CCC防喘振控制器在转炉送风机中的运用

王正斌

（金隆铜业有限公司，安徽铜陵 244022）

CCC防喘振控制器在转炉送风机中的运用

王正斌

（金隆铜业有限公司，安徽铜陵 244022）

从控制方法的选择、喘振变量的计算、各种喘振控制线的确定以及CCC控制器在防喘振控制上的特点入手，对CCC防喘振控制器在某铜业公司转炉送风机防喘振控制系统中的应用进行了分析。实践证明，使用该控制器能充分保护风机并提高风机运行的经济性。

转炉风机；防喘振控制；CCC控制器；喘振极限线;防喘振控制线

0 前言

转炉送风机主要是为转炉吹炼提供工艺风的，休风时需要停止吹风，所以转炉送风机的送风过程其实是个间断的过程。在休风的过程中，由于风机的出口阀门关闭，导致出口流量下降，出口压力上升，容易产生喘振现象，这就要求转炉送风机既能连续送风又能间断地送风，还需要保证风机运行的可靠。CCC控制器是由Compressor Controls Corporation生产的专门保护风机的控制器，某铜业公司的1#、2#转炉送风机防喘振控制器采用的就是CCC 3系列加强型防喘振控制器。采用该控制器后,在转炉休风时CCC控制器根据流量、压力等一系列参数计算出所需放空的流量，通过控制放空阀的开度来保证风机在转炉休风时不会产生喘振现象；而在转炉需要送风时,则关闭放空阀,快速建立起送风压力以满足转炉的工况需求,同时也保护了风机。

1 控制方式选择

传统上防喘振控制系统只采用一个闭环响应。但是闭环控制器反应较慢,不能保护压缩机而且会浪费过多的循环费用。由于固有的稳定性限制,比例积分控制器不能很快响应,不足以防止喘振,除非安全裕量非常大。闭环算法的速度虽然可以用一个微分部件来提高,但是如果对喘振控制使用比例积分微分控制，即使操作点远离喘振极限,也会为了响应任何向喘振的移动,而导致防喘振阀被频繁地打开。因此采用普遍算法的控制器,对防止喘振应用是不够的[1]。

基于上述原因，该公司的转炉送风机防喘振控制系统采用了开环和闭环响应相结合的方式，提供基于工艺扰动的大小和速度的流量调节[2]。比例积分的响应保持防喘振阀关闭直到操作点跨过防喘振控制线（SCL）左边,然后调节防喘振阀,以确保操作点在控制线上,防止操作点进一步向喘振线移动。如测得的噪声在较为正常的范围内,绝大多数的控制器应用可以根据流量的微分响应。在一定流量下,操作点逐步趋近喘振极限。当速度提高时,响应将控制线移向右边,使控制阀提前打开,而不是等到有充分的喘振风险时,才开始动作。这种附加的安全裕量，会维持到操作点开始移动,远离喘振极限,直到确保不会使综合的控制响应不稳定时,微分响应才会减弱其功能。如果操作点继续移向喘振线,不管比例积分的控制动作如何,阀快开(Recycle Trip)响应都会提供进一步的保护。当操作点跨过阀快开控制线(RTL)时,阀快开响应以台阶量算法打开防喘振阀直到所有朝喘振方向的移动被停止。一旦操作点向后移动至RTL右边,这种响应才会慢慢衰减,从而允许较慢的比例积分响应使操作点向后移至SCL。在该控制器上,每个阀快开响应量的大小可以设计为与趋近喘振的速度成比例,从而尽量减少工艺扰动。作为最后一条防线,开环安全限响应(SO)监测压力和流量的波动。这些波动的特性是在实际发生喘振时,可立即将防喘振控制线和阀快开控制线向右移动。这不仅能在一个循环后停止喘振(这是造成严重损坏的喘振重复性质),而且还提供了防止将来喘振的附加安全裕量。这种专利的控制响应的结合，能更主动地调节控制器，从而降低了循环和放空费用，同时不会增加喘振的风险[3]。

2 CCC控制器的运用

2.1 计算公式的选择

CCC控制器可以采用多种控制方式和运算进行防喘振控制,其功能主要包括：1)使用坐标系和运算法则来计算喘振临界线SS;2)根据生产过程变化并将各信号输入进行计算；3)绘制出简单的控制器与压缩机间的生产过程及仪表控制图(图1);4)选择适当的反馈方式控制。

图1 防喘振控制系统

该转炉送风机防喘振控制方式采用的是计算喘振的接近曲线,所采用的公式为：

式中:△Po,c为流量计算值；f1(Rc)为Y坐标特征；f5(Z)为普通特征；K为喘振极限线系数；Pd为出口压力；Ps为入口压力；Rc为压缩比。

2.2 控制曲线确定及运用

CCC防喘振控制器要实现其控制，就要知道压缩机的喘振点在哪,以确定一个合适的喘振控制裕度,再根据喘振发生的特点通过一些特定的控制响应来实现防止喘振发生的控制目的。这就涉及到操作点与几种控制线之间的关系。几种控制线主要为：开环安全线SOL（Safety On Line)、喘振极限线SLL (Surge Limit Line)、阀快开线RTL（Recycle Trip Line）、防喘振控制线SCL（Surge Control Line）、完全关闭线TSL(Tight Shut-off Line)。各控制线关系见图2。

