離心壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行的控制方案研究和實(shí)現(xiàn).doc

離心壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行的控制方案研究和實(shí)現(xiàn)雷躍強(qiáng) 陳建中 王海東 王國(guó) 馬兵摘要：壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)壓縮機(jī)之間相互影響，相互制約，操作和控制的難度大大提高，通過(guò)防喘振控制、解耦控制、負(fù)荷分配可以使壓縮機(jī)的性能得到控制，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)壓縮機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作。關(guān)鍵字：串聯(lián) 性能 防喘振 負(fù)荷分配引言：大型離心式壓縮機(jī)是化工裝置中常見(jiàn)的氣體加壓設(shè)備。離心壓縮機(jī)的性能曲線決定了其運(yùn)行和操作中存在防喘振問(wèn)題，防喘振控制和性能控制是大型壓縮機(jī)控制的核心問(wèn)題，目前，單臺(tái)離心壓縮機(jī)的防喘振技術(shù)已經(jīng)比較成熟。為了提高壓力，有時(shí)需要兩臺(tái)或多臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)壓縮機(jī)之間相互影響，相互制約，操作和控制的難度大大提高。這為壓縮機(jī)控制系統(tǒng)提出了新的問(wèn)題。寧夏石化公司二化肥裝置二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組原設(shè)計(jì)能力為24700Nm3/h，2005年由于裝置50%擴(kuò)能改造的需要，對(duì)機(jī)組動(dòng)靜葉片進(jìn)行了改造，并增加了一臺(tái)二氧化碳增壓機(jī)組K101A，由10MPa的蒸汽背壓式透平驅(qū)動(dòng)，增壓機(jī)將二氧化碳的壓力由105kPa（A）加壓到210 kPa（A）,這樣使壓縮機(jī)的能力增加到43000 Nm3/h。新的系統(tǒng)在裝置開(kāi)車期間由于控制方案配置不合理，造成機(jī)組發(fā)生喘振、推瓦等事故，經(jīng)過(guò)三年來(lái)的改進(jìn)，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組的保護(hù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)比較成熟，本文將對(duì)串聯(lián)運(yùn)行的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組的控制方案進(jìn)行探討。二化肥尿素裝置二氧化碳?jí)嚎s機(jī)K101和二氧化碳增壓機(jī)組成，整個(gè)機(jī)組的工藝和儀表控制圖如圖1所示： 圖1 串聯(lián)壓縮機(jī)的整體配置圖二氧化碳?jí)嚎s機(jī)K101是意大利新比隆公司生產(chǎn)的四段離心式壓縮機(jī)，由高壓缸（HP）和低壓缸（LP）組成，在二段和三段之間有有個(gè)齒輪箱，該壓縮機(jī)由西門子生產(chǎn)的抽汽凝汽式透平驅(qū)動(dòng)。二氧化碳增壓機(jī)是新比隆生產(chǎn)的單段離心式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)由錦化機(jī)生產(chǎn)的背壓式透平驅(qū)動(dòng)。兩臺(tái)壓縮機(jī)為串聯(lián)運(yùn)行，在操作中必須使兩臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷處于同一個(gè)調(diào)速系，所以控制系統(tǒng)中必須實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)組的協(xié)調(diào)動(dòng)作，使兩臺(tái)機(jī)組工作在良好的性能狀態(tài)，工作點(diǎn)和喘振線的距離同步，負(fù)荷處于同一水平是控制方案設(shè)置的總體目標(biāo)。1.控制系統(tǒng)概況1.1控制系統(tǒng)描述1.1聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)主要由三冗余的ESD實(shí)現(xiàn)，機(jī)組外圍的設(shè)備由DCS控制，機(jī)組的核心部分由美國(guó)CCC公司的控制器控制，ccc控制器、ESD和DCS通過(guò)modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊。