利用动态分程调节实现离心压缩机组的解耦控制

2015-01-13刘子云潘静萍

化工自动化及仪表 2015年6期

刘子云潘静萍

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

在工业生产过程中，系统间的变量或多或少地存在耦合现象[1～4]，这对系统的稳定性有一定影响。解除这种耦合关系的过程即为解耦控制。目前绝大部分离心压缩机组的性能控制与防喘振控制是相互独立设置的，其性能控制与防喘振控制之间存在着耦合关系，只有采用解耦控制才能实现离心压缩机组的高质量控制。笔者将详细介绍利用动态分程调节实现离心压缩机组解耦控制的原理和动作过程。

离心压缩机性能控制的任务是满足生产工艺对气体介质流量或压力的要求，可采用压缩机出口节流调节法、压缩机入口节流调节法、压缩机进口导叶调节法和改变压缩机转速调节法[1]来实现。

转速是离心压缩机的重要性能参数，改变转速是改变压缩机性能的有效措施，由于压缩机的转速调节不需要在其出口或入口安装调节阀，无节流损耗，压缩机的转速调节运行效率比其他性能调节的运行效率要高。

离心压缩机的特性曲线如图1所示，即离心压缩机的出入口压力比(pd/ps)与进口体积流量Q之间的关系曲线，其中ni(i=1，2，3)是离心压缩机的转速，Qp是临界流量。转速调节的实质是利用压缩机转速的改变移动压缩机的特性曲线，从而改变工况点的位置，最终实现气体介质参数的调节。对于汽轮机驱动的压缩机来说，非常容易实现变转速调节，是一种理想的压缩机性能调节方法。

图1 离心压缩机特性曲线

压缩机的性能控制原理如图2所示，压缩机组按预定的升速曲线进入机组运行区域，此时压缩机转速调节器(SIC)的设定值被限定在其运行所要求的最大转速(Max)与最小转速(Min)之间；工艺操作人员可改变转速调节器的输出值，使汽轮机的主蒸汽调节门(GV)开度发生变化，继而压缩机转速变化，压缩机入口压力调节器(PIC)与转速调节器构成串级回路，转速调节器的设定值来自压缩机入口压力调节器的输出。在转速调节器处于串级状态，压缩机入口压力调节器处于手动状态时，操作人员可手动改变压缩机入口压力调节器的输出，使转速调节器的设定值发生变化，进而转速调节器的输出发生变化，改变汽轮机主蒸汽门的开度，使压缩机的转速随之改变。当压缩机入口压力调节器处于自动状态，如果压缩机的入口压力增高，则压缩机入口压力调节器的输出增大导致转速调节器的设定值增加，进而使转速调节器的输出增加，导致汽轮机主蒸汽调节门的开度增大，压缩机的转速随之增加，压缩机的转速增加可导致压缩机的入口压力下降，从而达到压缩机性能调节的目的。当压缩机的入口压力减小，通过上述压缩机入口压力调节器与转速调节器的串级调节回路可使压缩机的转速下降，导致其入口压力升高，同样也达到了压缩机性能调节的目的。当转速调节器不在串级状态时，程序使压缩机入口压力调节器的输出跟踪转速调节器的设定值，避免转速调节器切换到串级时性能控制系统产生波动。

图2 压缩机性能控制原理示意图

2 离心压缩机组的防喘振控制

喘振是离心压缩机的一种特殊现象：在一定转速下，当压缩机的入口流量小于最小流量(图1中的Qp)时，压缩机排气管的压力比压缩机组内部的压力高，导致气体瞬时倒流，继而使压缩机排出侧的气体压力降低，机组内部压力升高，使气体流量恢复，直到压缩机出口压力再次升高；之后重复上述过程，周而复始。压缩机的喘振对与压缩机相连接的管网和压缩机本身都有很强的破坏作用[5～9]，在压缩机运行时必须要避免喘振的发生。

