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关键词：PTA装置；惰气压缩机组；TS-3000系统；防喘振控制

惰气压缩机组是PTA装置的重要设备，为其氧化和精制压滤机，以及产品输送提供氮气。一旦惰气压缩机组发生停车，将会影响压滤机的运行，也会影响PTA产品到下游聚酯装置的输送。惰气压缩机组作为高速动设备，机组的报警、联锁点众多，必须配备一套安全可靠、动作及时的控制系统对机组进行数据采集、自动控制及联锁保护。本文介绍的采用Triconex公司三重化冗余的TS-3000系统，就实现了对惰气压缩机组的自动控制和联锁保护功能。

1　PTA装置惰气压缩机组成及简介

PTA装置惰气压缩机组结构为电驱式离心压缩机，主要包括驱动电动机、压缩机、齿轮箱和润滑油站。来自外部的惰气经过入口过滤器后，通过入口导叶进入压缩机升压，升压后的惰气经过出口冷却器冷却后，送往氧化和精制压滤机及PTA产品输送管线。机组配置单独的润滑油站，为机组提供润滑。其工艺流程图如图1所示。

图1 惰气压缩机工艺流程图

2　TS-3000系统简介TS-3000

系统采用三重冗余（Triple Modular Redundancy，TMR）架构，其主控卡及所有关键电路均基于三重化冗余容错设计，显著提高了系统的可靠性与安全性。该系统已获得SIL3安全等级认证，能够对惰气压缩机组的各类工艺参数，如压力、温度、流量和振动等进行实时监测与控制，实现包括机组自动启停、负荷调节、联锁保护和防喘振控制等关键功能。同时，该系统支持与DCS、SIS等第三方系统进行数据通讯，实现信息集成与远程监控，为惰气压缩机组的安全、稳定和长效运行提供了坚实保障。

TS-3000系统的硬件结构如图2所示。

图2 TS-3000系统的硬件结构

输入模块接收来自现场的信号，并将其隔离、转换为三路相互独立的信号。这三路信号通过三个完全隔离的通道，分别传送至三块独立的主处理器依据三取二表决机制进行处理。表决后的数据通过三条冗余I/O总线传送至输出模块，输出模块再次采用三取二表决逻辑确定最终输出信号，并将其发送至现场执行机构（如调节阀、电机等），从而实现对机组精准、可靠的控制。

3　控制系统配置

3.1　系统硬件配置

PTA装置中惰气压缩机组系统共配置177个I/O点，包括数字量输入点（Digital Input，DI）68个、数字量输出点（Digital Output，DO）29个、模拟量输入点（Analog Input，AI）74个以及模拟量输出点（Analog Output，AO）6个。在I/O模块的配置设计中，在满足实际信号接入需求的基础上，每类卡件均预留不少于20%的备用通道，切实保障系统在未来扩展、改造或故障应急时具备充分的冗余能力。该设计不仅提高了控制系统的可靠性与灵活性，也符合现代化工装置对高可用性与维护便利性的要求。具体I/O卡件配置如表1所示。

表1 TS-3000卡件配置表

惰气压缩机组控制系统共设1台工程师站和2台操作员站。其中工程师站与1台操作员站安装于现场机柜间，主要用于设备调试、开停车操作与工程师维护，为现场人员提供便捷的操作接口。另外1台操作员站放置于中央控制室内，便于中控操作人员监控机组运行状态、调整工艺参数及响应异常工况。上位机和下位机之间通过冗余光纤网络相连，确保数据通讯的高可靠性与实时性。

机组控制系统由3面系统柜和1面辅助柜组成，系统柜和扩展机柜之间通过专用数据电缆进行连接。TS-3000系统集成4351通讯模块，采用ModBus-RTU协议发送机组的重要参数给PTA装置DCS系统，便于操作人员进行监控。

