★ 中石油华东设计院有限公司 林洪俊

★ 北京康吉森自动化技术股份有限公司 季俊，朱世凯

关键词：催化裂化；压缩机控制系统；国产化；防喘振控制；TSxPlus

1   引言

重油催化裂化（Fluid Catalytic Cracking， FCC）是炼油厂核心二次加工装置， 主风机、气压机及备用机组（简称“三机组”）是装置的关键动设备，其运行稳定性直接决定整套装置的生产安全与经济效益。压缩机控制系统（Compressor Control System, CCS）集转速调节、防喘振保护、性能优化与联锁保护于一体，是机组安全高效运行的核心保障。

中国石油抚顺石化分公司石油二厂重催装置投产多年，原机组控制系统采用进口505调速器与独立PLC的分散架构，经长期运行后暴露出功能割裂、自动化水平低、能耗偏高、备件供应受限等问题，已无法满足装置精益运行与安全管控的需求。在工业控制系统自主可控的产业背景下，项目采用国产TSxPlus安全控制系统实施一体化改造，既解决了原系统的运行痛点，也实现了大型机组核心控制系统的国产化替代。

2   机组概况与原控制系统分析

2.1   三机组设备参数

重催装置三机组由主风机组、气压机组和备机组成，主风机与烟气轮机同轴联结，烟气轮机回收再生烟气能量驱动主风机；气压机由工业汽轮机驱动，负责压缩富气至吸收稳定系统；备机为电机驱动离心压缩机，主风机故障时保障装置低负荷运行。主要设备参数如表1所示。

表1 三机组主要设备参数

2.2   原控制系统架构

原系统采用分散式配置方案 ： 调速功能由Woodward 505型数字调速器实现，防喘振控制由独立PLC完成，轴系状态监测采用本特利3500系统。三套子系统物理独立，仅通过有限接口进行数据传输，无法实现深度协调控制；DCS仅承担数据显示与记录功能，不参与核心控制运算。

该架构下，调速、防喘振、监测功能呈“条块分割”状态，难以从机组整体运行角度实现多变量协同优化，在装置长期低负荷运行工况下，控制滞后、能耗偏高的问题尤为突出。

2.3   存在的主要问题

通过现场运行数据调研与系统分析，原系统存在的核心问题及影响如表2所示。

表2 原系统存在的主要问题及影响

3   国产化CCS系统改造方案

3.1   总体技术路线

本次改造采用“统一平台、 一体控制、实测优化”的总体技术路线，核心方案如下：

（1）统一控制平台：采用北京康吉森TSx Plus安全控制系统替代原进口分散架构， 该系统通过IEC

61508 SIL3功能安全认证，采用三重化冗余（TMR）硬件容错架构，支持在线热插拔，完全满足石化关键机组的安全与可用性要求。

（2）一体化控制策略：将调速、防喘振、性能控制集成于同一控制平台，实现转速与防喘振阀的动态耦合协调，以分馏塔顶压力为主控变量实现全自动串级调节。

（3）实测优化控制边界：通过现场喘振实测获取机组真实喘振线，采用渐开线形式优化防喘振控制曲线，兼顾不同压比工况下的安全性与经济性。

改造前后系统方案的核心差异对比如表3所示。

表3 三机组CCS系统改造前后对比

3.2   主风机控制方案

主风机控制涵盖启动顺序控制、防喘振分程控制、轴系监测与联锁保护三大模块。

（1）启动顺序控制：系统按预设逻辑自动校验润滑油、密封气、电气等启动条件， 依次完成主电机启动、静叶释放、烟机入口阀投用等步骤，避免人工操作顺序失误。

（2）防喘振分程控制：配置大小两台防喘振阀，采用分程控制策略：0%～70%输出控制大阀， 65%～100%输出控制小阀，重叠区间保证调节连续平滑，兼顾小流量精细调节与大流量快速保护。

（3）轴系监测与联锁：振动、位移信号由3500系统采集，经DCS通讯接入CCS画面显示；联锁停车信号通过硬接线直接接入TSxPlus安全输入通道， 保障停车逻辑的独立性与可靠性。

3.3   气压机控制方案

气压机控制是本次改造的核心， 重点实现调速与防喘振的一体化耦合控制。

（1）调速功能迁移：将原505调速器的全部调速参数与控制逻辑迁移至TSxPlus平台， 实现转速闭环控制，为耦合控制奠定统一运算基础。

（2）转速—防喘振耦合控制：采用“节能优先、安全保底”的控制思想，以分馏塔顶压力为主被控变量，串级调节转速与防喘振阀开度：升压过程优先关闭防喘振阀回收气体，阀位接近下限后再提升转速；降压过程优先降低转速减少蒸汽消耗，转速降至下限后再开启防喘振阀。该策略最大限度减少了蒸汽消耗与气体损失。

（3）渐开线防喘振曲线：采用渐开线形式设计防喘振控制线，低压比工况下保持较小安全裕度以提升运行效率，高压比工况下自动增大裕度以应对更高的喘振风险，实现全工况区间安全与经济的最优平衡。

