CCC防喘振控制介绍资料[全]

2012 Compressor Controls Corporation
CCC公司技术特点 及其在炼油装置的应用
Compressor Controls Corporation (CCC) 美国压缩机控制公司
1
2012 Compressor Controls Corporation
交流内容
1. CCC公司控制技术特点 2.可用性与可靠性
qr2,op qr2
22
引入操作点至喘振控制线之间的距离
• 第一步: 引入参数 d:
d = 1 - Ss
• 第二步: 引入参数 DEV(偏差值): DEV = d - 喘振控制裕量
• 参数DEV 与压缩机的尺寸无关, 但对所有压缩机描述都是相同的
2012 Compressor Controls Corporation
2012 Compressor Controls Corporation
简化喘振参数采用Rc替代hr
• 用无压关缩的比坐标Rc系代替简化多变压头同样可以获得与入口条件
• 喘振接近变量 Ss 变成
Ss =
f1(Rc) q2r,op
这输里入R由c函对数应f的1我q们r 2可以得出
• 这种重转算速要法N提避用示免于了:监C使视C用C目T仍的d 然和。强Ts烈变建送议器安装Td 和 Ts 变送器 以及
jr Re
这里: • hr • qr • Ne ·a • jr • Re • Rc
= 简化的压头 = 简化的流量 = 线性化的转速 = 导叶角度 = 简化的功率 = 雷诺数 = 压比
15
控制算法
相关联的坐标系 (Hp, Qs)
• 无关坐标系(hr, qr2)
2012 Compressor Controls Corporation
= 简化的流量的平方
17
控制算法
2012 Compressor Controls Corporation Dis. Pressure Psig Reduced Head
循环氢压缩机
相关坐标系
Ac tual Surge Plot 40
6 35
65
5 30
6
3
5
3
25
6 3
65 3
5
20
56
3
3
15
10
• 结果为:
Ss =
• S稳s定< 的1 操作区域
q2r,SLL q2r,op
h
r
• S喘s振= 线1 (SLL)
hr
Ss > 1
OP
Ss < 1
2012 Compressor Controls Corporation
• S喘s振> 区1 域
qr2,SLL
OP = 操作点
Major Challenges
• 建立压缩机的动态仿真
• 在动态仿真层面上对数字式控制器与模 拟式控制器进行对比
• 模拟式控制器无执行周期，响应迅速
• 精确整定的模拟式控制器，使超调量达 到最小
• 使数字式控制器获得同样的整定参数 • 使数字式控制器获得同样的扰动
控制器输出
时间
25
控制器执行速率
2012 Compressor Controls Corporation
• 这些定义的性能曲线图用于一组特定的入口条件: ps, Ts, MW 及 ks
11
2012 Compressor Controls Corporation
控制算法
• 通常情况下的，问使题用是由这O些EM坐厂标家系所统提与供入压口缩条机件性有能关曲，线如图下的所坐示标：系统所存在
12
2012 Compressor Controls Corporation
2012 Compressor Controls Corporation
24
Major Challenges
控制器执行速率
2012 Compressor Controls Corporation
100% SCL SLL 0%
100%
0%
模拟式控制器
操作点
时间
• 优秀的工程承包商，会对控制器执行速 率对压缩机的防喘振能力的影响进行评 估
这里:
• Hp
= 多变压头
• Qs
= 入口体积流量
• hr
=简化的压头
• qr2
= 简化的流量的平方
16
控制算法
相关坐标系 (Rc, Qs)
无关坐标系 (Rc, qr2)
2012 Compressor Controls Corporation
这里:
• Rc
= 压头
• Qs
= 入口体积流量
• qr2
Curve 4: MW = 8.20; Ps = 6.800 kg/cm2 a
Curve 5: MW = 9.70; Ps = 14.900 kg/cm2 a
Curve 6: MW = 10.8; Ps = 14.900 kg/cm2 a
无关坐标系
2012 Compressor Controls Corporation
2012 Compressor Controls Corporation
hr
d <0
Ss > 1
DEV < 0
d =0
Ss = 1 DEV = 0
运行点
d >0
Ss < 1 DEV > 0
qr2
Surge margin
优点: 在全厂内一个标准的无 量纲的喘振参数，操作 人员很容易理解:
DEV > 0 DEV = 0 DEV < 0
好 在控制线上 不好
23
Major Challenges
Controls 控制系统
Machinery 机组
CCC
Turbomachinery Controls
CCC机组控制技术
Process
工艺
4
CCC控制技术-限制控制
压力
增加控制裕度
工艺过程极限
பைடு நூலகம்
最大转速线 功率极限
2012 Compressor Controls Corporation
实际的 可操作区
2012 Compressor Controls Corporation
• 喘振参数可以被定义
位如下:
Ss
=
f1(hr ) q2
r ,op
q2r,SLL
qr2
• 喘振线各点即可用涵数f1(hr)对应的值 qr2 计算
21
Major Challenges
喘振参数 Ss
• 由函数 f1 我们可以得出输入hr 对应的qr 2
100%
SCL SLL
CCC 防喘振控制器 (每秒25个执行周期)
操作点
2012 Compressor Controls Corporation
0% 100%
时间
0% 100%
时间
控制器输出
控制器输出
0%
0%
时间
时间
与模拟式控制器的整定相同
模拟式控制器 vs 每秒25个执行周期的数字式控制器
27
控制响应
513264
3124
.2
21