1.2兩臺(tái)機(jī)組的控制系統(tǒng)由9臺(tái)控制器組成，系統(tǒng)的連接圖如圖2所示，包括：n 3臺(tái)防喘振控制器；n 用于負(fù)荷分配的2臺(tái)性能控制器；n 2臺(tái)速度控制器；n 1臺(tái)主控制器；n 1臺(tái)抽汽控制器；1.3 存在的問(wèn)題：兩臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行后的主要挑戰(zhàn)來(lái)自兩臺(tái)機(jī)組的相互影響，當(dāng)K101轉(zhuǎn)速降低或防喘振閥開(kāi)打時(shí)，很容易使K101A出口超壓，影響管道和機(jī)械的安全，最常見(jiàn)的故障是推力軸承燒損，俗稱推瓦；而K101A轉(zhuǎn)速上升或防喘振閥關(guān)小會(huì)使其出口的壓力上升，從而導(dǎo)致K101入口超壓，進(jìn)而二段出口超壓，安全閥起跳，進(jìn)而威脅裝置的安全運(yùn)行。相反，K101A的轉(zhuǎn)速下降或防喘振閥打開(kāi)時(shí)，K101的入口壓力降低，工作點(diǎn)靠近喘振線，如果這時(shí)防喘振控制器在自動(dòng)狀態(tài)，防喘振閥將自動(dòng)打開(kāi)，進(jìn)而出現(xiàn)上一節(jié)所述的現(xiàn)象。以上過(guò)程往往是在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)非常困難。所以必須使兩臺(tái)機(jī)組完全投自動(dòng)，使兩臺(tái)機(jī)組協(xié)調(diào)動(dòng)作。2.安全保護(hù)方案：對(duì)于兩臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)，除了常規(guī)的振動(dòng)、位移、超速、油壓等保護(hù)措施外，為了在非正常情況下保護(hù)機(jī)組的安全，必須具有以下聯(lián)鎖：2.1出口壓力高聯(lián)鎖：防喘振閥HV8162是K101最重要而且動(dòng)作最頻繁的控制閥，如前所述， HV8162的大幅動(dòng)作極易造成K101A超壓，進(jìn)而造成推瓦事故。而K101的轉(zhuǎn)速波動(dòng)是K101超壓的另一個(gè)因素，為了在非正常情況保護(hù)增壓機(jī)的安全，必須設(shè)增壓機(jī)出口高聯(lián)鎖，當(dāng)出口壓力高于265kPa（a）時(shí)，增壓機(jī)聯(lián)鎖停運(yùn)，主蒸汽速關(guān)閥關(guān)閉，防喘振閥打開(kāi)。2.2入口快速排放邏輯：當(dāng)增壓機(jī)跳車時(shí)，K101必須聯(lián)鎖停車，而當(dāng)K101停車時(shí)，K101A不必須停車，但增壓機(jī)的出口沒(méi)有防空閥，當(dāng)K101停車時(shí)，增壓機(jī)的出口將壓力高聯(lián)鎖，為了實(shí)現(xiàn)增壓機(jī)K101停車時(shí)，K101A不停車，可以將二氧化碳從合成裝置的二氧化碳二氧化碳防空閥PV24A/B及時(shí)放空，通過(guò)兩個(gè)步驟可以實(shí)現(xiàn)該要求：2.2.1.給防喘振控制器UIC-3設(shè)置壓力極限，當(dāng)壓力超過(guò)230 kPa（a）時(shí)，通過(guò)快速的比例相應(yīng)打開(kāi)防喘振閥，使出口壓力迅速釋放，控制在聯(lián)鎖值以下。2.2.2將聯(lián)鎖邏輯改為：當(dāng)K101停車時(shí)合成界區(qū)的二氧化碳放空閥PV24B的電磁閥失電打開(kāi)30秒，然后得電，并將PV24的閥位在DCS中置于50%，操作模式改為手動(dòng)。操作人員可以根據(jù)壓力的情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。3. 控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)3.1.