压缩机防喘振控制描述

压缩机防喘振控制描述
1. 买方提供的防喘振控制系统要求 MAN-TURBO 是一家在喘振保护领域有最多专利的公司。基于以上经验，MAN-TURBO 开 发出他们独有的全数字式机械控制和监测系统 turbolog DSP，该系统包括防喘振控制。 Turbolog DSP 具有快速响应的特点，它能在一毫秒内处理扰动。 这个使 MAN-TURBO 能够提供包括机械、工艺包和控制与监测在内的整个压缩系统。 如果 turbolog DSP 不提供压缩机，那么买方要注意防喘振控制。为了提供足够的机械保 护，这一要求必须讲清楚。 2. 系统技术规格 2.1 控制器程序执行时间 数字调节器的程序执行时间有一个死区要缩小到最小。从输入信号改变到输出信号 改变的整个程序执行时间（TPET）必须在 50ms 以下。如果一个调节器的 TPET 超过 5ms 被占用，那么控制线与喘振线之间的距离要增加标准流量值的 10%以满足安全 要求。细节将在详细设计阶段讨论。 2.2 控制算法 标准 PI 控制不能提供足够的喘振保护。微分作用通常不能作为一定的噪声信号应用 于流量信号。 对操作点的快速变化作出响应的开环控制作用需要包括在内。 2.3 手动操作 自动防喘振保护总应该优先于手动操作。手操允许使用防喘振控制阀必须通过防喘 振控制器但不可以在关闭阀的方向控制器失调。 2.4 控制规则 压缩机防喘振线是基于性能图上显示的是压头与相对的入口体积流量定义的。防喘 振控制的操必须以这些数据为依据。 下面的数据需要测量以计量压头和流量 － 流量（单位 P） － 出口压力 － 入口压力（对空压机的环境入口压力不做要求） － 入口温度 － 出口温度（仅仅对出口测流量进行测量时要求） 2.5 变送器 带有死区时间的智能变送器不能使用。必须使用带有快速响应时间的变送器如 ROSEMOUNT 1151 如果需要使用电流隔离器，必有使用模似信号隔离器以避免系统死区时间。 2.6 防喘振阀 下面的摘要适用于放空阀有一定开度的稳定控制操作系统。 轴流压缩机要求液压控制的放空阀在 1~2 秒内全开（0.1~0.2 秒内开 10%） 。 其他类型的压缩机可以配气动调节阀。开阀时间不大于 6 秒（0.6 秒内开 10%） 。电 磁阀全开时间要小于 2 秒。 轴流压缩机防喘振阀的尺寸应是在压缩机设计压力下设计流量的 130%。 离心式压缩机防喘振阀尺寸可以比那些轴流压缩机的设计得小一些。请参考详细设 计。 2.7 防喘振阀的管道布置
常用的闭环防喘振控制算法是 PI-模式。 由于流量信号总是有轻微的噪音 （流量波动引起） ， 所以微分作用通常不作用。 PI 控制器的输出信号由下面公式测得 Y=KP*xd 1 dt Tn 其中： y 是控制器输出， KP 是控制器增益， xd 是控制差错 （实际流量和喘振流量之差） ， Tn 重置 （积分） 时间常数。 Tn 的典型值是设为 10 秒， 快速响应控制器允许选择增益 KP=2 到 3.5. 有关控制器程序运行时间对增益的影响请看第 5 章。 有了一个 6%（控制线和喘振线之间的距离）的控制分差和 3 秒的增益，积分作用将以 每秒 1.8%改变控制器的输出。对于快速的瞬间扰动，积分作用几乎没有影响。仅有的保 护由比例作用来提供。 比例作用改变控制器的输出信号从而使得防喘振控制阀的阀位根据增益 KP 和控制分差 xd 成比例改变。在我们的例子中，增益 2 会使阀开 12%，这时已到了喘振线。如果增益 是 4，阀同样道理开 24%。 观点 4：控制器在快速扰动期间的响应是引起控制器增益和喘振线和控制线之间的距离 成比例的变化。 5. 控制器增益和程序执行时间（TPET） 最合理的控制器增益是根据整个防喘振回路的稳定性测获得。