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压缩机优化控制解决方案

公司介绍

作为流程工业智能制造整体解决方案供应商浙江中控技术股份有限公司（以下简称“中控技术”或“公司”，股票代码：688777.SH）成立于1999年。公司秉承“让工业更智能、让生活更轻松”的使命和愿景，以满足流程工业自动化、数字化、智能化需求为己任，形成了从集散控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）、网络化混合控制系统等自动化控制系统到仪器仪表、工业软件、行业解决方案、一站式智能服务、咨询、工程等覆盖流程工业全生命周期的产品服务体系连续多年入选工信部智能制造系统解决方案供应商和示范企业。

中控技术压缩机优化控制解决方案 03中控技术压缩机优化控制算法 04

系统平台 05

3.1T9100压缩机控制系统 05
3.2T5100压缩机控制系统 07
3.3T3100压缩机控制系统 08
3.4MPS5000透平机械监测保护系统 09
3.5IPM智能机泵监测系统 10
3.6蒸汽管网平衡控制系统 11

典型应用场合 13

4.1连续重整氢气增压机 13
4.2空分装置空压机组 14
4.3炼油焦化装置富气压缩机组 15
4.4大型制冷压缩机 16
4.5空气管网压缩机群的负荷分配控制 17
4.6长输天然气管道压气站压缩机组 19
4.7安全级汽轮发电机控制DEH 21
4.8燃气透平控制 22

中控技术压缩机优化控制解决方案

中控技术以多年在过程控制领域的控制系统、控制算法与控制策略的开发经验，开发、完善了具有完全自主知识产权的大型透平压缩机优化控制解决方案，目前已助力各类石油化工、煤化工、能源企业成功实施几百套大型机组控制项目，获得良好的经济效益和社会价值。

高安全性、高可用性、全自动运行与无人化操作、高效节能是中控技术大型透平压缩机控制系统与解决方案的核心产品特征，在很多改造项目中，实现全自动运行并帮助用户获得数以百方甚至干方的能耗节约收益。

以大型透平压缩机控制系统与解决方案为核心，中控技术进一步拓展了丰富、全面的动设备机械保护系统（MPS）与机械诊断系统（MDS）以及机组在线效率计算与能效管理，形成了全方位的动设备监视、控制、诊断与管理的产品体系建设。

中控技术压缩机优化控制解决方案的优势：

节能降耗：通过精确的算法和压缩机性能实测能力，较之普通控制能耗下降10%左右；全自动控制：实现一键启停机和自动加卸载，全程无需手动干预，真正实现全自动控制优化工艺操作：根据不同工艺装置选用相应的性能控制策略，使工艺波动降低15%以上喘振实测：系统自动完成喘振实测，测试精度更高，更加安全，测试方便

中控技术压缩机优化控制算法

中控技术压缩机优化控制算法涵盖了所有驱动类型和工艺应用的离心式、轴流式压缩机控制技术要点，形成以防喘振控制为核心的多回路协调控制系统，并纳入了解耦控制、前馈控制、超驰控制、极限控制、微分控制等多种控制技术实现手段，为大型透平压缩机组实现全自动与高效节能运行夯实基础

中控技术压缩机优化控制解决方案的优势：

性能控制器：压缩机负荷控制

抽汽控制器：汽轮机抽汽控制

速度控制器：汽轮机转速控制

喘振控制器：压缩机防喘控制

主站控制器：压缩机集群控制

系统平台

3.1T9100压缩机控制系统

T9100压缩机控制系统是中控技术自主开发的SIL3等级安全系统，由德国TUVRheinland认证、符合IEC61508和IEC61511安全标准，其采用了三重化冗余容错（TMR）和硬件容错（HIFT）的安全控制技术，并且采用高速IO总线和高速CPU设计，从而实现高速、高性能的安全级控制应用。

T9100安全级控制器运行中执行三重化五表决的高安全性机制和3-3-2-2-0的高可用性机制，通过三取二数据表决提供高可靠性、无错误、不中断的连续过程控制，最大程度地满足用户对生产安全性和可用性的要求，能够达到非常高的系统诊断覆盖率和更准确的故障定位。