控制系統(tǒng)的第一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)入口的流量控制，使進(jìn)入尿素系統(tǒng)的物料更加平穩(wěn)，對(duì)兩臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行負(fù)荷分配和優(yōu)化；l 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)K101和二氧化碳增壓機(jī)K101A分別進(jìn)行防喘振控制；l 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)K101和二氧化碳增壓機(jī)K101A的透平分別實(shí)現(xiàn)速度控制；l 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)K101的透平實(shí)現(xiàn)抽汽控制，保證抽汽壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)高調(diào)門和中調(diào)門的兩閥解耦。3.2第二控制目標(biāo)增壓機(jī)排氣壓力高限控制；圖2 串聯(lián)壓縮機(jī)的控制方案詳圖4.控制方案； 整體的控制方案如圖2所示： 4.1 速度控制和抽汽控制4.1.1速度控制的首要目的是克服負(fù)載變化、蒸汽壓力變化等擾動(dòng)，使轉(zhuǎn)速的PV值跟蹤設(shè)定值。轉(zhuǎn)速的測(cè)量一般采用磁性探頭，透平上裝有測(cè)速盤(pán)，每個(gè)透平配置7個(gè)測(cè)速探頭，其中6個(gè)為無(wú)源探頭，3個(gè)用來(lái)做超速保護(hù)，3個(gè)做控制，一個(gè)有源探頭，做為狀態(tài)監(jiān)測(cè)的健相信號(hào)。與無(wú)源探頭相比，有源探頭可以測(cè)量到更低的轉(zhuǎn)速，只要是高于5Hz頻率信號(hào)，都可以被有源的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)識(shí)別。調(diào)速器的執(zhí)行器一般采用電液伺服機(jī)構(gòu)，與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，液動(dòng)裝置的穩(wěn)定性更好，動(dòng)作更迅速【2】， K101A使用woodward的液壓伺服機(jī)構(gòu)，速度控制器輸出20-160mA的大功率信號(hào)，K101配置VOITH的電液轉(zhuǎn)換器，速度控制器輸出4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。但電液轉(zhuǎn)換器需要供電。速度控制的算法與常規(guī)的PID算法基本相同如公式1：公式1其中：e：偏差PB:比例帶；Kr：積分常數(shù)；Td：微分常數(shù)；壓縮機(jī)在低速時(shí)一般防喘振閥全開(kāi)，而且出口壓力較小，所以負(fù)載非常輕，而在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)速范圍一般在額定轉(zhuǎn)速附近，所以轉(zhuǎn)速對(duì)象的非線性特性非常明顯，所以速度的控制必須采用非線性算法，來(lái)克服速度對(duì)象的非線性。這種非線性是通過(guò)設(shè)置非線性的比例帶實(shí)現(xiàn)的，非線性算法如下：公式2 函數(shù)f1(N)和f2（N）為自定義的分段函數(shù)，通過(guò)定義10個(gè)點(diǎn)將不同轉(zhuǎn)速的比例帶和積分常數(shù)分為9段，每一段都可以設(shè)置不同的比例帶和積分常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速控制波動(dòng)大或偏差大時(shí)，只需對(duì)相應(yīng)的段的參數(shù)優(yōu)化即可。4.1.2 抽汽控制K101的透平是抽汽凝汽式的透平，如圖3：該系統(tǒng)中存在兩個(gè)輸入變量:抽汽壓力和轉(zhuǎn)速,兩個(gè)輸出變量v1和V2，形成二階矩陣，兩臺(tái)閥的相互作用為:V1閥開(kāi)大而V2閥閥位保持不變，將會(huì)使透平的輸出功率增加、抽汽壓力升高；V2閥開(kāi)大而V1閥閥位保持不變，將會(huì)使透平的輸出功率增加、抽汽壓力降低；所以必須對(duì)兩臺(tái)閥的控制進(jìn)行解耦。解耦的方程如下： 公式3其中：W1:高壓段需要的流量；W2:低壓段需要的流量；Mn解耦系數(shù)。JD:功率要求；WD:抽汽流量要求；圖3 抽汽凝汽式透平的P&ID圖透平制造商提供的抽汽圖:圖4透平抽汽圖該圖橫坐標(biāo)表示透平的輸出功率，縱坐標(biāo)為高壓蒸汽的消耗量，整個(gè)圖包含了以下內(nèi)容：u 頂部的水平線代表最大流量；u 右側(cè)的垂直線代表透平的最大輸出功率；u 斜向右上方的幾條直線代表等抽汽線；u 左側(cè)較陡的線代表最小排汽線；u 右側(cè)較陡的一條線代表最大排汽線；由于一定的功率對(duì)應(yīng)一定的閥位，可以將公式3改進(jìn)為公式4根據(jù)抽汽圖，就可以計(jì)算出M1-M4的設(shè)定值。