（4）临界转速规避：转速控制逻辑内置临界转速避让机制，确保机组升降速过程快速通过共振区间，保障轴系运行安全。

3.4   备机控制方案

备机采用最小流量防喘振控制方案，基于原喘振线数据设置固定最小流量限值，流量低于阈值时自动开启防喘振阀。控制逻辑简洁可靠，适配备机启停频次低、运行工况稳定的特点，保障机组随时可安全投运。

3.5   阀门线性化处理与调校

防喘振阀的调节特性直接决定控制品质。针对阀门机械死区导致的小信号响应滞后问题，通过软件算法实现死区补偿， 将控制死区压缩至0.5%以内， 同时保证阀门2s内完成指令响应。

改造期间对全部防喘振阀进行现场精细化调校，调校内容与标准如表4所示。

表4 防喘振阀调校内容与标准

4   系统实施与调试

4.1   硬件集成方案

硬件配置按机组功能划分：主风机与气压机共用一套CCS系统，备机独立配置一套系统，分柜布置。每套系统独立配置控制器、I/O卡件与通讯模块，保证控制功能的独立性。

轴系监测采用“通讯监视+硬接线联锁”的方案： 3500系统数据经DCS通讯接入CCS用于画面监视，振动、位移高高停车信号通过硬接线直接接入安全输入通道，兼顾显示便利性与联锁可靠性。系统配置工业以太网接口实现与DCS的双向数据交互，保障控制数据的实时性。

4.2   软件组态与关键问题解决

软件组态包含控制逻辑开发与人机界面设计两部分，控制逻辑严格按照设计策略实现防喘振、性能控制、超速保护等核心功能；人机界面涵盖流程监控、趋势曲线、报警管理、参数整定等模块，贴合现场操作习惯。

调试过程中的核心技术难点为转速输入（PI）卡件的探头类型匹配问题：现场转速探头为无源型，初始组态按有源模式配置，导致低转速下无显示、高转速下数值波动。经排查确认信号调理电路不匹配后，将卡件组态修正为无源模式，各转速通道恢复正常，为同类国产化改造项目积累了工程调试经验。

4.3   现场测试与投运

（1） 喘振曲线实测：利用装置停车窗口期， 通过逐步关小出口阀降低流量的方式，两次实测获取真实喘振点数据，以此修正防喘振控制线，消除设计参数与实际工况的偏差。

（2）性能控制投用：机组开车后先投入防喘振自动控制，逐步整定比例积分、偏置、限幅等参数，再投入性能串级控制。投运后机组变负荷过程运行平稳，控制精度满足工艺要求。

（3） 阀门特性测试：检修期间完成全部调节阀的特性测试，获取实际开度-流量关系曲线，用于修正阀门线性化参数，保证全行程控制增益一致，提升系统稳定性。

5   改造效果与效益分析

5.1   控制性能提升

改造后系统实现了全自动一体化控制，各项性能指标显著优化，核心指标对比如表5所示。

表5 改造前后关键性能指标对比

改造后转速与防喘振阀的耦合协调策略大幅提升了系统响应速度，喘振实测修正后的控制曲线兼顾了安全裕度与运行效率，机组运行平稳性与自动化水平显著提升。

5.2   经济效益

改造的经济效益主要体现在节能降耗与运维成本降低两方面：

（1）运行节能： 同等工艺条件下， 气压机转速降低约100r/min，中压蒸汽消耗减少2%～3%；防喘振阀可关小甚至全关，大幅减少气体回流损耗，双重节能机制带来显著的蒸汽与物料成本节约。

（2）运维降本：国产化系统备件供应周期短、价格低，技术支持响应及时，全生命周期维护成本较进口系统降低50%以上；统一平台也简化了运维工作， 减少了备件库存压力。

5.3   示范意义

本次改造成功打破了进口系统在石化大型机组CCS领域的长期垄断，验证了国产安全控制系统在复杂机组控制场景下的技术成熟度与工程可靠性。项目形成的“平台整合+策略优化+实测标定”完整改造方案，具备较强的可复制性，可为国内同类催化裂化装置及其他石化旋转机械的控制系统国产化替代提供工程参考，对推动关键工控系统自主可控具有积极的示范价值。

6   结论

抚顺石化重催三机组CCS国产化改造项目采用TSxPlus国产安全控制系统，成功替代了原进口分散式控制架构，实现了调速、防喘振、性能控制的一体化集成。改造后系统运行稳定可靠，气压机转速显著降低，节能效果与自动化水平提升明显，全面达到了预期改造目标。

实践证明，国产CCS系统已完全具备替代进口产品的技术能力与工程实施能力。后续可进一步引入自适应控制、预测控制等先进算法提升系统智能化水平，并将该改造方案向更多石化装置推广，助力工业控制系统自主可控战略落地。

作者简介：

林洪俊（1963-），男，教授级高级工程师，学士，现就职于中石油华东设计院有限公司，主要研究方向为石油化工装置自动化与控制系统设计。

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摘自《自动化博览》2026年8月刊