淺談渭化空壓機(jī)和增壓機(jī)的防喘振控制
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論文導(dǎo)讀：渭化集團(tuán)公司甲醇及二甲醚裝置中的空壓機(jī)組由蒸汽透平驅(qū)動。帶動空壓機(jī)和增壓機(jī)兩臺壓縮機(jī)。本文則著重介紹TS3000系統(tǒng)在壓縮機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用。如果系統(tǒng)檢測到工作點(diǎn)越過喘振線。這一設(shè)定點(diǎn)跟蹤的功能就是為了在惡劣工況下。
關(guān)鍵詞：空壓機(jī)，增壓機(jī)，防喘振控制，功能，工作點(diǎn)
渭化集團(tuán)公司甲醇及二甲醚裝置中的空壓機(jī)組由蒸汽透平驅(qū)動，帶動空壓機(jī)和增壓機(jī)兩臺壓縮機(jī)，這臺機(jī)組采用美國TRICONNEX公司的ITCC(Integrated TurbinCompressor Control)產(chǎn)品——TS3000控制系統(tǒng)，來對機(jī)組進(jìn)行全方位的監(jiān)視及控制，比如工藝參數(shù)的監(jiān)視、壓縮機(jī)軸承狀況的監(jiān)測、透平轉(zhuǎn)速的控制、壓縮機(jī)防喘振的控制及機(jī)組安全聯(lián)鎖控制等。本文則著重介紹TS3000系統(tǒng)在壓縮機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用。
1. TRICONNEX防喘振控制系統(tǒng)的主要功能
防喘振控制集成在具有特殊控制技術(shù)的TS3000控制系統(tǒng)TRICON控制器內(nèi)部，它能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制功能，從而保證防喘振閥能夠及時打開，并且控制器的掃描周期短（200ms以下），運(yùn)算速度很快，能夠高效處理復(fù)雜的運(yùn)算，理想地實現(xiàn)防喘振控制。它的主要控制功能如下：
1.1 控制線
控制線即防喘振線，是由不同工況下的控制點(diǎn)連接起來而形成的一條線�？刂泣c(diǎn)則是由喘振點(diǎn)加一定的安全裕度得到的，如下式：
控制點(diǎn)（%） = 當(dāng)前喘振點(diǎn) + 安全裕度
其中安全裕度由偏置和比例兩部分組成，在本機(jī)組中偏置設(shè)為10，比例設(shè)為0，那么：安全裕度 = 10% ，由此得出：
控制點(diǎn)（%） = 當(dāng)前喘振點(diǎn) + 10%
如圖1所示：每個喘振點(diǎn)的橫坐標(biāo)加量程的10%就形成控制點(diǎn)的橫坐標(biāo)，控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)與喘振點(diǎn)縱坐標(biāo)相同。
1.2 控制線移位（安全裕度重校）
如果系統(tǒng)檢測到工作點(diǎn)越過喘振線，表示喘振已經(jīng)發(fā)生，喘振控制線將被自動右移一個校準(zhǔn)量，即增加安全裕度。系統(tǒng)可設(shè)置每次增加的校準(zhǔn)量為一個固定值或一個比例值，本機(jī)組設(shè)每次增加的校準(zhǔn)量為一個固定值2%。本機(jī)組設(shè)重校發(fā)生的最多次數(shù)為10次，超過10次后，安全裕度將不再增加。
例如，系統(tǒng)檢測到第1次喘振，控制線會右移2%，安全裕度就會由原來的10%增加到12%；如果檢測到第5次喘振，控制線會發(fā)生第5次右移，總移動量為2%×5=10%，安全裕度會變?yōu)?0%。
如何檢測喘振呢？當(dāng)工作點(diǎn)越過喘振線1%時，系統(tǒng)認(rèn)為喘振發(fā)生，當(dāng)工作點(diǎn)回到喘振線右側(cè)1%處時，系統(tǒng)認(rèn)為脫離喘振。
當(dāng)查明喘振原因并消除使喘振發(fā)生的因素后，在操作畫面上可以將校準(zhǔn)次數(shù)和校準(zhǔn)增量復(fù)位為零，使安全裕度重新回到原始的喘振控制線位置。
