CCC 压缩机防喘振控制技术研探

CCC 压缩机防喘振控制技术研探

摘要：喘振现象，喘振控制线确定，控制算法的使用及各种控制线的功能。

关键词：喘振防喘振CCC

1. 喘振现象

喘振是涡轮压缩机特有的现象，我们可以从下图的简单模型来解释这一特性，从图中可以看出当容器中压力达到一定值时，压缩机运行点由D沿性能曲线上升，到喘振点A，流量减小压力升高，这一过程中流量减小压力升高，由A点开始到B点压缩机出现负流量即出现倒流，倒流到一定程度压缩机出口压力下降（B-C）,又恢复到正向流动（C-D），这样，气流在压缩机中来回流动就是喘振，伴随喘振而来的是压缩机振动剧烈上升、类似哮喘病人的巨大异常响声等，如果不能有效控制会给压缩机造成严重的损伤。喘振工况的发展非常快速一般来讲在1-2 秒内就以发生，因而需要精确的控制算法和快速的控制算法才能实现有效的控制。

2. 喘振控制

2.1 喘振线的确定

通常压缩机都会有一系列的性能曲线图（如下图所示），其坐标是多变压头-入口流量，由于压缩机入口条件的不同（如温度、压力、分子量等）其喘振曲线是分散的多条曲线，给喘振的控制带来困难，CCC 根据压缩机的设计理论喘振理论和自己的经验开发出了一套计算方法和软件，可以将多变的入口条件的喘振曲线转化成与入口条件无关的曲线（如下图）。这样就可以方便地确定喘振点。而一般来讲压缩机制造厂商提供的性能曲线是计算值，会有一定偏差，特别是旧机组的性能会发生变化或者没有性能曲线。为了精确控制需要对喘振曲线做现场测试，传统的测试方法需要由经验丰富的测试工程师来进行测试，人为地判断压缩机是否到达喘振点，这样做带来了巨大的风险，因为人的判断无法保证100%的准确。而且由于到喘振点时需要人来手动控制打开防喘振阀往往会动作滞后或过早打开难以避免给机组造成损伤或无法实现准确测量CCC 的喘振算法和控制算法能够在自动状态下测量喘振曲线，从而避免了人为测量的风险并能准确测量记录线。这一功能是CCC 的专利技术而且是世界独一无二的。

2.2 喘振控制算法

在传统的防喘振控制算法中，只是简单地用折线仿真线用运行点的流量与喘振点的流量比较，当达到喘振点时打开回流阀（放空阀），这样做会造成大量的回流放空能量和造成工艺的扰动甚至中断。CCC 的控制算法可以由下图简单说明：

喘振线上的点

因而，图中Ss>1 的区域为喘振区域，Ss<1 的区域为安全区域。通过对Ss 值的计算就可以建立喘振的数学模型，从而实现控制。

2.3 功能描述

2.3.1 各种控制线

(1) Surge Limit Line, SLL

压缩机在不同的工况下有不同的性能曲线，每一条性能曲线都有一个喘振极限点，所有这些点构成了一条喘振极限线SLL。

(2) Surge Control Line, SCL

为防止喘振发生，CCC防喘振控制算法在喘振极限线SLL右边设置了一个可变的安全裕量b ，这样就可以在操作点到达喘振极限线之前开始动作，增加压缩机的流量。

(3) Recycle Trip Line, RTL

RTL规定一个操作极限，如果操作点超过这个极限，循环跳闸响应将快速打开防喘振控制阀。RTL位于SCL与SLL之间。

(4) Safety On Line, SOL

SOL 定义一个操作极限，如果操作点超过这个极限，则表明压缩机已经正在发生喘振，安全保险响应将增加喘振控制线的裕度(总b值) ，迅速制止喘振。SOL线在喘振极限线的左边，二者之间的距离为SO。

(5) Tight Shut-off Line, TSL

TSL 定义最小的SCL的偏差，位于SCL线的右边二者之间的距离为

d1。

2.3.2 CCC 防喘振控制算法的控制功能

(1) PID 控制响应

对于缓慢的小的扰动，使操作点进入喘振控制线SCL 左边的喘振控制区，CCC 防喘振控制算法的PI控制算法，根据操作点与SCL 之间的距离产生相应的比例积分响应，防止压缩机操作点回到SCL左侧的非安全控制区。

CCC防喘振控制算法的微分作用不是直接控制输出，而是用于加大CCC防喘振控制算法的安全裕量。这样操作点在向喘振方向移动，但

并没有实质的喘振危险时，不会将防喘振阀打开，只有在操作点处于或者接近防喘振控制线SCL时，才通过加大安全裕度使控制响应加大增加流量，这样一来对于一般的扰动既可以保持工艺过程稳定又能防止喘振的发生

(2) RTL 响应

如果对于一个较大较快的扰动，当比例积分响应和特殊微分响应不能使压缩机操作点保持在SCL 线的右边，而是操作点瞬间越过了SCL 左边的RTL，则RTL响应就会以快速重复的阶跃响应迅速打开防喘振阀，这样就恰好可以增加足够的流量来防止喘振。

(3) 根据SOL 线的安全保险响应

如果因意外情况（如组态错误、过程变化、特别严重的波动）使压缩机的操作点越过SLL线和SOL线而发生喘振，则安全保险响应就会重新规定喘振控制裕度，使喘振控制线右移，增加SCL与SLL之间的距离，在一个喘振周期内将喘振止住。

(4) TSL 响应

如果操作点在TSL线的右边，那么防喘振控制算法的TSL 响应将输出0 或者100%的信号，关闭防喘振控制阀。

CCC 防喘振控制算法根据喘振发生的特点，通过设定不同的控制线，当操作点越过不同的控制线产生不同的控制响应，把这些响应组合在一起产生一个独特的控制响应，这种控制响应既能防止喘振，又不会使工艺过程产生不必要的波动，也不需要浪费能量。

(5) Safe-on 响应

如果机组实际发生了喘振，则喘振控制算法自动加大一个安全裕量b4 ，以防止喘振的再次发生，这一动作最多可以加大5 次b4,并且可以手动或自动复位。

(6) Fall-back 功能

CCC 防喘振控制算法中有各种备用控制策略，当计算喘振接近度SS 公式中所用的输入信号出现故障时，提供一个经验缺省值以保持喘振控制的运行。

(7) 手动控制

手动控制可以让操作员手动控制防喘振阀的开度。手动操作有两种方式，一种是完全的手动，在这种方式下喘振控制算法即使探测到喘振工况也不能控制防喘振阀；另一种方式是在手动操作中，如果喘振控制算法探测到喘振工况就可以控制防喘振阀来保护机组。

(8) 解耦控制

对于有性能控制的机组，通常会通过调节压缩机的速度或入口调节阀的开度来满足工艺要求。当压缩机进入喘振调节时，有时性能控制会同时要求减小流量（如性能控制变量为入口压力时），两个控制回路是互相反作用的，从而造成系统的不稳定，使机组更加接近喘振。针对这种情况，CCC的性能控制算法和喘振控制算法会将各自的输出加权到对方的控制响应中去，从而实现解藕控制来使两个控制回路协调动作，迅速稳定系统。

(9) 自动加载和停机功能

配合调速控制和性能控制，CCC的控制算法能够在机组达到最小控制