圖4透平的相關(guān)數(shù)據(jù):表1 透平的抽汽相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算后得到解耦的系數(shù)如下:表2 解耦系數(shù)的計(jì)算結(jié)果4.3 防喘振控制離心式壓縮機(jī)在正常工況工作時(shí)，氣體進(jìn)入葉道的方向角基本上等于葉輪葉片的進(jìn)口安裝角，這是不會(huì)出現(xiàn)氣體的附著面層脫離的現(xiàn)象，但流量減小到一定程度時(shí)，氣體進(jìn)入葉道的方向與葉片的進(jìn)口安裝方向?qū)l(fā)生較大的偏角，這樣在葉片的背面將形成渦流區(qū)，導(dǎo)致整個(gè)流道被堵塞，這樣壓縮機(jī)的出口壓力低于管網(wǎng)壓力【1】從性能曲線上表現(xiàn)為壓縮機(jī)的性能曲線存在頂點(diǎn)，這是離心式壓縮機(jī)的特性決定的。如圖2所示，不同轉(zhuǎn)速下，頂點(diǎn)的連線形成了壓縮機(jī)的喘振線。圖5 不同轉(zhuǎn)速的性能曲線頂點(diǎn)形成的喘振線寧夏二化二氧化碳機(jī)組共有3個(gè)壓縮缸，每個(gè)缸必須配置一臺(tái)防喘振控制器，分別進(jìn)行防喘振控制，四回一閥HV8162實(shí)際上是高壓缸和低壓缸共用，配置二回一是為了防止高壓缸和低壓缸的喘振線不匹配，造成高壓缸的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線，而低壓缸的工作點(diǎn)已接近喘振線。為了使壓縮機(jī)不喘振，必須使壓縮機(jī)工作在喘振線的右側(cè)，所以，首先應(yīng)該檢測(cè)并計(jì)算出壓縮機(jī)的工作點(diǎn)，計(jì)算工作點(diǎn)的通用方程如下：公式5其中：f1:為y象限的特性f3(n):x象限的特性；f5（U5）:基本的特性K:喘振曲線常數(shù)；N:轉(zhuǎn)速；Pd;排氣壓力;Ps:入口壓力;Td:排氣溫度;Ts:入口溫度;Ss:工作點(diǎn),當(dāng)Ss為1時(shí),壓縮機(jī)工作在喘振線，由于壓縮機(jī)的溫度變化較小，而且不同的壓比對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，所以可以將公式1簡(jiǎn)化為無(wú)轉(zhuǎn)速的方程；公式6其中：PO,C:流量測(cè)量元件的差壓；RC:壓比；為了便于表述，可以用圖4表示壓縮機(jī)在各種狀態(tài)下的控制線。在不同的控制線將觸發(fā)不同的響應(yīng)。 如果工作點(diǎn)位于喘振控制線的左邊，將通過(guò)比例積分（PI）相應(yīng)開(kāi)大防喘振閥，相反，工作點(diǎn)位于喘振線的右側(cè)時(shí)將關(guān)小防喘振閥。當(dāng)工作點(diǎn)位于階梯響應(yīng)線的左側(cè)時(shí)將階梯打開(kāi)防喘振閥，直到工作點(diǎn)回到階梯響應(yīng)線的右側(cè)。當(dāng)工作點(diǎn)位于安全保護(hù)線的左側(cè)時(shí)，控制器將使喘振線向右移動(dòng)，這樣會(huì)使PI響應(yīng)和階梯響應(yīng)加快。右移的程度決定于喘振的次數(shù)。圖6 簡(jiǎn)化的喘振控制線 壓縮機(jī)制造廠提供了理論的喘振線，但實(shí)際安裝時(shí)會(huì)受到多種因素的影響，造成實(shí)際的喘振線偏離理論喘振線，其中影響最大的是管道配置和流量檢測(cè)元件，所以必須對(duì)喘振線實(shí)測(cè)，由于流量的測(cè)量至今是難題，容易出現(xiàn)流量不準(zhǔn)的問(wèn)題，實(shí)測(cè)后將不要求流量計(jì)的準(zhǔn)確性，只要求流量計(jì)的可重復(fù)性和信噪比。實(shí)測(cè)時(shí)將計(jì)算根據(jù)計(jì)算出的Ss控制器可以顯示壓縮機(jī)工作點(diǎn)和喘振控制線的偏差DEV值，公式如下：公式7在壓縮機(jī)的防喘振方案中，b值是非常重要的參數(shù)，它決定了喘振線和喘振控制線的距離，如果b值太小，將會(huì)使壓縮機(jī)在較小的擾動(dòng)下將會(huì)發(fā)生喘振，如果b值太大，會(huì)使防喘振閥開(kāi)度太大，造成能源的無(wú)謂損失。b值由以下公式得到公式8從公式可以看出：b1是基礎(chǔ)值，正常情況下b=b1b2決定了喘振次數(shù)對(duì)控制線的影響程度。