机组关键机械状态参数，如振动和位移信号，首先接入本特利3500状态监测系统机架。该机架配备专用通讯模块，与TS-3000系统的对应通讯模块建立连接，从而将信号集成至机组整体控制方案中，实现对设备健康状态的全面监测与联锁保护。其具体网络架构图如图3所示。

图3 TS-3000系统的网络拓扑图

3.2　系统软件配置

TS-3000系统采用TriStation 1131作为组态软件，它集工程组态、在线调试与离线测试于一体，操作便捷且组态灵活。同时，系统上位机采用Wonderware Intouch软件作为人机界面。该平台高度灵活，可根据用户需求定制工艺流程画面，并通过高效数据链实时显示下位机参数，为操作员提供了直观稳定的交互体验。

惰气压缩机机组系统的上位机监控画面主要划分为两大部分：系统管理模块和机组流程监控模块。

第一部分为系统管理模块，主要用于实现系统的综合配置与信息管理。该部分涵盖系统权限管理，支持不同角色用户（如操作员、工程师、管理员）按权限访问和操作；提供完整的测点清单浏览与查询功能；实时报警与历史报警监视窗口，帮助运行人员及时掌握异常状态；多变量实时与历史趋势画面，支持关键参数的回溯与分析；系统事件顺序记录（Sequence of Events，SOE）及操作日志查看界面，便于故障排查与运行分析；还包括系统硬件状态、网络通信状态等系统诊断信息的显示，全面保障控制系统的管理。

第二部分为机组流程图画面，集中展示与机组运行相关的各类流程与监控界面。该部分主要包括：工艺气系统流程图，直观呈现气体流程、设备状态及主要工艺参数；润滑油系统画面，实时显示油泵、冷却器、过滤器等设备的运行状态及油压、油温等参数；机械状态监测界面，集成显示振动、位移、转速等机械保护参数；允许启动条件判断画面，列出机组启机前的各项条件满足状态；机组联锁逻辑与投切界面，提供联锁设定值修改与联锁投切等操作功能；以及防喘振控制画面，实时显示性能曲线、工作点位置及防喘阀状态，支持控制模式切换和参数整定。通过这些画面，操作人员可以全面掌握机组运行状态，并执行必要的监控与干预操作。

4　机组控制策略

4.1　惰气压缩机组启动策略

惰气压缩机组的启动过程需严格遵循操作规程，确保所有启动条件均达到要求。若其中任一条件未满足，则严禁执行开车操作。具体检查项包括：

（1）确认机组所有工艺安全联锁停车条件均未触发，系统处于安全状态；

（2）检查压缩机入口导叶（Inlet Guide Vane，IGV）开度是否处于正确设定位置，确保进气量适中；

（3）确认压缩机防喘振阀已处于全开状态，避免机组启动时发生喘振；

（4）检查机组润滑站的油压是否在规定范围内，保证润滑系统正常工作；

（5）检查机组润滑站的油温是否在规定范围内，避免因油温过高或过低影响润滑效果。

在所有上述条件均验证无误后，操作人员方可点击控制画面上的“开车”按钮启动机组。启动过程中，主电机开始运转，防喘振阀随之解除联锁并逐步关闭，压缩机进入加载状态。最终防喘振阀完全关闭，机组顺利完成启动，进入正常运行模式。

4.2　惰气压缩机组安全联锁策略

惰气压缩机组作为PTA装置中的关键动设备，其结构复杂且精度要求高，因此必须配置完善的联锁保护策略，以确保机组本体运行安全、可靠。为避免因单个仪表误报警引发非计划停车，系统对关键跳车信号采用二取二冗余表决设计，即同一参数由两个独立变送器检测，仅在两个信号均达到联锁值时才触发停车指令。该设计显著提高了保护的可靠性，有效防止了误动作导致的生产中断，从而避免了因非必要停车造成的经济损失。具体安全联锁策略如下：

（1）惰气压缩机电机轴温联锁：为防止惰气压缩机电机轴承温度过高导致轴承及轴瓦损坏，系统在电机轴承端设置了铂电阻，实时监测轴承温度。当检测温度超过设定的高联锁值时，控制系统自动发出跳车信号，实现机组快速安全停机，从而避免设备过热损坏。