图2 各控制线关系

当操作点通过各相应的控制线时将产生相应的控制动作。具体如下：1)操作点在SCL左边时,防喘振控制器的比例积分响应增加回流量,反之当操作点在该线右边时,则减小;2)当操作点在RTL的左边时,阀快开响应将打开放空阀；3)当操作点越过SOL时,安全响应会移向防喘振控制线右边;4)当操作点在TSL右边时,完全关闭响应会全关防喘振控制阀,输出为最小。

正如SLL是一条喘振接近度SS=1的轨迹线, SCL是SS=1+bf4(Z)轨迹线，其中，f4为控制线参数，Z为控制线函数值。因此压缩机的偏差DEV(操作点与SCL的距离)可以表示成为：DEV=devsc=1-bf4（Z）-SS。当DEV＜0，则防喘振控制器的比例积分响应将增大回流或放空；反之，当DEV＞0，则防喘振控制器的比例积分响应会减小[4]。

RTL是依据阀快开响应的过程设定的一个操作极限。当操作点越过这个极限，阀快开响应会被激活，并快速地打开防喘振控制阀。这条控制线的位置是与喘振极限线相对应设计的，它们间的距离由阀快开差值(RTM)表示：

式中:b1为防喘振控制起始偏差；CRSO为安全响应值；RT为阀快开线距离。

阀快开线距离小于防喘振控制起始偏差，因此RTL总是在SLL右边。阀快开响应主要是保护压缩机受干扰过大或比例积分控制太快而衍生的响应算法。即，当其确认操作点超过了喘振临界线SS时会迅速打开防喘振控制阀，然后等待防喘振的比例积分响应赶上（图3）。其阶跃计算公式为：

式中：C0为阀快开增益；C1为阀快开最大阶跃值；devRT为阀快开偏差值(当操作点在RTL左边时为负值)；dSS/dt为相关时间内SS导数；Td1为阀快开时间常数。

图3 典型的阀快开响应

SOL依据压缩机喘振时操作极限，安全响应会累积喘振次数，当操作点在SOL左边时会提升防喘振控制线的偏差值。SOL在喘振极限线的左边，它们间距离用安全差值(SOM)表示,其计算为：SOM=SOf4 (Z),其中SO为开环安全线距离。

2.3 使用效果及优点分析

由于CCC控制器是为保护风机运行而专门设计的，所以在控制精度和可靠性上都优于以前的控制程序[5]。当风机的运行点越来越接近防喘振控制线时，CCC控制器会逐渐地输出信号来控制放空阀。逐步地放空可使风机平稳地运行，当风机运行点到达防喘振控制线后，则CCC控制器会稳定地输出某信号使放空阀保持在某一开度上，而不是全开。自从使用了CCC控制器后，没有发生过喘振现象，风机运行正常可靠。

CCC 3系列防喘振控制器具有一般用途的控制器不具备的优点：1)由于先进的防喘振控制方法，压缩机可以在非常靠近喘振极限的地方运行，而不必打回流,使压缩机运行更经济。2)由于内置的回路解耦算法允许性能控制器与防喘振控制器之间更快地协调，并消除防喘控制动作有可能产生的间断效应，因此工艺过程控制更加精确。3)控制算法消除了因喘振或过载引起的不必要的停车,减少了压缩机的停车时间。4)由于消除了损害性的喘振，能够减少大修次数,降低了压缩机维修费用。5)由于采用保守策略（fall-back）控制方法，控制器能在变送器发生故障时，继续防止喘振,使压缩机运行更加可靠。6)由于RO和SO响应减少了操作者的介入,简化了操作。7)由于该控制器是专门针对压缩机的具体条件设计的，因而不必再做软件设计和软件组态，降低了开车费用,工程成本更低。8)防喘振和过载保护延长了压缩机的寿命,降低了压缩机的再投资成本。

3 结束语

综上所述,该铜业公司转炉送风机防喘振系统采用的CCC控制器，能更加精准确定风机的运行点，时刻监控风机的运行情况，确保风机不会因休风而产生喘振现象；同时在送风时，能迅速建立起送风压力，从而保证转炉的生产需求，保障风机运行的经济性。该系统的成功运用值得类似防喘振控制系统借鉴参考。

[1]崔平,周昌宗.金隆转炉风机防喘振控制系统[J].江西能源,2004 (2):18-22.

[2]王慧勇.机组防喘振控制设计与实现[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2010(9):324-325.

[3]刘峰,丁伟.重油催化裂化装置中压缩机的防喘振控制[J].甘肃科技纵横,2012(1):37-39.

[4]侯平.压缩机的喘振与3C防喘振控制器的基本控制[J].石油化工自动化,2001(4):28-31.

[5]张若良,宋修明.转炉送风机防喘振控制系统[J].有色金属(冶炼部分),2000(5):45-47,44.

Application of CCC Anti-Surge Controller in the Converter Blower

WANG Zheng-bin
(Jinlong Copper Co.,Ltd.,Tongling,Anhui 244022,China)

The paper starts from the selection of control method,calculation for surge variable,determination for various surge control lines as well as characteristics of CCC controller on the anti-surge control that the application for converter air feeder from certain CCC Anti-surge Controller Copper Industry Company in the anti-surge control system is analyzed.The practice has proved that this controller can sufficiently protect the blower and improve the operating economy of blower.

converting furnace fan;anti-surge control;CCC controller;surge lim it line;anti-surge control line

TP272

B

1004-4345(2014)02-0032-03

2013-10-29

王正斌(1971—),男,主要从事仪表自动化管理工作。