1
0
-.2
-.4
-.4
-.2
0
.2
.4
.6
.8
1
1.2
1.4
Reduced Flow [none]
Curve 1: MW = 4.62; Ps = 6.033 kg/cm2 a
Curve 2: MW = 5.90; Ps = 6.800 kg/cm2 a
Curve 3: MW = 7.90; Ps = 14.900 kg/cm2 a
9
2012 Compressor Controls Corporation
压缩机控制所面临的挑战
• 一个成功的压缩机控制系统应由下列部分组成：
– 一个能够准确定义操作点及其相应的喘振极限的算法 – 能够允许数字控制器进行快速及时的模拟控制的控制器执行速率 – 控制响应能够针对不同的操作工况使用不同的安全裕度 – 先进的控制方案能够防止回路间相互作用所产生的负面影响 – 动作迅速，流通能力适宜的防喘振控制阀 – 去除整个系统内不必要的死区时间和滞后时间
5 1500
24 1
2000
4 4
4
4
2
2
2
4
2
2
1
1
1
11
2500 3000 3500 4000 Vol. Inlet Flow - ACFM [ACMH]
4500
5000
无关坐标系
Surge Points - Mode fA 65 1.2
1
6
56
.8
5
364 35 4
.6
324 6
.4
151243526
3.并联负荷分配优化控制 C的工程实践
5.压缩机性能咨询 (CPA) C公司5系列控制系统
FCC机组优化节能系统
2
2012 Compressor Controls Corporation
1. CCC公司控制技术特点
3
2012 Compressor Controls Corporation
控制算法
• 那么，喘振极限就会变成一个曲面，而不是一条曲线
• 为了实现控制目标，对于几何结构不变的压缩机，我们希望喘振线（SLL） 由单一的曲线来表示
13
2012 Compressor Controls Corporation
控制算法
• 产生全新的控制算法的过程:
– 审查实际需要 – 开发一个数学模型 – 通过计算机建模对控制算法进行模拟
J = f1(Q, w, m, r, a, d, a)
这里: • Hp •J •Q ·w ·m ·r •a •d ·a
= 多变压头 = 功率 = 体积流率 = 转速 = 粘度 = 密度 = 本地音速 = 特征长度变量 =入口导叶角度
参数分析或归纳
无关坐标系
第1组
hr qr Ne a
jr Re
第2组
Rc qr Ne a
100% SCL SLL 0%
100%
0%
模拟式控制器
操作点
100%
SCL SLL
数字式控制器 (每秒两个执行周期)
操作点
时间
0% 100%
时间
控制器输出
时间
0%
与模拟式控制器的整定相同
控制器输出
时间
模拟式控制器 vs 每秒两个执行周期的数字式控制器
26
执行周期
100%
SCL SLL
模拟式控制器
操作点
多变压头和质量流量的 平方公式如下：
Hp = Zavg R Ts×Rcss- 1
Qs2 =Zs R Ts×DPPsos
这里:
Zs,d = 压缩机入口，出口压缩因子
Zavg = 平均压缩因子=
Ts = 入口温度 Rc = 压缩比= Pd = 出口压力
Pd Ps
Zs
+ 2
Zd
Ps = 入口压力
R = Ru - 气体常数
10
2012 Compressor Controls Corporation
控制算法
•
典型的压缩机性能曲线图包括： pd) 坐标系统,这里:
(Qs,
Hp),
(Qs,
Rc),
或
(Qs,
Qs = 能够表示为实际或标准体积流率的入口流量 Hp = 多变压头 Rc = 压缩比 (pd / ps) pd = 压缩机出口压头 ps = 压缩机入口压头 ks = 等熵压缩指数
• 喘振不仅仅出现在低负荷操作工况下，而是在各种工况下都可能出 现。
2012 Compressor Controls Corporation
如何避免喘振
• 增快反应速度
– 变送器 –阀 – 控制器 – 系统体积
用专门设计的控制技术 – 自动开环 – 解耦控制 – 可调喘振控制线 – 自调整增益控制参数 – 喘振线确定及喘振试验
MW
MW = 分子量
Ru – 通用气体常数
s
=
k- 1 khp
k = 等熵指数 =
Cp
Cv
Cp = 等压指数 Cv = 等容指数
hp = 多变效率
无关坐标系
每个公式内去掉因子A:
A = Zs R Ts
. HAp=
ZavgR Ts Zs R
s
Rc
-
1
s=
Ts
hp, red
. QAs2=
= Zs R Ts
仿真 – 将此控制算法应用到现场
14
控制算法
• 下述变量用于设计及对压缩机的特征进行表述 • 通过参数分析（或归纳），我们分离出两组无关的坐标系
2012 Compressor Controls Corporation
表述压缩机操作特征的基本变量
Hp = f0(Q, w, m, r, a, d, a)
DPos Ps
Zs R Ts
q2 s,red
根据经验, 我们知道 Zavg/Zs 比率变化可以忽略不计。 假设此比率在压缩机操作范围内为恒定常数：
s = h p,red
Rsc-1
= q2s,red
DPos
Ps
建立喘振线
• 喘振线上的各点(如右图)可 hr
用至原点的斜率来表示.采
用实测方式得到.
hr
Pd
B
A
D C
2012 Compressor Controls Corporation
压缩机停车点，无压力，无流量
Qs, vol
7
2012 Compressor Controls Corporation
导致出现喘振的因素
• 开车 • 停车 • 在低负荷下操作 • 在高负荷下运行出现下述工况:
– 紧急停车 – 动力降低 – 操作人员失误 – 工艺扰动 – 负荷变化 – 气体成份变化 – 冷却器故障 – 过滤器故障 – 驱动故障
最小转速
操作的稳定区
流量
5
2012 Compressor Controls Corporation
扩大了操作范围
•一般的控制
极限
设定点 运行点
•CCC的控制
极限 设定点
运行点
基本因素 - 先进的算法 - 解耦控制 - 高速的硬件
6
喘振现象
让我们用一个离心式空气压缩机 向一密闭容器内供气的模型来解释 喘振是如何形成的