定的安全裕度。
6.根据权利要求5所述的用于PTA装置能量回收的机组控制方法，其特征在于所述控制第一辅机***、第二辅机***中各个阀位于初始状态包括：第一补气阀(9)和第二补气阀(10)关闭，能量回收阀(11)和冷空气入口阀(12)全开，膨胀机入口切断阀(13)关闭，压缩机入口导叶(14)开度为设定值A，膨胀机一级入口导叶(15)、二级入口导叶(16)开度为设定值B，防喘振调节阀(17、18)为全开。
7.根据权利要求5所述的用于PTA装置能量回收的机组控制方法，其特征在于所述汽轮机转速超过第三设定值并小于额定转速时，第一防喘振调节阀(17)和第二防喘振调节阀(18)同时以设定速率关闭，同时控制压缩机入口导叶(14)以设定速率打开，使压缩机出口压力达到压力设定值。
8.根据权利要求5所述的用于PTA装置能量回收的机组控制方法，其特征在于所述根据设定的压缩机组参数控制第二辅机***各阀的开闭包括：
防喘振调节阀(17、18)根据动态防喘振控制曲线中工作点与防喘振线的偏差作为参考值进行PID控制；
能量回收阀(11)在防喘振调节阀(17、18)开/闭前进行开/闭，具体为：DEV＝d-2×b，d为动态防喘振控制曲线中工作点至喘振点的距离，b为设定的安全裕度；
当DEV值小于零时，控制能量回收阀(11)打开设定开度；
当DEV值等于零时，控制能量回收阀(11)保持当前开度；
当DEV值大于零时，控制能量回收阀(11)关闭；
能量回收阀(11)根据开度作为参考值进行PID控制；
压缩机入口导叶(14)根据压缩机出口压力对阀开关角度进行PID控制。
9.根据权利要求8所述的用于PTA装置能量回收的机组控制方法，其特征在于所述根据设定的压缩机组参数控制第二辅机***各阀的开闭还包括：当防喘振控制中的DEV与2×b的和超过阈值时，控制能量回收阀(11)、冷空气入口阀(12)在若干秒内关闭。
10.根据权利要求5所述的用于PTA装置能量回收的机组控制方法，其特征在于停车时，控制能量回收阀(11)、冷空气入口阀(12)、防喘振调节阀(17)全开，控制压缩机入口导叶(14)关闭，膨胀机入口切断阀(13)、膨胀机一级入口导叶(15)、二级入口导叶(16)保持关闭；启动蒸汽调节阀(8)、第一补气阀(9)、第二补气阀(10)关闭。
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