b 3決定了Ss的變化率對(duì)控制線的影響程度二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組中三臺(tái)防喘振控制器的b1值設(shè)置如下： 表3 防喘振控制器的b值配置4.4 負(fù)荷分配:4.4.1方案選擇負(fù)荷平衡一般有兩種方案可以選擇:流量控制方案和壓力控制方案，壓力控制方案?jìng)?cè)重于壓縮機(jī)的性能控制，由于寧夏石化二化肥總體上氨和二氧化碳不平衡，所以如果需要保證合成裝置的壓力控制閥不放空，只需將主控制器的設(shè)定壓力設(shè)置值低于合成裝置的壓力控制器的設(shè)定點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)。但如果合成裝置生產(chǎn)的二氧化碳如果流量不穩(wěn)定，將會(huì)使進(jìn)入尿素合成系統(tǒng)的原料二氧化碳不穩(wěn)定，不利于系統(tǒng)的操作。流量控制方案可以更好的滿足尿素裝置對(duì)二氧化碳流量穩(wěn)定的要求，機(jī)組的流量控制和合成裝置壓力控制器相配合，當(dāng)合成裝置生產(chǎn)的二氧化碳多余時(shí)，防空閥自動(dòng)放空。為了兼顧壓縮機(jī)的性能控制，在主控制器上增加輔助極限控制，當(dāng)壓力低于10kPa時(shí)，優(yōu)先控制壓力在設(shè)計(jì)范圍。4.4.2 負(fù)荷平衡的計(jì)算：負(fù)荷平衡的目標(biāo)是使兩臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷相等,所以必須先計(jì)算出壓縮機(jī)當(dāng)前的負(fù)荷值，壓縮機(jī)按照以下公式計(jì)算：公式9 其中:A:域選擇器CVb：負(fù)荷平衡變量；f2A(Rc):報(bào)告流量特性；f2D(IPV):循環(huán)流量特性；f6：平衡變量特性；IPV:期望的防喘振閥閥位；S:相對(duì)于喘振控制線的喘振趨近度；Wr：循環(huán)流量；負(fù)荷平衡變量一般有轉(zhuǎn)速（N）或壓比（Rc）兩種選擇，由于本項(xiàng)目中的正常的工藝條件下，總的壓比是恒定的，所以選擇了轉(zhuǎn)速。該公式由兩部分組成，由于負(fù)荷平衡變量選擇了轉(zhuǎn)速，前一部分是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，后一部分與喘振趨近度的比例關(guān)系，喘振趨近度與期望的閥位和壓比為函數(shù)關(guān)系。域選擇器有主控制器進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)來(lái)自負(fù)荷分配控制器，負(fù)荷分配控制器在自身所關(guān)聯(lián)的防喘振控制去中選擇選擇最大的S，主控制器再選擇出最大的S計(jì)算出A，A的計(jì)算公式如下:公式10 其中:6:低負(fù)荷門限;7:高負(fù)荷門限;過(guò)渡區(qū)可以用圖7對(duì)域的設(shè)置進(jìn)一步闡述: 圖7:負(fù)荷分配的域選擇從圖中可以看出:當(dāng)SMAX小于6時(shí)，A很等于1，所以負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果為轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)；當(dāng)SMAX介于6和7之間時(shí)，L由轉(zhuǎn)速和喘振趨近度組成；當(dāng)SMAX大于7時(shí)，A等于零，負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果由最大的喘振趨近度決定。 加入f6僅僅是為了消除負(fù)荷對(duì)象的非線性，在防喘振控制器中設(shè)置，由于透平一般有4個(gè)左右的閥頭控制，造成中間段的線性不平滑，可以用分段函數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正。由于在正常工況下，測(cè)得兩臺(tái)機(jī)組的出現(xiàn)喘振流量都在26700Nm3/h左右，而最小的投料負(fù)荷高于該流量，所以正常生產(chǎn)時(shí)防喘振閥可以關(guān)閉，所以負(fù)荷的計(jì)算可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，一般情況下，S總是小于1，所以只要將6和7設(shè)置為大于1的值，L將僅僅是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。由于K101有兩臺(tái)防喘振控制器，而在正常負(fù)荷下，高壓缸更容易喘振，所以指定負(fù)荷的值有FIC62進(jìn)行計(jì)算。4.4.3 負(fù)荷的控制回