T9100压缩机控制系统主要硬件特征

全面实施的三重余容错（TMR）技术，包括主处理器模块和所有IO模块
全面满足IEC61508及相关安全标准并获得德国TuVRheinland的SIL3安全认证；
高诊断覆盖率和三重化五表决技术，快速检测出故障并精确定位；
冗余模块配置时的3-3-2-2-0降级模式和非冗余模块配置时的3-2-0降级模式，均能完全满足用户现场对系统高安全性、高可靠性和高可用性的要求，系统运行零风险；
系统不存在单点失效，能够承受多个故障而继续安全、稳定运行；
高速高性能工业级芯片设计，主处理器32位800MHz和128Mbps的IO总线速率，实现高速的机组控制与安全保护；
控制器控制周期10ms、20ms、30ms、50ms、100ms可选，控制任务的高速执行完美满足流程行业高速动设备的高速性控制要求；
可在运行过程中在线更换主处理器模块和所有的IO模块；
可在运行过程中执行程序修改与在线下装
支持离线仿真与测试，在工厂开车之前全面检查与验证控制逻辑与控制回路的正确性
1ms时间精度的事件顺序分辨率，精确分析事件顺序与故障原因；
当有远程IO应用时，通过单模光纤最长扩展距离10km；
系统硬件实施防腐技术并获得德国TuVRheinland的G3防腐认证，完全胜任各类化工企业现场严苛气体环境的挑战；
中控的DCS、SIS和CCS（T9100透平机组控制系统）能够实现无缝的连接与集成，方便用户对框架性一体化

项目的管理与执行、提高效率、降低成本、保障质量。

透平压缩机控制

汽轮发电机控制

燃气轮机控制

压缩机防喘振控制

联锁逻辑和紧急停车

干气密封控制

机组轴系监测

安全级控制器透平机组控制应用 (T9100)

3.2T5100压缩机控制系统

中控技术基于自主开发的PLC产品GCS-G5和技术领先的压缩机优化控制解决方案整合而成的T5100压缩机控制系统，是针对流程企业中离心式、轴流式压缩机而开发的专业应用型压缩机控制系统，具有高性价比和高灵活性、以及大量工业现场验证的高可靠性。在T5100压缩机控制系统的大量应用中，驱动机可以是汽轮机、电机或者燃气轮机。T5100压缩机控制系统尤其适用于空气压缩与输送等非防爆场合的压缩机控制应用。

采用典型的冗余热备的系统结构设计，具有高度灵活的冗余性选择，可以CPU模块与IO模块全部冗余，或者CPU模块与IO模块全部不冗余，或者CPU模块与IO模块任意冗余；

系统总线采用高可靠性工业以太网技术，具有灵活的可扩展性，系统网络拓扑结构支持星型、总线型、环型和菊花链型；

高速高性能工业级芯片设计，CPU模块采用32位800MHz芯片和64位双核指令集，系统具有快速执行能力，执行周期10ms\~200ms可选择，系统默认执行周期20ms，控制任务的高速执行满足流程行业高速动设备的高速性控制要求，应用范围覆盖蒸汽轮机、压缩机、燃气轮机等机组控制

基于入口滑参数运行的压缩机防喘振建模技术与控制算法，结合PI响应、带时滞的阶梯回流响应、微分响应、基于前馈的解耦响应等众多控制技术与策略，在低负荷时实现运行点自动压线运行，实现压缩机组防喘振控制、性能控制、调速控制协调一致的全自动控制与运行；

50ms的高速喘振测试记录仪和专业的现场压缩机喘振测试，配合全面的现场防喘振拉阀试验和阀门性能检查；

实现压缩机组的安全、节能、全自动运行直至无人值守的运行模式，帮助企业全面提高运营自动化率、助力企业向智能工厂升级转型。

3.3T3100压缩机控制系统

T3100机组控制系统是中控技术专为小型电驱离心式压缩机、螺杆式压缩机、往复式压缩机的控制而设计的高性价比、低成本解决方案与产品。

T3100机组控制系统是基于中控高性能中小型分布式PLC/RTU控制系统G3增强开发的动设备控制系统，广泛应用于能源采集、生物发酵、食品饮料、冶金建材、环保与水处理、动力管网等众多行业与工业领域。