如图1所示，喘振线的左侧为喘振区(不稳定区)；喘振线的右侧为稳定工作区，喘振线上的压力比最大，即当压缩机的工作点在喘振线上时，压缩机的工作效率最高。

防喘振控制就是保证压缩机的吸入量大于临界吸入量Qp，使压缩机在任何时候都工作在稳定区。为此，在生产负荷降低时，必须将部分出口气体经旁路返回到压缩机入口，或将部分出口气体放空。压缩机的防喘振控制方法有固定极限流量法和可变极限流量法两种[10～13]。

固定极限流量(也称最小流量控制法)防喘振控制系统是使压缩机流量始终大于某一定值，保证压缩机工作在稳定区。优点是控制系统简单，可靠性高，投资少；缺点是当压缩机处于低负荷运行时，回流量裕度大，能耗高，使压缩机的效率降低。

可变极限流量法适用于压缩机可通过调速改变性能的场合。在不同的转速工况下，极限喘振流量是个变量，它随压缩机的转速下降而变小，所以最合理的控制方法是留有适当的安全裕度，使防喘振调节器沿着留有一定安全裕度的压缩机喘振线右侧的防喘振控制线工作，保证压缩机始终工作在稳定工作区内(图1)。随着计算机技术的发展，现多采用防喘振控制线的数学表达式实现压缩机的防喘振控制[14]。

图2中，防喘振控制器(ASC)是与防喘振控制线相关联的数学函数，也即利用压缩机控制系统所编制的与压缩机防喘振控制线相关联的防喘振控制系统软件包。防喘振控制器的控制功能包括PID控制功能、比例控制功能和喘振监测与退喘功能。

2.1 PID控制功能

如图3所示，基于实际喘振线(ASL)设置一条防喘振控制线(SCL)，防喘振控制线相对于实际喘振线留有一定的安全裕度，防喘振控制线与压缩机性能曲线的交点即为防喘振控制点。防喘振控制器的设定点(SP)被限制在防喘振控制线与设定点徘徊线(SHL)之间，当压缩机的工作点(OP)移动到防喘振控制线的左侧时，防喘振控制器的设定点被嵌位在防喘振控制线上，即此时的防喘振控制器的设定点与防喘振控制线的横坐标相等；如果压缩机工作点向左移动低于防喘振控制器的设定点(即设定值SV<0)，防喘振控制器将产生输出，打开防喘振控制阀(ASV)以防止压缩机产生喘振。当压缩机的工作点在防喘振控制线与设定点徘徊线之间时，防喘振控制器的设定点以预先设定的一个防喘振控制器的设定值来跟踪压缩机工作点，当压缩机的工作点向左移动时，防喘振控制器的设定点也以预先设定的速率随之向左移动，当压缩机的工作点向左移动的速率大于控制器设定点的下降速率且使防喘振控制器的设定值小于0时，尽管压缩机的工作点还没有到达防喘振控制线，但此时防喘振控制器也产生输出，打开防喘振控制阀，使压缩机的工作点向右移动，避免压缩机产生喘振；当压缩机工作点移动到防喘振控制器设定点的右侧时，防喘振控制器的输出减小，使防喘振控制器的设定值维持在预先的设定值。当压缩机的工作点在防喘振控制器设定点徘徊线的右侧且防喘振控制器的设定点大于预先的设定值时，防喘振控制器的设定点被嵌位在防喘振控制器设定点徘徊线上，即防喘振控制器的设定点与防喘振控制器设定点徘徊线的横坐标相等，此时防喘振控制器的设定值会始终大于零，防喘振控制器的输出为零，关闭防喘振控制阀。

图3 压缩机防喘振控制原理

2.2 比例控制功能

在实际喘振线与防喘振控制器的设定点徘徊线间设置一条比例快开线(POL)，实际喘振线与比例快开线之间称为比例控制区。当压缩机的工作点到达比例快开线上时，比例控制器的输出为0%；当压缩机的工作点到达实际喘振线上时，比例控制器的输出为100%；当压缩机的工作点在比例控制区中的某一点时，比例控制器的输出正比于压缩机的工作点跨过比例快开线的距离，即比例控制器的输出取决于压缩机的工作点在比例控制区的相对位置。