（2）惰气压缩机齿轮箱轴温联锁：为保障齿轮箱轴承运行安全，防止因温度异常升高造成轴承损坏，控制系统同样在齿轮箱轴承端配置铂电阻，一旦温度超过高联锁设定值，控制系统将立即发出跳车信号。

（3）惰气压缩机振动联锁：机组运行过程中，为预防因轴承与轴瓦接触导致的设备损坏，系统在轴承径向和轴向分别安装一对互相垂直的振动探头，实时监测振动情况。当振动值超过高联锁限值时，控制系统输出跳车信号。

（4）惰气压缩机位移联锁：为监测轴承轴向位移，防止设备因非正常位移引发机械故障，系统在轴承端面设置位移探头。当位移量超过高联锁值时，立即触发跳车保护。

（5）惰气压缩机润滑油压力联锁：为确保机组润滑系统可靠运行，防止因油压不足导致润滑失效，进而引发机械磨损甚至火灾事故，系统在润滑油总管上设置三台压力变送器，采用三取二表决逻辑进行压力低低联锁保护，一旦检测到压力低低信号，系统执行跳车操作。

（6）外部紧急停机信号联锁：无论信号来自辅操台、机柜硬按钮、上位机软按钮，还是DCS系统发出的联锁停机指令，机组均会立即执行跳车动作，确保在各类紧急情况下均能实现快速、可靠停车。

以上的联锁策略均按故障安全型逻辑设计，即联锁信号正常时系统输出为1，联锁信号触发时输出为0。所有参与安全联锁的信号，均配置顺序事件记录功能，方便操作人员和仪表维护人员对机组故障的原因进行追溯。

4.3　惰气压缩机组防喘振控制

喘振现象是离心式压缩机固有的一种不稳定工况现象，严重时会对机组造成显著损害。防喘振控制的核心目标，是在监测到喘振发生或临近发生时，依据压缩机实时运行参数，主要是入口与出口流量、入口温度以及压缩比等，动态调节防喘振阀的开度。通过将压缩机出口的部分气流回流至进口，从而增大入口流量、降低压缩比，使运行工况点迅速脱离喘振区，重返稳定工作范围。该策略可有效抑制喘振带来的冲击与振动，最大限度地减轻其对机组的危害。

惰气压缩机防喘振阀的控制主要包括以下四种方式：

（1）自动输出：即常规PID控制模式。当机组工作点位于喘振控制线右侧安全区时，防喘振阀依据PID调节器的输出信号调整开度，实现平稳控制。

（2）性能控制：该方式通常在机组工作点进入喘振控制线左侧危险区时启用。系统将防喘振控制器的PID输出与压缩机出口压力纯比例控制输出进行高选，并取高值信号作用于阀门。若PID控制响应不足，比例控制器将迅速将防喘振阀开至100%，从而快速抑制喘振，保护机组安全。

（3）超压保护：当压缩机出口压力超过设定限值时，防喘振阀会立即增大开度，使工作点向控制线回移，避免喘振发生。

（4）手动控制：该方式允许操作人员手动干预阀门开度，其控制优先级高于自动控制器，通常用于开车阶段或临时调试，便于仪表维护，但不适用于正常生产工况。

PTA装置惰气压缩机组采用的具体控制方式如图4所示。

图4 机组防喘振画面

5　结语

该系统自投入运行以来，表现出了优异的稳定性与可靠性。其人机界面友好，操作便捷，为PTA装置惰气压缩机组安全平稳运行提供了有力保障。该成功案例不仅适用于PTA装置，也为类似工况的压缩机控制系统的设计、选型与实施提供了有价值的参考和借鉴。

作者简介：

牛　驰（1993-），男，江苏淮安人，工程师，硕士，现就职于中国石化仪征化纤有限责任公司，主要从事仪表管理方面的工作。

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摘自《自动化博览》2025年12月刊