T3100机组控制器

高强度一体化设计和模块化设计相结合，系统采用无机架设计方式和高可靠性10Mbps系统总线；

系统配置灵活、IO扩展丰富，最大限度地降低项目成本；

高可靠性设计，系统实施了G3防腐技术与措施，适应于恶劣的使用环境；

系统采用10/100Mbps自适应以太网与上位监控计算机进行数据通信，系统支持触摸屏和工业商用计算机等多种灵活选择

系统支持Modbus通信，可以做主站与从站，能够非常方便与其他控制系统集成通信；

系统支持OPC通信，能够非常方便地与通用型HM软件或者其他厂家HMI软件集成通信；

预组态的标准化电驱型离心式压缩机、螺杆式压缩机和往复式压缩机的控制算法与逻辑以及上位监控画面，能够加快系统的设计和调试工作，缩短技术服务时间，确保工程质量与品质；

经历众多行业与领域的广泛应用，具有工业现场久经验证的可靠性与耐用性；

基于中控众多石油石化、煤化工企业大型透平机组控制项目成功应用经验的控制算法与技术，确保T3100机组控制系统运行的安全、稳定、全自动与无人值守。

3.4MPS5000透平机械监测保护系统

MPS5000透平机械监测保护系统通过感知、测量、监测并显示关键机组的运行状态参数，一旦参数超出预定阈值，则显示异常状态，系统立即通知运行人员及紧急停车系统。系统目的是降低机组损伤。MPS5000透平机械监测保护系统针对关键机组，如透平压缩机组、汽轮发电机组、燃机、往复压缩机组、关键机泵等，集振动联锁保护、状态监测、故障诊断于一体，设计上完全符合美国石油协会的API670标准。

机组联锁保护与状态监测一体化
最大可接入64路电涡流、加速度、速度、
磁阻传感器信号
可采集键相、轴振动、轴位移、壳振、胀差、
转速等信号

高可靠性、高可用性、集成度高、卡件冗余、支持热插拔等特性

支持4-20mA输出、可组态继电器输出、缓冲电压输出、ModBusTCP/RS485通讯输出

支持以太网端口接入web组态软件与机组监控软件

3.5IPM智能机泵监测系统

IPM智能机泵监测系统针对非关键机泵群，通过智能端盖、无线测温一体式传感器、无线变送器产品，配合无线网关，提供智能自供电、智能自润滑、智能自维护、智能自修复等功能。系统目的是降低维护工作量，提升维护效率。

机泵一体：同时监控电机和泵的振动、温度；
供电无忧：智能端盖自发电，无电池更换顾虑；
智能润滑：按程序设定自动加注润滑修复剂；
实时采集：数据采集传输频率大幅提高，有效保护设备；
智能修复：修复液可以修复润滑脂，并修复轴承表面微损伤，延长使用寿命；
平台融合：与中控DCS数据一体化，与supOS平台无缝对接，融入设备管理模块。

3.6蒸汽管网平衡控制系统

蒸汽系统是所有大型石化、化工企业的核心动力系统，对企业的安全、平稳、节能运行至关重要。由于蒸汽系统中不同压力等级的蒸汽母管上所连接的用汽/耗汽设备与工艺装置数量众多、类型与需求各异，并且在生产过程中存在阶段性负荷变化、事故甩负荷等众多波动与干扰因素，同时由于蒸汽管网具有分布式的大时滞特性、上下游蒸汽母管压力调节具有强耦合和强干扰、动力锅炉加减负荷滞后性突出等众多现实问题，在实际工厂的蒸汽系统运行操作中，目前热工岗位普遍采用长期手动调节汽轮发电机组、减压减温器、动力锅炉的方式，并且长期存在如下问题：

