压缩机防喘振控制策略综述

陈 欣

(中国石化洛阳石化工程公司仪电室,河南洛阳 471003)

压缩机防喘振控制策略综述

陈 欣

(中国石化洛阳石化工程公司仪电室,河南洛阳 471003)

压缩机是炼油化工企业的重要用能设备,安全与节能是压缩机控制的首要任务。针对透平式压缩机的专有控制技术——防喘振控制(ASC),不同专用系统各具特点,但其核心内容和控制理念是一致的,即在安全的保障下最大化节能。介绍了防喘振控制中几个关键问题,对于喘振线的传统算法和通用算法进行了对比性说明。列举了为实现压缩机安全与节能所采取的主要控制策略,通过生产实践,得知这些策略的应用是成功的,是利用控制手段实现安全与节能的成功范例。

压缩机;防喘振控制;安全;节能;能量头

0 引 言

在石化生产装置中,透平压缩机(包括离心式和轴流式)被广泛用于气体压缩及输送,从催化裂化装置主风机、富气压缩机到大型的空分压缩机,出于离心式压缩机防喘振保护的要求,压缩机出口放空阀或回流阀是必要的控制手段,但一旦这种手段付诸实施,也意味着压缩机同时在耗费宝贵的能源。如何在节能与安全之间寻求最佳平衡点,已成为当今离心式(包括轴流式)压缩机的一项基本控制任务。

1 透平压缩机防喘振控制要素

1.1 控制系统的快速响应

当前,PLC之所以成为主流压缩机控制系统,除了具有高可靠性的软硬件之外(如 TS3000的三重化冗余结构),其快速的实时响应和处理能力无疑是另一重要因素。

从现场信号采集—程序执行—输出(即一个扫描周期,严格说扫描周期还应包括自诊断、通信时间),这一计算机处理过程可以用一个时间概念全过程执行时间(T PET)来表征。用于一般过程控制的DCS,其 T PET往往大于100 ms,而PLC的 T PET至多不应大于50 ms。试比较,假如防喘振阀的全行程时间是3 s,当压缩机进入紧急安全运行状态时(可能是下游装置启动自动保护,紧急切断供风),防喘振阀应迅速完全打开,那么50 ms的控制器应当使阀门提前打开1.7%,防喘振阀特性一般为线性,说明阀门的放空量(或返回量)同样相差1.7%。喘振线与控制线之间的安全距离通常不超过10%(流量),1.7%的提前量对机组安全无疑是一个有意义的数字。即使某些防喘振控制仍由DCS实行,那么也需要DCS提供专用控制器,以及信号采集/输出的独立I/O通道,以满足快速响应要求。

1.2 建立喘振线数学模型

1.2.1 传统模型

防喘振线的计算公式有多种,传统方式中多采用压缩比/入口体积流量“(pd/ps)/qV”坐标系,溯其原因,可能是压缩机制造厂提供的性能曲线图通常采用这种坐标,也称参数法。喘振线以参数方程表示为

式中 a,b——压缩机特性常数;pd/ps——出口压力/入口压力;qVs——入口流量,m3/h;Ts——入口温度,K;R——气体通用常数,R=8 314/Mr (Mr为气体相对分子质量);K——气体绝热指数; g——重力加速度,9.806 m/s2。

通常采用这种方法时,将 Ts设为常数,这样参数获取少,仪表设置少,容易实现,但不适于压缩机入口条件变化较大的情况。压缩机入口条件变化的影响有以下几种。

a)入口压力。入口压力越低,越容易发生喘振。从喘振的机理来看,入口压力低,气体密度小,即使在相同入口流量时,小密度气体更容易脱离叶轮,这正是喘振发生的起因。所以当风机入口过滤器差压大时,应及时更换滤网。

