4111K1防喘振系统改造浅谈(2)(DOC)

CCC防喘振控制系统
在4111K1空气压缩机使用探讨
宁夏石化公司电仪部马兵陈微
摘要：本文以宁夏石化公司4111K1空气压缩机改造为基础，介绍轴流压缩机防喘振控制原理，并结合应用实例，着重分析了一些技术要点、难点及解决方案。

关键词：轴流压缩机，防喘振控制
前言
压缩机喘振是压缩机在流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动。

顾名思义，喘振即为在压缩机出口或工艺气路流道不畅发生阻塞时由于压缩机腔内气体产生涡流而共鸣出的一种振动，就如同人的咳嗽，但是压缩机出现咳嗽时较人产生的后果要更为严重，对机体本身及生产工况危害也较大，严重时可损坏轴瓦，密封或其他机体本身零部件等，因此自控中对喘振的预防及发生喘振时的处理就显得尤为重要了。

中石油宁夏石化公司化肥一厂空气压缩机组(4111-K1)由德国德马克公司制造,压缩机的型号为AR150-8V-2，8级轴流，2级离心，由一台日本三菱重工公司生产的型号为7EH-9的带中间抽汽的凝汽式工业汽轮机驱动。

此台机组自上个世纪八十年代安装使用后，其控制系统一直未进行过改进，一直沿用原机组配套的机械/液压式调速/抽汽控制系统。

该机组的防喘振控制系统在DCS改造时已进入DCS操作。

压缩机组在多年的使用中多次出现轴流部分叶片发生断裂的情况，造成装置停产。

转子也曾多次送返原制造厂进行修理，但问题仍然重复出现，对安全生产形成严重隐患。

以此为背景，2013年11月，借大修机会，电仪部对4111K1防喘振系统及性能控制系统进行了改造。

本文则注重介绍喘振及防喘振的原理，结合两套原理对4111K1改造前后的优缺点做一简单总结。

一、喘振形成原理
图1 因为特性，轴流压缩机压缩的空气，可直接排入大气，不一定在喘振时非要打回流，因此影响空压机运行状况的主要是出口系统压力（即后系统阻力）。

图1中曲线I （定压）是出口压力（后系统阻力）线，当导叶开度为角度n 时，与压缩机特性曲线角度n 的交点A 就是压缩机此时的稳定的工况点。

如果导叶开度角度n 不变，而出口压力增加，则工况点会延曲线角度n 上移，如曲线II 。

当超过某点B 点时，就会发现压缩机出口流量和排气压力出现紊乱，压缩机振动，即为喘振。

图1中B 点则称为临界喘振点。

那么在不同的导叶开度下重复上述过程（如B 1），都存在这样一个临界喘振点。

将所有喘振点以
红线连接起来就形成喘振线，如图中红色喘振线。

喘振线是每台压缩机所固有的，出厂时可从生产厂家获取。

二、防喘振控制原理
1.喘振控制原理
通过喘振形成原理看，出口排气压力一定时防止压缩机流量过小角度2 角度3 B 1 角度1 B 角度n
A II 后系统阻力增加后的阻力线 I 后系统阻力线 红色喘振线 压力P 流量F
(图1横轴)，就能避免喘振；同样，入口流量一定时，控制出口排气压力同样能够避免喘振。

那么，将入口流量和出口排气压力做到防喘振控制器中则能预防喘振。

以宁夏石化公司4111K1为例，控制流程简图如图2所示，其中取压缩机的实际流量11FI1051的差压信号，即入口文丘利管差压；取压缩机出口压力测量值11PI1051。

图2
4111K1的性能及喘振系统主要由入口导向叶片11HV1052（控制器为11PQ16）及防喘振控制器11FICZ1051组成。

控制系统中11PQ16与11PI1051经计算后的值做为11FICZ1051的设定值，而以入口流量11FI 1051作为其测量值，通过PID 计算调节防止喘振。

2.安全裕度及防喘振线
图3 后系统 4111K1 11FV1051
11PI1051 11FI1051 11HV1052(导叶) 11FICZ1051 控制器 P F
安全裕度 I II 喘振区 安全区 III
图3为轴流压缩机防喘振控制曲线图（经典图，现代一般喘振系统都是这样做的），其中曲线I为喘振线，形成原理如图1中红色喘振线，其上方为喘振区。

那么人为的设置一条与之平行的线来防止压缩机喘振，如图中曲线II，称为防喘振线。

两条曲线之间的距离则称为安全裕度，一般控制在5%～10%之间。

每当控制点越过防喘振线进入安全裕度去时，则调节防喘振阀调节放空流量而保持入口流量与排气压力的平衡使之跳出防喘振线；一旦越过喘振线进入喘振区，则防喘振阀全部联锁打开，甩掉后续工段，保证压缩机本体安全。

而现在的防喘振控制当中，为防止喘振线因为某些原因发生变化，每喘振一次就会增加其设置的安全裕度（1%或者2%的增加量）作为新的防喘振点，即新的防喘振线右移，如图中曲线III，只有在确认后才可以复位到原喘振裕度。