防喘振控制阀接收的信号为PID控制器输出、比例控制器的输出和解耦控制器输出的高选。为防止压缩机波动，当比例控制器的输出高于PID调节器的输出时，PID调节器的输出跟踪比例控制器的输出。

2.3 喘振监测与退喘功能

当以上功能未能阻止压缩机的工作点向喘振区移动而出现压缩机喘振时，将防喘振控制线和设定点徘徊线以预先设定的幅度向右侧移动，增加压缩机的安全裕度，当压缩机的工作点向左移动时尽早使防喘振控制器的PID控制功能或比例控制功能发挥作用，避免压缩机再次产生喘振。

3 性能控制与防喘振控制的耦合关系

当离心压缩机组的性能控制系统与防喘振控制系统独立设置时，它们之间就存在耦合关系。如上所述，离心压缩机组的性能控制是当压缩机的入口压力升高时，提高离心压缩机组的转速；当离心压缩机组的入口压力降低时，则降低压缩机组的转速。压缩机组的转速变化，意味着压缩机组的入口压力和通过压缩机的气体流量发生变化，也就使压缩机的工作点在防喘振控制原理图上的位置发生变化，压缩机工作点的改变，通过防喘振控制器使防喘振控制阀的开度发生变化，防喘振调节阀的开度变化反过来又会导致压缩机组的入口压力发生变化，压缩机的入口压力的改变通过压缩机组的性能调节系统(压缩机入口压力调节器与转速调节器组成的串级调节回路)又使压缩机的转速发生变化。可见，离心压缩机组的性能控制系统与防喘振控制系统之间相互影响，存在着很强的耦合关系。这会使压缩机组的性能控制系统和防喘振控制系统都不能正常发挥作用，为此必须对压缩机组进行解耦控制才能使压缩机组正常、稳定地运行。

4 解耦控制

离心压缩机耦合现象的产生就是因为在调整压缩机的转速以保证压缩机性能的同时又改变防喘振阀的开度防止压缩机喘振造成的。归根到底，压缩机组耦合是因为压缩机组性能控制系统与防喘振控制系统独立设置造成的，解除压缩机组的耦合就是要将压缩机的性能控制系统与防喘振控制系统整合为一个解耦控制系统，其目的是防止防喘振调节器的实际值(PV)低于防喘振控制器的设定值，避免由防喘振调节器控制防喘振调节阀，而改由解耦控制系统控制防喘振调节阀，这样就避免了压缩机的转速调节与防喘振控制同时进行，达到解耦控制的目的。

如图4所示，解耦控制器(P/SDC)是利用压缩机控制系统所编制的既可以实现压缩机的性能控制又可进行防喘振控制，并且使其性能控制与防喘振控制不能同时进行的控制软件包，其实质是利用动态分程调节系统实现离心压缩机组的解耦控制。动态分程调节系统的主控变量为压缩机入口压力，利用压缩机压缩机入口压力调节器的输出调整压缩机转速或压缩机的防喘振调节阀开度，使压缩机入口压力满足要求，在此前提下避免压缩机产生喘振。将压力调节器控制压缩机转速切换到控制防喘振调节阀开度之间的切换点称为动态分程点(DBP)。压缩机正常运行时，动态分程控制系统的动态分程点为压缩机的工作点减去分程点的徘徊裕度(一般为压力调节器输出的1.5%左右)。动态分程点的移动速率取决于压缩机的工作点在防喘振控制原理图上的位置，如图5所示。