1.3 PI控制
最基本的防喘振控制采用PI控制（比例積分控制），它將所測得的實際值與設(shè)定值進(jìn)行比較后，進(jìn)入比例積分控制過程。若實際值＞設(shè)定值（工作點(diǎn)位于設(shè)定點(diǎn)右側(cè)），調(diào)節(jié)器輸出為高（100%），防喘振閥保持關(guān)閉，當(dāng)實際值＝設(shè)定值時（工作點(diǎn)與設(shè)定點(diǎn)重合），閥門準(zhǔn)備打開，實際值＜設(shè)定值時（工作點(diǎn)位于設(shè)定點(diǎn)左側(cè)），閥門打開，偏差越大，閥門開度越大。
1.4 設(shè)定點(diǎn)跟蹤
在這個防喘振控制器中，設(shè)定點(diǎn)不是一個固定點(diǎn)，也不是防喘振控制點(diǎn)，而是根據(jù)不同的工況有所變化的。當(dāng)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在喘振控制線右方（安全區(qū)域）時，防喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)位于實際工作點(diǎn)的左側(cè)，并與實際工作點(diǎn)保持一定的跟蹤距離，本機(jī)組的設(shè)定點(diǎn)是以5％的距離跟蹤實際工作點(diǎn)。
工作點(diǎn)移動，設(shè)定點(diǎn)會跟著移動。設(shè)定點(diǎn)向右側(cè)安全區(qū)的跟蹤是及時的，但向左側(cè)移動時，會有一個移動速率限制，本機(jī)組設(shè)置為2％。也就是說，當(dāng)工作點(diǎn)左移時，設(shè)定點(diǎn)不會馬上左移，而是以2％的速率向左移動，最終與工作點(diǎn)保持5％的距離，而且設(shè)定點(diǎn)不會越過喘振控制線，即設(shè)定點(diǎn)最小值為喘振控制點(diǎn)。
當(dāng)工作點(diǎn)小幅但快速向喘振區(qū)方向移動，并越過跟蹤區(qū)間5％時，防喘振控制器將立即打開防喘振閥。這一設(shè)定點(diǎn)跟蹤的功能就是為了在惡劣工況下，比如遇到后續(xù)工段突然大量減負(fù)荷，壓縮機(jī)出口流量驟減時，起到提前控制的作用，使工作點(diǎn)不會進(jìn)入喘振區(qū)。
1.5 非對稱響應(yīng)（閥門快開慢關(guān)）
防喘振調(diào)節(jié)閥的過快關(guān)閉容易使壓縮機(jī)進(jìn)入喘振，為了消除這種不希望的操作工況，控制器中有一個閥門關(guān)閉速率限制器，本機(jī)組的速率設(shè)為5％，當(dāng)需要關(guān)閉閥門時，只能最快以5％/秒的速率來關(guān)小閥門，在開閥時則沒有這一限制，這樣就能使防喘振閥達(dá)到快開慢關(guān)的目的。論文發(fā)表，工作點(diǎn)。
1.6 純比例控制
系統(tǒng)有一個純比例控制，獨(dú)立于正常PI作用，可強(qiáng)制打開防喘振閥。如果由于工藝過程出現(xiàn)紊亂，工作點(diǎn)移到控制線左方，而正常的PI整定無法提供足夠快的響應(yīng)時，純比例控制將起作用。該控制是在工作點(diǎn)進(jìn)入控制線左方一段距離時（本機(jī)組為進(jìn)入安全裕度的70%處，圖中陰影部分）開始起作用，打開閥門；當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)喘振線時，使防喘振閥全開。開閥的信號正比于工作裕度的瞬間值與其初始值之差。論文發(fā)表，工作點(diǎn)。該比例項通過信號選擇器來起作用，也就是說，最終到防喘振閥的輸出信號為純比例控制輸出和防喘振控制輸出中的最高值。
1.7 手動控制
有兩種可選的手動控制：第1種為全手動控制，它允許忽略喘振控制器的作用而關(guān)閉防喘振閥。這種方法在起步和測試階段很有用，但不能作為正常操作。如果系統(tǒng)被置于全手動操作，喘振控制器將無法開閥來避免喘振，只能通過改變手動操作值來操作。第2種為限權(quán)手動控制（部分手動），至閥門的最終輸出是由手動操作值與防喘振控制器的輸出值進(jìn)行高選后得出，即哪個使閥開得大就取哪個信號。