热工岗位人工操作频次高，每天几百次甚至上干次手动操作调整；

各级蒸汽母管压力控制粗放、不精细、偏差较大，造成输送压损大和蒸汽系统运行效率降低；

当发生阶段性负荷调整尤其是事故甩负荷时操作强度大、应对困难，容易出现人工调度不及时、调整不合理，甚至出现反向调整导致动力锅炉误操作；

各级蒸汽母管的压力控制采用分离式的人工调节方式，对于大型、复杂的多级串联蒸汽母管的压力调节很难做到精细化控制，导致蒸汽系统的运行粗放、精度差，蒸汽系统很难实现进一步的优化运行与节能降耗；

在各级蒸汽母管的抽汽型汽轮机（含发电机组和驱动机组）不能实现自动的抽汽控制以实时优化蒸汽系统的运行。

中控技术蒸汽管网平衡与优化控制解决方案，是基于多年流程行业过程控制技术、热动力工程与控制技术、锅炉母管优化控制技术APC、透平压缩机组优化控制技术CCS等多方面的技术积累而开发的大型先进、复杂系统解决方案，整合了自动化技术（AT）、信息技术（IT）、工艺技术（PT）、运营技术（OT）和设备技术（ET），是典型的5T技术的深度融合应用，未来必将成为企业智能工厂建设与运行中的关键组成板块之一。

蒸汽管网平衡与优化控制解决方案

主要特点：

实现蒸汽管网平衡控制系统从手动控制为主提升至自动控制，投运率不低于 9 5 % （24号

各级蒸汽母管发生较小负荷波动（ < 5 % 时，基于蒸汽平衡模型控制，保证各级母管在最短时间内实现蒸汽平衡和保持母管压力稳定、避免超压放空操作；

各级蒸汽母管发生较大负荷波动 ( >= 5 % ）时，基于蒸汽平衡模型控制，保证各级母管在最短时间内实现蒸汽平衡和保持母管压力稳定、避免安全阀启跳；

通过实现精确的各级母管压力控制和平衡优化控制，产生显著的蒸汽系统节能经济效益

实现蒸汽管网对实际管网运行的模拟精度不低于95%。

典型应用场合

4.1连续重整氢气增压机

由于重整反应压力容易受外界温度等因素影响波动，氢气增压机入口压力控制着反应压力，如果不能自动控制会影响工艺操作。传统控制一般的控制系统采用了三分程控制，即入口压力控制输出的0%\~33%控制一段喘振阀、33%\~66%控制压缩机转速、 { 6 } { / } { / } { / } \~100%控制放火炬阀，这样的控制方案不能很好地控制入口压力。同时，由于传统喘振控制精度不高，造成防喘阀不能关闭，能耗增高。中控解决方案用两个性能控制回路分别控制压缩机转速和入口放火炬阀，同时结合压力超弛控制限制入口压力低限，很好地控制了入口压力，从而稳定工艺。精确的喘振控制和段间防喘振解耦控制能将防喘阀全部关闭，降低能耗。

国内某一100万吨/年连续重整装置的氢气增压机由两套串联的汽拖离心机构成，由厂家配套的进口品牌机组控制系统进行控制，投运后一直存在能耗高、手动控制、工艺波动大的问题。2017年利用中控技术压缩机优化控制系统进行改造，投用至今，运行稳定，效益良好，获得了用户的高度认可。

全部控制回路投入了自动，实现了无人化稳定运行，大大减轻了操作人员的负担；

系统开停机一键实现，最大程度上确保了工艺平稳生产；

重新测试喘振线，保障设备安全运行，扩大安全操作空间，发挥了装置的最大性能；

投入防喘振算法以后，防喘振阀几乎全关，能耗大幅降低。经用户验收，投入中控压缩机优化控制算法以后，年经济效益可达1000万元。

4.2空分装置空压机组

大型空分装置的空压机通常采用汽轮机同时拖动空压机和增压机，正常运行时固定转速，风量通过入口导叶调节。对空压机来说，设置一个防喘振控制回路控制放空阀和一个出口压力控制导叶，同时出口压力超压限制回路可以在出口压力高于限制设定值的打开放空阀泄压，具有前馈控制响应的压力限制控制可以在工艺大幅波动时保持压力稳定，从而维持工艺运行。而动态的出口压力控制与喘振控制解耦算法能够有效地提高机组运行的稳定性。对于增压机来说，两段喘振控制的动态解耦、出口压力控制与喘振控制之间的解耦协调能够有效消除控制的振荡和滞后，是平稳控制的关键。