死区时间要求避免。控制 阀要尽量快，阀门执行器对没有死区和波动的命令信号作出响应。 MAN TURBO 在防喘振控制器稳定性领域做了广泛的研究。不管是理论计算，仿真研究 还是现场测试，他们都得以实施并表现出良好的一致性。有关详细介绍请参照 Wilfried Blotenberg 写的“Ein Beitrag zur digitalen Pumpschutzregelung”. 控制器响应越快，允许的增益越高。TPET 小于 5 毫秒的模拟器或控制器允许增益升到 4. 如果一个 40 毫秒的 TPET 被使用，最大增益就降低了 60%。如果一个控制器用了 125 毫秒，最大增益被限制到 14%虽然如此仍能在快速响应控制器内调节。合理的防喘振控 制器增益范围是 0.28 到 0.56. 让我们回到第 4 章我们的例子中。即使有最合理的增益（由于系统约束可能在许多应用 程序中无法应用） ，DCS 系统内的闭环防喘振控制器在喘振发生前打开防喘振阀还不到 3.4%。 观点 5：在瞬态情况下一个 DCS 闭环控制器不能阻止压缩机喘振的发生。 6. DCS 系统和开环控制 如果闭环控制不能阻止压缩机喘振，开环控制可以。 所有的数字控制系统在顺控中起作用。输入信号被采样后，CPU 依据控制算法计算出一 新的控制器输出信号从而使阀门的控制信号命令改变。 DCS 系统这样的典型周期是 1 秒。对于所有的工艺控制来说，这已足够快。对于高速应 用程序，DCS 系统允许程序运行时间减小到 250 毫秒甚至到 125 毫秒。 至少一个运算周期控制器才对一个工艺波动有响应。在最坏的情况下，可能需要 2 个周 期。 如果防喘振阀在 2 秒内全开达到设计流量的 130%，一个 125 毫秒的运算周期符合 8%的 设计流量。250 毫秒 DCS 的两个运算周期使阀行程到 25%或流量到 33%设计流量。 注意：在 DCS 系统开始开阀之前，一个即刻快速响应控制器已经使防喘振阀开到 33%的 设计流量。

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7. 开环控制什么时候动作 开环控制彻底地改善了快速响应控制器的性能。用慢速响应控制器例如 DCS, 开环控制 必须小心使用。 在 250 毫秒内，一个两秒行程的阀只走 12.5%. 请注意这个扰动可能触发很多进程。 开环控制在控制线超过全负荷流量的 3%到 4%才可能动作，同时流量波动可能会产生一 个加在流量信号上的 2%到 3%的噪声级。 这就使得开环保护在压缩机进入喘振区前仅有 1%到 2%的余量（注意，喘振线和控制线 之间的安全距离是典型的 10%的喘振流量，这一流量符合全负荷量的约 5%） 如同第 3 章节，在 0.36 秒内流量减少了 1%。按照较好的性能曲线，它可能用小于 300 毫秒的时间。 为了避免开环控制回路误动作，开环控制不仅仅只根据输入变量作响应还要依据动态数 据。如果压缩机在到危险区后 1 到 3 个运算周期内会喘振，没有余度及时到任何系统响 应。 另外应当注意在一个防喘振控制回路内典型的有 4 到 5 个变送器，这些变送器会产生波 动或零飘。在选择开环计算和小信号切除时这一点必须考虑。 8. 总结 对于以工艺控制为目的 DCS 是理想的系统。对于高速机械保护系统，他们没有办法提供 足够的控制响应。对于这些回路特殊的硬件控制器和特殊的控制算法是必须要有的。 如果压缩机的防喘振控制在 DCS 系统内实现， 那么喘振线和控制线之间的安全要彻底的 加大。用一个超过 30%喘振流量的安全距离，DCS 系统能在万一出现慢速工艺扰动时提 供保护。但请注意这样会在相同的负荷下降低压缩机效率。同样也请注意在许多应用程 序中快速动是无法避免的。 最好的防喘振控制方法是用已证明的快速响应防喘振控制如 turbolog DSP