在手動控制時，若要開閥，會直接將最終輸出值置為手動操作值，但若要關(guān)閥，輸出值會以一定的斜率（5%/s）變化至手動操作值，即在手動狀態(tài)下也要實現(xiàn)閥門的快開慢關(guān)。在全手動時，防喘振控制的輸出會跟蹤最終輸出值（因為最終輸出值不一定等于防喘振控制輸出值），以便實現(xiàn)手/自動無擾動切換。當(dāng)由手動切至自動時，最終輸出值會以5%/s的速率變化至防喘振控制輸出值。
1.8 溫度、壓力補(bǔ)償
Tricon控制系統(tǒng)不僅對壓縮機(jī)出、入口流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，還對壓縮機(jī)本身的運(yùn)行參數(shù)相對于設(shè)計參數(shù)進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,這一功能在下面章節(jié)中的工作點(diǎn)計算式中有體現(xiàn)。
2 空壓機(jī)的防喘振控制
空壓機(jī)為陜西鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的RIK100大型內(nèi)冷式離心壓縮機(jī)。論文發(fā)表，工作點(diǎn)。喘振檢測元件為壓縮機(jī)喉部差壓變送器，機(jī)組喘振特性是在現(xiàn)場進(jìn)行逼喘實驗得到的，是喉部差壓與出、入口壓力的一組數(shù)據(jù)。
按照Triconex的防喘振算法，首先根據(jù)實測得到的喘振點(diǎn)數(shù)據(jù)，換算成控制系統(tǒng)的喘振點(diǎn)，繪制喘振線。然后在繪制出喘振線的基礎(chǔ)上，選擇合適的工作點(diǎn)計算方法，根據(jù)壓比測量值，計算出工作點(diǎn)、喘振點(diǎn)和安全區(qū)（喘振控制線），再由內(nèi)置的防喘振控制器進(jìn)行喘振檢測、設(shè)定點(diǎn)跟蹤、實現(xiàn)喘振控制線校準(zhǔn)、純比例控制、喘振閥快開慢關(guān)控制、手/自動切換等功能，最終由高選器對壓縮機(jī)防喘振控制輸出與來自空分裝置DCS的遠(yuǎn)程手動控制信號進(jìn)行高選，再由高選結(jié)果控制防喘振放空閥。
空壓機(jī)工作點(diǎn)的計算：
橫坐標(biāo)為壓縮機(jī)的流量指標(biāo)，其計算公式為：
H
pct 入口喉部差壓
Ps 壓縮機(jī)入口壓力
P
將表壓轉(zhuǎn)換為絕壓的修正值
Psb 壓縮機(jī)基準(zhǔn)壓力(壓縮機(jī)計算數(shù)據(jù)表)
縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)的壓縮比，即出口壓力與入口壓力之比，其表達(dá)式為：
Pd 壓縮機(jī)出口壓力
Ps 壓縮機(jī)入口壓力
由此可見，空壓機(jī)的工作點(diǎn)與壓縮機(jī)出口壓力、入口壓力和入口喉差有關(guān)系。論文發(fā)表，工作點(diǎn)。
3 增壓機(jī)的防喘振控制
增壓機(jī)為陜西鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的RZ45型3段式離心壓縮機(jī)。第1、2段設(shè)有1級防喘振控制，第3段也設(shè)有1級防喘振控制。第1、2段防喘振流量檢測元件為增壓機(jī)進(jìn)氣流量變送器，第3段防喘振流量檢測元件為增壓機(jī)3段排氣流量變送器（在出口換熱器之后）。根據(jù)機(jī)組廠家提供的機(jī)組特性曲線，換算出控制系統(tǒng)的喘振點(diǎn)，繪制喘振線。
增壓機(jī)1、2段工作點(diǎn)的計算
橫坐標(biāo)： 
縱坐標(biāo)： 
Hpct 流經(jīng)孔板處的差壓
Psb 壓縮機(jī)基準(zhǔn)絕壓(壓縮機(jī)計算數(shù)據(jù)表)
Ps 壓縮機(jī)入口壓力
P 將表壓轉(zhuǎn)換為絕壓的修正值