某化工55000m3/h空分装置压缩机组及其配套控制系统均为进口品牌，采用通用的汽轮机 ^ + 空压机 ^ + 增压机的空分三机模式。原机组控制系统算法简单，机组控制自动化程度不高，开工难度大，且正常生产下每当分子筛均压时，均需人员手动调整，操作强度大。其中原PLC系统CPU故障导致多次停机，对用户造成巨大的损失。本项目改造时采用中控T9100专用机组控制系统，应用防喘振算法、性能控制算法，解耦算法等。实现了一键加载的开车功能，避免了开车时增压机还没加载前空压机手动加载，可能造成转速波动过大，导致异常停车的风险。同时防喘振及性能控制投入全自动运行，面对分子筛均压的频繁的负荷变化，控制系统均通过自动升降导叶来调节压缩机的负荷，无需人为干预。

4.3炼油焦化装置富气压缩机组

在焦化装置中分馏塔压力为关键的工艺变量，一般的压缩机控制只对压缩机本体进行保护而与工艺不关联，分馏塔压力控制以及喘振控制都是手动操作，当焦炭塔切塔过程出现较大波动时，手动操作不能自动调节及时跟踪工艺变化，会导致工艺的不稳定甚至停车。中控机组控制技术的性能控制能够自动控制改变富气压缩机转速控制分馏塔压力，以及入口放火炬阀，从而稳定压缩机和工艺操作，避免不必要的停工并且提高油品质量。

某石化焦化富气压缩机采用离心式压缩机，并采用汽轮机拖动，原系统采用505调速器 ^ + SIS+DCS的控制模式。项目改造前该机组启停车过程完全由工艺人员手动操作，正常运行时防喘振控制阀手动调节，工艺切塔及放空出现波动时，如果操作不及时极易造成机组喘振或分馏塔压力波动较大。压缩机喘振线不准确，加上手动操作人为预留空间大，导致防喘阀开度大，机组运行能耗高。

2022年选用中控T9100系统对原机组控制系统进行了控制优化改造，现场进行了机组喘振测试，使得机组的真实运行空间得到有效挖掘，并且提高了机组的运行安全性；实现机组全自动运行和无人化操作，最大程度地降低了工艺操作强度；同时压线控制保证了防喘阀开度最小，达到了节能降耗的目的，每年可以节约蒸汽量约达9000吨，相应的减碳量约3000吨。

4.4大型制冷压缩机

在烯烃、煤化工、PDH、LNG和化肥装置中都有制冷压缩机的应用，而制冷压缩机的开车也是装置开车运行的关键因素。在制冷压缩机的控制中，随着机组转速的提高、做功的增加，压缩完的气体返回到压缩机的入口会导致压缩机入口温度升高，即使有急冷阀的降温，但其急冷阀的控制也是在限定范围之内，过多的急冷液会导致入口分液罐液位过高的问题。因此，由于冷量控制、温度控制与喘振控制存在互相干扰和冷热平衡问题，在开工阶段比较难以稳定，导致开工困难。同时在正常运行中，如果由于工艺设备以及操作问题引起波动，会导致大幅波动中断运行。而中控技术开发的喘振侧流控制、急冷控制技术可以很好地解决这些问题。