图4 解耦控制系统示意图

图5 动态分程点位置移动速率设置

如果压缩机工作点在分程点最大区域线(DMABL)右侧且在分程点快速线(DFBL)左侧时，设定动态分程点下降的移动速率较慢。这是由于这一区域与喘振控制线较近，在不发生喘振的前提下压缩机的转速下调余量较小，当压缩机工作点以较快速率向左移动且低于动态分程点时，解耦控制系统停止继续降低压缩机转速，而是通过开大防喘振调节阀来维持压缩机入口压力的稳定；如果压缩机工作点在动态分程点快速线右侧，设定动态分程点的下降速率较快，这是因为在这一工作区域，压缩机可以降低较多转速而不使压缩机喘振；当压缩机工作点在最小区域线(DMIBL)的左侧时，设定解耦控制系统的动态分程点以较慢速率上升，这是因为这一工作区域与喘振控制线非常接近，为使压缩机不发生喘振，解耦控制系统增加压缩机转速，增加压缩机的转速可以提高压缩机的气体流量，由于压缩机的转速增加，使压缩入口压力下降，则解耦控制系统的压力调节器(压缩机入口压力调节器)输出下降，开大防喘振调节阀可使压缩入口压力提高，如此可使压缩机的工作点向右远离防喘振控制线；如果压缩机工作点在最大区域线与最小区域线之间，则设定压缩机动态分程点的位置不动，等待压缩机的工作点进入到其他工作区域。

将动态分程调节系统的分程点限定在压力调节器输出的50%～100%之间，当解耦控制系统压力调节器的输出在动态分程点时，解耦控制系统使防喘振阀全关(0%)；当压力调节器的输出在动态分程点减去50%时，解耦控制系统使防喘振阀全开(100%)。

解耦控制系统的动作过程：当压缩机的入口压力降低时，压力调节器的输出降低，使压缩机转速下降以升高压缩机的入口压力，当压缩机的转速下降到即将引起压缩机喘振时，在利用防喘振控制器控制防喘振调节阀之前，解耦控制器就停止继续降低压缩机转速，而是开启防喘振调节阀来维持压缩机入口压力稳定，避免在调整压缩机转速的同时又调整防喘振调节阀，这样就达到了使压缩机既能满足性能要求又使压缩机不发生喘振的目的。

压缩机解耦控制只有当压缩机处于运行方式时才起作用，压缩机的运行方式可分为3个阶段：压缩机加载、加载结束和正常运行。

压缩机加载阶段的解耦控制原理如图6所示，初始阶段，压缩机的防喘振阀全开(100%)，转速最低，此时压缩机入口压力调节器处于手动状态。设定压力调节器输出的50%为动态分程调节系统的动态分程点，压缩机入口压力调节器输出的0%～50%对应防喘振阀的开度100%～0%。当压力调节器投自动时，缓慢降低压缩机入口压力调节器的设定值，则压缩机入口压力调节器的输出增大(压缩机入口压力调节器为正作用)；当压力调节器投手动时，缓慢增加压缩机入口压力调节器的输出，压缩机入口压力调节器的输出缓慢增大，防喘振阀的开度缓慢减小，当压缩机入口压力调节器的输出达到50%时，防喘振阀全关(0%)，压缩机加载过程结束。

图6 加载阶段压缩机解耦控制原理

压缩机加载结束阶段的解耦控制原理如图7所示，加载结束是压缩机正常运行的初始，压力调节器的输出为50%，防喘振阀全关(0%)，转速最小。此时如果降低压缩机负载，由于压缩机已在最小转速，则压缩机入口压力调节器的输出降低，开大防喘振阀，压缩机进入加载阶段。如果增加负载，压力调节器的输出增大，压缩机转速加大，动态分程点随压缩机工作点的移动而移动，压缩机进入正常运行阶段。