通过弯头二选一进入 C. 立即进入上游放空筒的阀门管道布置
防喘振阀的设计要求 防喘振阀的设计标准 设计流速 性能特点 手动操作 最大供压下的允许泄漏量 安全位置 定位器 噪声等级限制 时间要求设定 可控开 快开 关 离心式压缩机 放空阀带气动执行器 ≤3 秒（全行程） ＜2 秒（全行程） 10~20 秒 压缩机设计流量的 130%（在设计压力下） 线性（最大 2%的线性偏差） 无（机械保护） 单座阀 0.01% 双座阀 0.5% 弹簧开，气/油关 气动/液动 ＜112Db(A)由于机械原因 轴流式压缩机 放空阀带液动执行器 ≤1.5 秒（全行程） ≤1 秒（全行程） 10~20 秒
体压缩机的防喘振控制。 声明的第一部分完全正确，第二部分是错的 工艺气压缩机是根据工艺要求定制的。他们通常设计成比如所有的操作点都在喘振区以 外。如果工艺按照说明操作，压缩机从不会在喘振危险线下运行。甚至没有自动防喘振 控制提供相同等级的保护。 防喘振控制仅仅是那些规格书或那些工艺没按设计或预期的情况操作而出现的事故的 要求。在压缩机被设计为部分回流的地方仅有非常少的一部分应用。在所有的别的应用 中， 防喘振控制回路充当保险契约。 既然没有事故发生， 以最低成本选择仪表是最好的。 保险契约的效力仅在发生严重事故的情况下起作用。上述情况同样适用于防喘振控制。 在此之前已经发生最严重的波动，防喘振控制可以认为满足要求。 3. 慢速或快速忧动 3.1 压缩机性能图的影响 工艺气压缩机性能曲线在邻近喘振时通常非常平。在防喘振曲线和喘振线之间典型 的坡度是 10%。典型图表请看图 1.。在一些应用中，有的坡度更平。 API 要求到喘振有 6%的最小扬程。意思是压缩机在喘振线的压头必须高于设计压头 6%。但请注意越靠近喘振线性能曲线越趋于水平。 防喘振线最具代表性的就是处于喘振线右 10%。这个距离通常被称为喘振流量。由 于喘振线代表性是满负荷流量的 40%到 80%，所以安全距离也代表性的为满负荷流 量的 4%到 8%。 在下面的注意事项中，处在 60%处的平均喘振线是一假定值。意思是安全距离算出 是满负荷流量的 6%。 依据 10%斜率，6%流量符合 0.6%的压力。 观点 1：0.6%的压力变化将会使压缩机的运行点从控制线进入喘振线。 3.2 什么能导致压缩机压力以 0.6%变化 根据第一种方法，压缩机压头就此压比被认为和转速的平方成正比。 观点 2：1.2%速度降低会带来压缩机运行点从控制线到喘振线。 压缩机转速一般限制在的 70%到 105%既整个量程的三分之一。 如果升速/降速命令被限制为在 60 秒内从最小到最大或相反， 100%速度变化需要 180 秒。1.2%的变化仅需要 2.16 秒。 观点 3：按下降速按钮时间超过 2.2 秒会使压缩机运行点从控制线到喘振线。 上述情况同样适用于多种形状的压缩机。 一个相似的扰动可能是由于串联或并联运行的压缩机引起。 改变串联压缩机性能的 0.6%会导致另一台压缩机进入喘振线。 如果两台压缩机平行操作，一台压缩机排气侧压力轻微下降将导致单向阀关闭。紧 接着在 1.5 秒内整个流量会下降 60%。 4. 防喘振控制器性能 防喘振控制器被用来避免压缩机进入喘振区。为了解他们的工作方式，下面给出了一些 解释。 有代表性的防喘振控制器由闭环控制和开环控制两部分组成。 防喘振控制器的输出作用到回流阀或放空阀上使得出口气体回流到入口端或放空。 防喘振控制阀典型的行程时间，关要 6 秒，开要 2 秒。他们典型的对应 70%到 130%的 设计流量。 开环控制仅适用于一些特殊的波动情况。速度信号以 1.2%改变不能看作这一波动情况。 因此，只有闭环控制才能对付这种现象。