b)入口温度。入口温度高,气体密度小,容易发生喘振。因此夏季比冬季更要注意防喘振控制。

c)相对分子质量。相对分子质量小,在相同温度和压力下的气体密度也小,当然更容易发生喘振,这也是离心式压缩机不适于相对分子质量低的气体压缩的一个原因。

由于压缩机入口条件变化,需要对喘振线进行修正,即所谓“随动控制”,或称可变极限流量法。另一种较为保守方式相应称作“定值控制”,也称固定极限流量法。

依靠计算机系统丰富的软件功能,喘振线可进行离线或在线整定,“随动控制”也因此被广泛采用,TS3000系统提供的正是这种方法。TS3000防喘振线有(pd/ps)/(h/ps)或Δp/h坐标系(Δp为出、入口差压)两种模式,防喘振线为固定斜率的直线,但是如果入口条件如相对分子质量变化时,直线变为多段折线。“随动控制”需要根据入口条件不断修正喘振线,或者说由于多条喘振线的并存,使控制的精度和品质受到影响。而曾经在模拟单回路调节器中使用的“定值控制”法,尽管对压缩机提供了最大安全保障,其代价是缩小了压缩机安全区域,造成不必要的放空(或返回),不仅影响压缩机的经济运行,甚至给装置生产带来影响。

传统的防喘振控制固然有一定局限性,仍可满足大多数压缩机喘振控制的要求。而对于某些特殊应用,就必须对喘振线模型进行改进,适应入口参数多变的工况。

1.2.2 改进模型

为解决喘振线修正问题,在20世纪80年代“能量头”作为压缩机的一个重要特征参数被引入防喘振控制算法中。

压缩机通过高速旋转的转子,经叶轮将机械能传递给流经叶轮通道的气体,并变为气体之内能。内能形式可表达为每公斤气体所获得的能量,称为能量头,即气体焓值。

气体压缩有三种过程:等温压缩、绝热压缩、多变压缩。前二者只存在于理论当中,实际上所有压缩过程都伴随不同程度的能量散失,所以气体压缩均属于多变压缩。

在多变压缩中,气体获得的能量头表示为

式中 hp——多变能量头,kJ/kg;m——气体多变指数。

以能量头作为喘振线的改进模型,从根本上解决了入口条件变化所产生的影响。从图1可以看出,采用hp/qVs坐标系,对于特定的压缩机,喘振线是惟一的,不因入口温度、压力和相对分子质量变化而改变,且由于对qVs采取了入口条件修正(qVs= C(ΔphTs/ps)1/2,相当于质量流量;Δph为入口节流装置压差(mmH2O);C为节流装置流量系数)。压缩机性能曲线在定转速下也是惟一的。这样喘振坐标系变得简单清晰,使复杂的喘振控制易于执行。

图1 压缩机防喘振控制示意

由于消除了入口条件的影响,以多变能量头建立的防喘振数学模型也称“通用性能曲线法”。通用是对特定压缩机而言,对于变转速压缩机,或机械特性可变的压缩机,如轴流压缩机静叶可调,性能曲线会随之变化。

由能量头衍生的通用喘振线不一一论述。压缩机制造商,同时也是压缩机控制系统供应商Dresser-rand提出的当量流量法,坐标系为(pd/ps)/[qm(R TsZ)1/2/ps](qms为压缩机质量流量;Z为气体压缩机系数),可以看作能量头法的一种演变。利用qm(R TsZ)1/2/ps=(h/ps)1/2,可以简化测量系统,降低对测量仪表的依赖,不失为一种实用方法。

相比二种传统的喘振算法和基于能量头的通用算法,应视实际情况应用。一般的空压机、氮压机工况简单,完全可以采用定值防喘振控制;催化裂化主风机流量大,下游管网情况复杂,宜采用随动防喘振控制;而乙烯装置的裂解气压缩机,受装置操作影响,入口参数常有变化,应当采用通用喘振线模型。

1.3 设立防喘振线

防喘振线在喘振线右侧并与之平行。压缩机运行在控制线上时,防喘振阀全开,所以控制线也称放空线。喘振线与控制线之间的水平间距通常称为安全裕度,范围一般在5%～10%之间。过大的安全裕度,可能产生频繁而盲目的喘振控制,无谓地打开放空阀(或返回阀),结果必然造成浪费。反之,安全裕度过小,也可能造成喘振调节滞后或失败,带来灾难性后果。

1.4 喘振控制算法

判断压缩机安全状态不仅根据工作点与喘振线之间的距离,还要计算工作点向喘振线方向移动的速度,两者综合比较。例如,TS3000的设定点浮动线功能具有设定点“盘旋”特点(HOVER),当工作点右移时,喘振PI控制器的设定点以同样速率跟随工作点,两者间保持一个“工作裕度”,而工作点向喘振线方向移动时,工作裕度不再保持一定,而是取决于 HOVER模块的增量设置。这使得喘振控制设定点的变化速率能及时随工作点不断进行调整,并且与控制线上相对固定的设定点比较,两者取低值。