当然，4111K1由DCS做喘振及性能控制，没有画出其防喘振线，是通过PID调节来计算的，防喘振点的概念在一定程度上属于模糊，其裕度的概念也是通过就地喘振计数器PD1028来做的。

三．4111K1防喘振系统的改造
1、原系统存在的问题及CCC 解决方案
（1）原防喘振控制器在DCS 中实现，而非采用专用的防喘振控制器。

喘振是此类压缩机的固有特点，但压缩机的喘振线并不是一条固定不变的曲线，它根据入口工况的不同（入口的压力，温度，湿度，分子量等）而时时改变，防喘振控制器应能具有能根据入口工况时时调整喘振线的能力。

DCS 中防喘振控制算法简单，无法做到这一点。

CCC 通过独有的，获得专利技术的简化压头（hr）-简化流量（qr）算法，能够实现自动变工况控制（例如，压缩机的喘振线根据冬夏季的入口温度变化时，时时自动调整）。

（2）原DCS 系统的执行周期太长（>500 毫秒），而压缩机的喘振特性决定了压缩机的喘振周期特别短，初始的喘振周期只有20-50毫秒（下图所示）。

大于500 毫秒的执行周期显然无法及时地发现和制止初始的喘振，只有当喘振深度很大时，才加以控制，但此时已无法阻止喘振发生。

CCC 专用的防喘振控制器采用5 毫秒的采样周期，40 毫秒的执行周期，能够及时地捕捉初始的喘振迹象，提前控制，防止喘振的发生。

（3）原喘振线没有在线实测。

压缩机厂家提供的喘振线是其理论计算值，压缩机现场安装后，由于密封间隙，管线布置等情况的改变，压缩机的喘振线会改变。

只有在压缩机开工过程中实测喘振线，并结
合简化压头（hr）-简化流量（qr）的变工况专利算法，才能准确的计算出压缩机的喘振线和运行点，并为其精确控制提供依据。

CCC 能够利用为用户提供的专用控制器，在开工过程中在线实测喘振线。

（4）原系统没有压缩机性能控制。

原控制系统缺少性能调节，只能通过手动控制导叶。

CCC 提供专用的性能控制器，实现压缩机性能的自动调节。

并通过性能和防喘振之间的解耦算法，性能超驰控制算法和极限控制算法共同实现精确控制。

（5）原控制系统防喘振控制策略简单。

原系统通过传统的PID 控制来调节。

PID 控制对于一般的过程控制有效，但对于快速的动态防喘振控制，根本无法满足要求。

CCC 通过PI 响应，自适应微分响应，专利的多步RTL响应和专利的SOL 响应来共同实现防喘振调节(如下图)。

2、改造目标
（1）CCC 重新精确计算空压机喘振线和机组性能，并进行现场实
测喘振曲线：
提供防喘振控制器控制空压机的出口放空阀。

提供性能控制器控制空压机的静叶。

缩短开工时间和开工过程的放空时间。

消除正常运行时生产扰动造成空压机的波动。

（2）CCC 的优化喘振控制、性能控制和回路间的解耦控制，消除压缩机的喘振威胁，尤其是工艺装置开工初期的喘振，并使得放空阀能够在开车前即投入自动，最终关闭。

（3）提高自动化操作水平，使操作员工作量减小。

（4）提高空压机运行可靠性，降低机组停车率：结合现场回路诊断和退守策略,大大提高控制系统的可靠性,降低故障停机率。

3、功能描述
3.1 防喘振控制器
(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。

3.2 CCC 防喘振控制算法的控制功能
(1) PID 控制响应
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
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转速后或当出口单向阀打开时以一定的速度关闭防喘振阀同时维持出口压力不变将机组并入到工艺系统中去停机时则自动打开防喘振阀将机组切出系统
(10) 负荷平衡与负荷分配功能
防喘振控制算法配合性能控制算法将并联/串联运行的机组控制在与喘振线等距离的运行点上。

四、技改后系统优越性因素解析
1）对现场的喘振线进行5点实测，在不同的导叶开度角度值做喘振点的实际测试。

2）增加入口温度及出口温度在喘振公式中的补偿，可更加精确的确定出入口压力及流量在公式中的计算，采用专门的控制器，实现采样周期<=5毫秒，40毫秒执行周期，更有效的控制喘振的发生及调节。

3）对防喘振阀气路改造，更改更换部分气路元件，实现该阀全行程3秒左右；改造11HV1052入口导叶角度位置变送器，以实际的角度测量数据参与喘振控制。

结论
喘振的实现及细节控制，每套成型的防喘振系统都会有不同，无论从处理方法及硬件配置上。

但是喘振的及防喘振的原理都是相同的。

本文所讲的为一般喘振系统的控制原理，在此就不对新系统中使用的较为细节的算法做一一介绍。

当然，改造后系统的稳定性也需要时间的验证，就目前运行情况看来，还是可以的。

更为精确的喘振控制理论还需要广大用户及厂家不断总结。

本文所阐述的不当之处还请同行专业人士批评指正。

文献及资料:
宁夏石化公司一化肥30万吨合成氨交工资料。

CCC防喘振控制技术。