Pd 壓縮機(jī)出口壓力
由此看出，增壓機(jī)1、2段的工作點(diǎn)與壓縮機(jī)出口壓力、入口壓力和入口流量都有關(guān)。論文發(fā)表，工作點(diǎn)。
增壓機(jī)3段工作點(diǎn)的計算
橫坐標(biāo)： 
縱坐標(biāo)： 
Hpct 流經(jīng)孔板處的差壓
Psb 壓縮機(jī)基準(zhǔn)絕壓(壓縮機(jī)計算數(shù)據(jù)表)
Ps 壓縮機(jī)入口壓力
Ps-abs-cor 將表壓轉(zhuǎn)換為絕壓的修正值
Pf-abs-cor 將孔板處表壓轉(zhuǎn)換為絕壓的修正值
Pfo 流經(jīng)孔板處的壓力
Pfob 孔板基準(zhǔn)絕壓(孔板計算數(shù)據(jù)表)
Pd 壓縮機(jī)出口壓力
Tfo 流經(jīng)孔板處測得的溫度
Tfob 孔板基準(zhǔn)溫度(孔板計算數(shù)據(jù)表)
Ts 壓縮機(jī)入口溫度
Tsb 壓縮機(jī)基準(zhǔn)溫度(壓縮機(jī)計算數(shù)據(jù)表)
T-abs-cor 轉(zhuǎn)換為絕對溫度的修正值
由上述公式可看出，增壓機(jī)3段的工作點(diǎn)除了與壓縮機(jī)3段的出口壓力、入口壓力和出口流量有關(guān)外，還與3段出口溫度、孔板處的溫度和壓力有關(guān)，其目的是對工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)進(jìn)行壓縮機(jī)入口壓力、溫度和流量測量的壓力、溫度的補(bǔ)償。
由此看來，在正常運(yùn)行期間如果要處理這些測點(diǎn)的故障，一定要采取相應(yīng)的保險措施，比如將控制器置“全手動”，來防止防喘振閥誤打開，避免降負(fù)荷或停車。
4 實例分析
我們可以分析下面的幾個實例，以便更好地理解上面介紹的內(nèi)容：
例1：
3段入口溫度TI-7621突然升高至150℃，幾分鐘后又下降，在下降過程中，3段防喘振閥突然打開。此現(xiàn)象是由熱電阻故障引起的，在更換熱電阻后重新接線時，防喘振閥不時地打開。
分析：當(dāng)入口溫度升高時，工作點(diǎn)右移，溫度下降時，工作點(diǎn)左移，由于溫度下降速度過快，工作點(diǎn)左移的速度也快，這時設(shè)定點(diǎn)不會快速左移，而是以2%/s的速度左移，致使工作點(diǎn)跑到設(shè)定點(diǎn)的左側(cè)，使防喘振閥打開。
例2：
增壓機(jī)一段入口壓力PT-7611取壓根部閥突然斷裂，壓力指示為0，工作點(diǎn)移至坐標(biāo)的右上側(cè)。從另一取壓口接導(dǎo)壓管至PT-7611變送器，在投表過程中，防喘振閥突然打開。
分析：當(dāng)入口壓力為0后，由計算公式得出工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)變大，縱坐標(biāo)也變大，工作點(diǎn)就移到了坐標(biāo)的右上部。當(dāng)此壓力突然投入，即由0突然增大至運(yùn)行壓力，工作點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)會快速減小，工作點(diǎn)迅速左移，這時由于設(shè)定點(diǎn)不能及時跟蹤，從而使工作點(diǎn)到了設(shè)定點(diǎn)的左側(cè)，防喘振閥就會打開。
例3：
增壓機(jī)一段入口流量突然為0，防喘振閥全開。此現(xiàn)象是由于流量檢測元件威力巴突然斷裂造成。
分析：流量突然為0，則工作點(diǎn)很快越過控制線及喘振線進(jìn)入喘振區(qū)域，所以防喘振閥快速全開。論文發(fā)表，工作點(diǎn)。
5 總結(jié)
本文介紹了作者在渭化機(jī)組防喘振控制應(yīng)用中的一些理解和體會，用于同行們借鑒，更希望能拋磚引玉，得到同行們的指正。 TS3000系統(tǒng)的防喘振功能還有很多，在不同的應(yīng)用場合選用不同的功能，可以達(dá)到最優(yōu)化的控制目的，這就需要在很多方面更深入地學(xué)習(xí)，在實踐中不斷加以摸索和總結(jié)。