图7 加载结束阶段压缩机解耦控制原理

压缩机正常运行阶段的解耦控制原理如图8所示，压缩机加载结束后就进入正常运行阶段，此阶段压缩机入口压力是由压缩机的转速或防喘振阀的开度来控制的。解耦控制系统的动态分程点随压力调节器的输出变化而移动，其移动速率是由压缩机的工作点在防喘振控制原理图中的位置决定的(图5)。如果压力调节器输出的下降速率比动态分程点向左侧移动的速率快，当压力调节器的输出与动态分程点相等时，解耦控制系统停止降低压缩机转速，当压力调节器的输出继续下降时，在防喘振控制系统起作用之前解耦控制系统就开大防喘振调节阀，如图9所示。如果此时压缩机的工作点在最大区域线右侧，则解耦控制系统的动态分程点会继续以预先设定的速率向左移动，图9中的压缩机喘振阀控制线随着动态分程点向左移动而移动，此时解耦控制系统会降低压缩机的转速，压缩机转速下降使得解耦控制系统减小防喘振调节阀的开度，如图10所示。如此控制就会使压缩机组在新的工作点达到平衡，即当解耦控制系统的动态分程点以预先设定的徘徊裕度继续跟踪压力调节器的输出时，压缩机组的运行趋于稳定。当压缩机组的工作点在其他工作区域时，解耦控制系统的动态分程点按照预先设定的速率移动，解耦控制系统在压缩机组防喘振控制系统起作用之前调整控制压缩机的转速或控制防喘振调节阀的开度，保证压缩机组稳定运行。

图8 正常运行阶段压缩机解耦控制原理

图9 正常运行阶段压缩机解耦停止降转速开喘振阀控制原理

图10 压缩机解耦控制系统降转速减小开喘振阀控制原理

5 结束语

在正常情况下，解耦控制系统通过调节压缩机的转速使压缩机的入口压力维持稳定；在异常情况下，当解耦控制系统在调节压缩机的转速即将使压缩机发生喘振时，则解耦控制系统在压缩机组防喘振控制系统起作用之前调节防喘振阀的开度来维持压缩机组入口压力的稳定。这样就使压缩机组的解耦控制系统可以避免压缩机组的转速控制系统与压缩机组的防喘振控制系统同时起作用，也就达到了在不发生喘振的前提下，压缩机组稳定运行的目的。现场的实际运行情况表明：离心压缩机组的解耦控制系统可以使压缩机组达到既降低能耗，又能使压缩机组平稳运行的目的。

[1] 肖朝晖,何谦,马志勇,等.浅谈离心式压缩机综合控制系统[J].泸天化科技,2005,(4):317～330.

[2] 王立新.加氢工艺中新氢压缩机的压力控制方案[J].石油化工自动化,2013,49(4):13～16.

[3] 郭洲,荆潇.压缩机系统回路中平衡压力的计算研究[J].石油化工自动化,2014,50(4):28～30.

[4] 翁乙友，常记佳，瞿强.注气压缩机气缸注油系统改造[J].石油化工自动化,2014,50(2):68～70.

[5] 祝旭彤,张瑾.空气压缩机新型防喘振控制系统原理及应用[J].化工自动化及仪表,2005,32(5):71～73.

[6] 陈广,郭建岭,方留安.四合一机组防喘振控制探讨[J].石油化工自动化,2012,48(6):43～46.

[7] 王勃.硫磺回收装置中离心鼓风机的防喘振控制[J].石油化工自动化,2012,48(5):21～24.

[8] 任攀,裴爽,梁蕊,等.再生气压缩机控制系统应用与改进[J].石油化工自动化,2012,48(2):83～85.

[9] 李红春，夏毅.压缩机综合控制系统在催化裂化装置中的应用[J].石油化工自动化,2012,48(4):41～44,65.

[10] 赵玉峰,关学忠,姚建红,等.离心式压缩机操作曲线及防喘振控制系统[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2006,24(1):31～33.

[11] 彭琳.压缩机组控制系统安全设计的探讨与实践[J].石油化工自动化,2013,49(4):11～12.

[12] 王鲁杰.透平-压缩机综合控制系统设计研究[D].大连:大连理工大学,2007.