美国CCS压缩机防喘振控制器

喘振预防控制器数据手册

喘振预防控制器

CCS的喘振预防控制器（SPC）能够有效和可靠地保护压缩机避免喘振。CCS 能精确地在条件大范围变化情况下界定喘振线并可设置控制线来优化喘振保护，不需要其他不必要的再循环或放气（装置）。目前控制器在使用气体成分恒定的透平压缩机上的应用已经有详细描述。

喘振控制策略

图1为喘振预防控制系统的配置和其与压缩工艺过程中的连接图。

它包括下列测量装置：转速变送器，导叶位置变送器，入口压力变松器，入口温度变送器。注意安装测量压缩机流量和/或功率的传感器是期望（理想）的但不是必需的。为预防压缩机喘振，该系统打开安装在紧邻压缩机排放输送管旁的防喘振阀门。

众所周知，动态压缩是由增加气流的特定机械能量（用多变压头表示）来实现的。这个多变压头的增加（H p）可以这样计算：

其中：

B 是比例常数，

是压比 (=Pd/Ps),

σ是多变指数,

是吸入温度，

MW 是分子量，

是平均压缩因数。

喘振极限条件的压比的数值，可以根据喘振试验获得的转速和（或）

导叶位置经验性函数获得。它也可根据压缩机厂商提供的理论上的压缩机性能图进行计算获得。

确定当前吸入温度（T s st）下的喘振极限多变压头为转速和（或）

导叶位置方程如下：

对于恒定气体组分的气体或空气，鼓风机在任意给定的转速和/或导向叶片位置情况下，我们假设压缩效应是可以忽略的。喘振极限条件压比在不同吸入温度和任意给定的转速条件下可以计算为：

这个包含吸入温度补偿因数关系的修正参数方程与不变坐标系下的标准版

本不同。多变指数不能被测量。该变量需要按照当前气体组分和压缩机

效率进行确定。所以多变指数必须被假设。在其被设置不精确的情况下，将

可能导致对喘振极限设定点的错误估算。温度校正线会出现负斜率，换句话说，增加吸入温度会引起在IGV同样速度下喘振线压力比值的减少。另外，效率和

气体组分假设上的变化值也会影响补偿系数使受影响跨度1%以内。在算法中

引入吸入温度的主要优势就在于，它能够在不断改变的气体组分和/或效率假设中保证精确的控制。

图2为典型压缩机的性能图；3个不同速度

的性能曲线；操作点A，B和C ；喘振线把稳定操作区和喘

振区划分开。对压缩机任何类型的喘振保护来，必须要知道喘振要出现的点（D、E和F点）。

喘振预防控制器（图3）使用第一个闭环PID模型，把压缩机操作点的压比控制在当前转速下的喘振极限压比之下。此时PID控制模型的过程变量是当前

压力比。PID环路产生一个控制信号来控制防喘振阀门的开启。一条喘振

极限线处在稳定操作区并且向下预留安全限度。建议的安全限度大约是跨度3-5%并且覆盖之前提到的多变指数(σ) 1%不准确（容差）。

当流量测量仪器可用时，喘振预防控制器（图4）使用第二个闭环PID模型控制压缩机的操作点在当前速度下喘振极限条件设置点的流量的右边。PID控制模型的过程变量是当前流量。PID环路产生一个控制信号控制防

喘振阀门的开启。一条喘振极限线处在稳定操作区并且向右预留安全限度。建议的安全限度大约是跨度的3-5%。在喘振极限条件流量值时，在不

同吸入条件（-吸入温度，-吸入压力）以及任意给定的转速可以计算为：

其中：

- 在喘振测试条件下气体经过流量测量仪器的不同压力，

- 在喘振测试条件下的吸入压力，

- 在喘振测试条件下的吸入温度。

两个控制环路产生的相应控制信号反馈给一个“高选择”算法来驱动防喘振阀的开启。这些技术适用于可变速度或使用介质是气体组分恒定或不恒定的有导叶轴流式压缩机和离心式压缩机。

这样的系统对多级压缩机的喘振预防控制器尤其有效，像图5中所示以及图6中所示的带侧流的压缩机，这里不是所有压缩机都需要有流量测量仪器。

产品特点

喘振控制

SPC可以为一个独立的硬件平台提供完整集成的多环、多体压缩机喘振控

制。去除不必要的再循环后压缩机的运行效率更高。

喘振探测

利用CCS的流量变化率探测方法，压缩机的喘振可以在第一个（喘振）循环内通过开启再循环阀就被阻止，而且喘振控制线移动到预先选定的位置。

简单化的控制器校准（标定）

为校准（标定）喘振极限线，需要进行一次或多次喘振测试。对于不同速度的压缩机和/或带入口导叶的压缩机，喘振测试应当在多个速度或多个导叶位置下进行。或者应根据压缩机制造商提供的理论压缩机性能图进行计算获得。SPC 控制器然后就会自动线性插补获得喘振点。

微分

算法

在传统PID控制器的微分控制动作中，在正常的压缩机运行条件下容易使系统变得不稳定，所以不经常使用。然而，在一些条件快速变化情况下，正常PI（比例积分）控制响应不足以预防流量降低到控制线的数值以下。

总体来说，控制器对正常运行条件来说反应速度是慢的，但是需要进行压缩机喘保护振时速度要快。在流量减少接近流量控制线的过程中，微分控制算法在流量到达控制线前输出信号打开防喘控制阀。

当工艺过程干扰稳定时恢复正常PI控制。

可变增益安全余量

可变增益安全线在喘振线和控制线之间，为额外控制动作提供基础。如果压缩机的运行点流量减少到可变增益安全线设定的流量值以下，传统的PI控制被可变比例增益控制功能增强来促进喘振阀迅速的开启。

控制器对控制阀门开启的输出随着增益的增加而增大，因而比传统PI控制更快的速度开启喘振阀。阀门持续开启直到流量达到一个安全水平。

使用增加的增益系数避免压缩机喘振并因此将过程的干扰降至最低。

定限控制

SPC包括额外的控制环路通过增加再循环流量而限制排气或吸气压力。

后备算法

在出现变送器故障时控制器能提供持续的、安全的运行。甚至当一个流量传感变送器出现故障时，控制器将在自动模式下使用压比控制持续运行（进行系统控制）。

启机和停机模式

SPC包括额外算法，提供符合压缩机生厂商的技术要求和工艺过程要求启机和停机模式。

硬件独立

SPC应用程序的可移植性使客户拥有硬件平台的选择权，减少对额外备件以及培训花费。

DCS或SCADA接口

通讯任务是通过PLC中的标准模块进行，增加数据吞吐量并且简化网络集成。

实施

喘振预防控制器是一个以内部嵌入式的PLC（可编程逻辑控制器）为基础的控制系统。它能有效地嵌入PLC的内部程序而不需要额外的硬件。压缩机可测变量通过标准PLC I/O卡直接输入系统。调校参数的显示和校正通过标准HMI屏幕进行。当设计压缩机控制系统时，CCS确保使用通用PLC就能使系统拥有对于最佳集成的喘振控制和过程控制所需的反应速度和包括所有功能。整个压缩机控制方案包括 – 喘振预防控制器，DMPC（数据挖掘处理控制）参数诊断系统，负载分配DMPC优化系统，DMPC监控系统，压缩机定序器以及ESD（紧急关断）系统。