当控制线处于喘振线和控制线之间时,控制器必须提供足够快的响应,此时正常的PI控制器已无法做到这一点,因此在该阶段,一个特殊的比例控制器将比例输出叠加在原PI控制输出上,加快防喘振阀开启速度。比例控制器的增益与工作点的移动速度有关,因此这是一种浮动比例控制,受特殊微分(ds/dt)作用的影响。同样对于CCC控制器,在控制线和喘振线之间还设置一条RTL防线(Recycle Trip Line)。如果发生较大扰动,正常PI调节器已不能阻止工作点的左移而抵达RTL, RTL控制器将输出阶跃信号叠加在PI控制器输出上,迅速打开防喘振阀。而CCC控制器也有一个特殊微分作用,与 TS3000类似的是两者的“特殊微分”都不是直接控制输出,CCC的微分作用于加大防喘振控制安全裕度。这样操作点在向喘振方向移动,但没有实质喘振危险时,不会将防喘振阀打开,只有在操作点接近喘振控制线时,才通过ds/dt的移动速度加大安全裕度,使压缩机及时进入喘振控制。

此外,几乎所有防喘振控制系统的控制器参数都采取自适应调整,PI控制器的比例增益和积分时间会根据动态的喘振控制过程(包括喘振点的位置、移动趋势和速率等因素)进行自整定。对于程度不同的喘振趋势,控制强度也是不同的。参数自整定的优点是当有轻微喘振趋势时,避免由于大的增益而造成控制不稳定,而当喘振迹象进一步发展时,又能以大增益进行及时抑制。如果不采取特殊措施,喘振控制器的积分作用会由于防喘振阀的长期关闭而进入积分饱和状态。解决方案可以采用数字调节器常用的增量式算法,算法产生积分作用却没有积分项。或者根据防喘振调节阀阀位反馈信号,控制器输出钳位,避免进入饱和状态。

防喘振控制系统都具有“快开慢关”功能。当工作点在控制线上运行时,稳定是这种工况下的主要控制目的。大增益值会使得工作点在控制线左右大幅震荡。调节器的可变增益此时可以发挥作用,另一个解决办法,即在调节器输出前将信号进行斜坡处理。当输出使防喘振阀关闭时,控制输出的变化率依斜坡斜率小于5%,那么阀门会慢速关闭,速度小于5%。而对于使阀门开启的信号则不加限制,阀门将以最快速度打开。

1.5 附加功能

a)控制器强制输出“DO”为“0”,直接控制电磁阀以最快速度打开防喘振阀。DO为零的前提是“喘振”的确定。多数防喘振控制系统在喘振线和放空线之间还设置一道关口——安全线,一旦被触及(或多次触及),喘振即被确认,防喘振阀即刻在开关量(DO)和模拟输出的双重作用下快速打开。这类似于CCC的RTL线,但RTL并不作为喘振判断线,也不产生DO输出。TS3000没有安全线设置,而是以工作点向左方的特定窜动为判断依据(例如流量变化速率或输出信号变化率大于20%),喘振确认后产生DO输出。

b)手动开关控制。TS3000的手动控制、浮动比例控制、防喘振PI控制器三者进行高值选择,这种手动模式称为部分手动模式(软手动),在手动操作的同时仍收到自动控制的监控和保护。另外一种完全手动模式(硬手动),在这种方式下,即使发生喘振,控制器也无权干预。两者中部分手动模式常被用于人工设定喘振线。

c)对于有性能控制的压缩机组,通常会通过调节压缩机的转速或入口阀门(静叶角度)来满足工艺要求,即调整性能曲线。例如催化裂化主风机往往通过出口流量控制入口调节阀,当主风需求量高于设定值时,需要减少入口流量,而此时如果压缩机正在进行喘振调节,性能控制和喘振控制作用相反,造成系统不稳定,使机组更接近喘振。针对这种情况,CCC控制器和TS3000系统通过关系解耦使两个控制协调动作,稳定系统。

d)在多台压缩机并联运行条件下,控制器将性能控制、转速控制与喘振控制结合,实现在最小转速下将单台压缩机并入系统管网。并且在性能控制的配合下,能使多台并联/串联运行的压缩机工作点与控制线保持相同距离,实现负荷平衡分配。