中控机组优化控制系统在开车时采用全自动加载技术，当在机组启动时，加载条件满足后，压缩机将自动进行加载，各段防喘阀自动关闭实现压线控制，同时转速自动提升，迅速将入口温度控制在目标设定值附近。全自动加载技术最大限度缩短了回流时间、减小了回流量，避免回流导致压缩机入口温升问题，提高开车成功率。制冷压缩机的每一段入口均是一个用户，每个用户的扰动均会对机组的运行工况造成影响，而中控机组控制系统优化控制算法能够克服所有的工艺干扰，在低负荷时实现运行点的精准压线控制，高负荷时防喘阀全关达到最佳节能目的。同时根据给定的入口温度设定值自动调节压缩机的负荷，无需操作工手动干预，实现无人值守的控制效果。

4.5空气管网压缩机群的负荷分配控制

空气压缩管网系统广泛应用于石油化工、钢铁冶金和机械制造行业，多数采用了多机组并联运行方式，在某些工厂还有高低压管网的交叉串联。对于这种多机组并联运行的应用，目前都采用单机控制模式，缺乏多机组的并联负荷协调控制。由此存在输出压力过高、频繁加载放空、多机运行协调不畅、信息分散不便管理、维护复杂等实际问题。同时，此类空压机多数由国外大型主机厂提供，采用的控制系统各不相同也不开放，维护管理不变，很多依赖原厂家提供服务，成本高昂。

中控透平压缩机控制系统与解决方案推进中国各类工厂大型智能空压站建设与技术进步，实现可视化、透明化和高度自动化的现代化空压站与空气管网运行，实现全流程、一体化、数字孪生的运营管理，实现集约控制、协同高效、敏捷响应、智能生产。

所有在线运行空压机同时到达喘振控制线一一避免单机放空操作；
所有在线运行空压机运行在相同负荷度上一一控制鲁棒性更强、效率更高；
所有在线运行空压机同时参与负荷调整一响应更快、负荷调整范围更宽；
改造后平均节能≥3%以上。

4.6长输天然气管道压气站压缩机组

长输天然气管线上的阀室均配有压气站，对途径的天然气进行加压处理。压气站压缩机组有电机驱动也有燃机驱动，一般组合方式是并联。长期以来，尽管有部分站场实现了调控中心远程启停单台压缩机的功能，但压气站压缩机组的控制很大程度仍然依赖站场运行人员对压缩机组及辅助系统的控制及现场就地操作、确认。中控技术的天然气管道压气站压缩机组控制方案，可以在千里之外的调控中心对压气站的压缩机组和配套的厂房通风、电机冷却、火气系统、供配电系统等进行全面的远程监控功能，在不需要站场人员介入的情况下，实现场站全系统远程一键开机。

此外中控的天然气管道压气站压缩机组控制方案还可对并联的压缩机组实现高效率的防喘振控制、性能控制、负荷平衡控制，使得压缩机组实现上下游工况稳定可靠、节能增效、降低人为操作失误率的效果。

T9100压缩机控制系统&CCS压缩机优化控制解决方案

天然气管道是国家基础设施互联互通重点项目，中控技术为多个压气站提供了全系列国产控制系统，包括GCS系列可编程控制系统（PLC）、TCS-900系列安全仪表系统（SIS）、T9100系列压缩机控制系统（CCS）。系统具备远程一键启停机、一键切换机、全面一键启停站功能，将大量的人工现场操作转变为多种工况、多种模式下既定控制时序程序的自动判断和控制，全程无需人工干预，实现了机组单次启动工作效率从"10人1小时"到"1人1分钟"的巨大转变。

中控技术自主创新的19100系列压缩机组控制系统，减少了压气站运行人员对压缩机组及辅助系统的控制，以及现场就地操作和确认，可实现千里以外的调控中心对压气站压缩机组和配套厂房的通风、电机冷却、火气系统供配电系统全面远程监控，全程无需人工干预，实现站场全系统远程一键启机。压缩机控制系统和站控系统深度融合，站控的压缩机负荷分配技术和压缩机启停机控制，保证多台机组满足按顺序启动时的各种要求，提高调控中心对整条管道、甚至整个管网的管控效果，降低操作人员在危险环境内活动风险和人为操作失误风险。