2 仪表检测和控制设备

如果防喘振控制系统是喘振控制的核心,变送器和防喘振阀就是信息反馈者和指令执行者。尤其采用能量头法建立通用喘振线模型时,需要来自各种变送器过程数据(至少包括入口压力变送器、入口差压变送器、入口温度变送器、出口压力变送器及阀位变送器),因此对变送器的依赖性更强,变送器的可靠性和快速性在防喘振控制中也显得尤为重要。正如前文所述,快速的响应对于防喘振控制效果影响显著,并且这种速度的要求是对于整个控制回路的要求,不仅仅针对控制系统,也包括变送器和调节阀。

一般智能变送器的响应时间为400 ms,响应最快者为100 ms(包括死区时间40 ms),但前提是采用 HART型数字信号。需要说明响应时间并非指由过程变化产生的一次性即时响应,而是信号从4～20 mA的全程变化时间。如果信号在4～12 mA变化时,理论上响应时间应为50 ms。对于防喘振控制系统的供应商来说,100 ms的时间仍无法令人满意,因此建议采用非智能型的模拟变送器。因为不需要模/数和数/模转换,响应时间大为缩短,应在10 ms以内。

防喘振调节阀的选择是另一个关注点。在模拟信号控制下,防喘振控制阀全开时间一般要求为2～3 s,全关时间为3～5 s;而开关量控制下的全开时间可以缩短至1.5 s。为达到这一目的,可以加大调节阀供风管尺寸,或者设置气体增压器。通过调节阀的响应时间可以相反估算出防喘振控制回路的响应时间,即从喘振发生到调节阀开始动作(包括定位器的死区时间)。如果防喘振阀全开时间快达2 000 ms,300 ms的回路响应时间应该能够满足控制要求,所以快速的调节阀响应放宽了对系统响应时间的约束。对于大负荷压缩机,可以并列安装2台或3台防喘振阀,可能个别设计中将这些调节阀设为分程控制,实际上分程控制相当于叠加了几个阀的全行程时间,无疑不利于防喘振控制。相反,如果几个阀门同步动作,则效果等同于加大控制器增益。而在调节阀上加大增益的好处是不会将控制器输入信号的干扰一同放大,不会因此降低控制的稳定性。几个阀门同步动作也保证了大放空量阀门的行程时间在要求的3 s之内。

3 结束语

在各种类型的生产装置中,压缩机都是一个大的耗能单位,在保障压缩机稳定、安全运行的同时尽可能节能,是近年来压缩机控制系统发展的重要指导理念,在这种理念下,各种控制方法和策略逐渐产生并成熟。该文通过对 TRICON,CCC, Dresser-rand及GHH提供的防喘振控制资料的综合对比,并不针对某个专用系统进行详尽阐述,而是总结当前主流系统的一些共同点,在喘振与控制、控制与安全、安全与节能之间建立定性的关联,在基础概念的理解上对喘振控制的意义有更广泛的认识。

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The Strategies Summary on Compressor Anti-Surge Control

Chen Xin
(Sinopec Luoyang Petrochemi.Eng.Corp.,Luoyang,471003,China)

Compressors are important energy consumption devices in refineries and petrochemical plants, safety and energy saving are primary task of compressor control.Regarding the special control technology of centrifugal compressor:Anti-Surge Control(ASC),different ASC system has different characteristics but has same content and control theory:i.e.maximizing energy conservation while safety is ensured.Several key points of ASC are introduced,a comparative specification between traditional algorithm and advanced algorithm for ASC is presented.Main compressor control strategies for safety&energy conservation are presented.Those have been successfully applied in production.

compressor;ASC;safety;energy conservation;head

TP273

B

1007-7324(2011)01-0047-04

2010-11-29(修改稿)。

陈 欣(1966—),女,1989毕业于中国广播电视大学电气自动化专业,大专学历,1989年进入中国石化洛阳石化工程公司仪电室工作至今,任工程师。