空压机的防喘振控制

马钢30000Nm3/h制氧空压机的防喘振控制2009-07-02
王胜利张瑜峰
(马鞍山钢铁股份有限公司 243011)
1 前言
马钢30000Nm3/h制氧空分装置选用的是SI-EMENS公司的离心式空气压缩机，机组的排气量为165000Nm3/h，出口压力为0.62MPa(实际工况为0.52MPa)，电机功率15000kW，电机转速1000r/min。

机组的监控系统采用日本横河公司的CEN-TUMCS3000 DCS系统，主要由过程控制器FCS、工程师站WS和操作站HIS等构成。

FCS完成数据采集、数据处理及现场设备的控制等功能；工程师站WS与操作站HIS主要完成编程组态、数据处理、实时监控、报警及报表处理等功能。

空压机是整套空分装置的动力源泉，因此，空压机的安全平稳运行是一项非常重要的指标，而影响此指标的极大危害因素就是空压机的喘振。

空压机的防喘振控制是空压机整个控制系统中的核心部分，控制复杂，控制精度要求高。

2 空压机喘振的成因
喘振是离心式压缩机特有的现象，可以从图1的特性曲线简单分析一下喘振的周期。

压缩机运转过程中，随着负载的逐渐增加，出口压力逐渐升高，流量逐渐减小，压缩机运行点由D点沿性能曲线逐渐上升到喘振极限A点；随后，压缩机出现负流量即出现倒流现象，运行点由A点开始到B点，倒流到一定程度时，压缩机出口压力逐渐下降，运行点从B点到C点，然后又恢复到正向流动C点到D点。

这样，气流在压缩机中的来回流动就是喘振。

伴随喘振而来的是压缩机振动剧烈上升、响声巨大异常等，如果不能有效控制，会给压缩机造成严重的损伤，当发生喘振时，需采取措施降低出口压力或增大机组流量，尽量缩短喘振时间。

通过对流量、压力的调节使机组避开这一区域运行，实行防喘振控制。

图1 压缩机喘振特性曲线
3 空压机喘振的危害
喘振对压缩机的危害极大，主要表现在以下几个方面：
(1)使机组性能显著恶化，出口压力和流量大幅波动，破坏了空分装置系统的稳定性。

(2)使机组各部件承受过高的动应力，加速轴瓦、轴承等滑动部件的机械磨损。

尤其对推力轴承产生冲击力，破坏润滑油膜的稳定性，使轴承合金产生疲劳裂纹，甚至烧毁。

(3)压缩机连续发生喘振消耗额定功率近40％，大部分转变为热量使其内部结构承受高温，造成部分零部件烧毁变形、密封元件损坏、推力瓦烧毁等，使各级之间压力失常，振动加剧。

4 防喘振控制
压缩机的防喘振线是在现场试车过程中实测出来的，该空压机的特性曲线和喘振曲线见图2。

图2 空压机特性曲线和喘振曲线
为防止喘振发生，防喘振控制算法在喘振停车线A右边设置了一个可变的安全裕量，这样就可以在运行点达到喘振停车线A之前开始动作，增加压缩机的流量。

也就是在喘振停车线A的右侧增加一条防喘振控制线C，其形状与喘振停车线A一致，且与喘振线A相距10％的差压量程值。

同时为了更好地保护好机组，在喘振控制线C与喘振停车线A之间又加设一条喘振安全线B(与喘振停车线A相距2%的差压量程值)。

该距离越小，放空阀打开的机会就越小，能量损失越少，但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。

该距离越大，放空阀打开的机会就越大，越能保护好机组安全，但能量损失变大。

当压缩机运行在喘振控制线C右侧，防喘振阀完全关闭；当压缩机运行点即将到达防喘振控制线C时，防喘振算法设计为打开防喘振阀，当运行点缓慢移动时，防喘振控制将以PID回路控制防喘振阀，使运行点保持在非喘振区域。

当工况发生恶化，运行点进一步移动到喘振安全线B 时，防喘振控制程序将输出一阶跃信号，使放空阀的开度递增20％，增加压缩机的循环量，使机组快速远离喘振区；如果运行点停止移动，控制信号将以指数函数慢慢关闭阀门，直到进入PID控制。

在防喘振控制中采用了多段折线代替直线的防喘振线，使喘振控制线C几乎与喘振停车线A 平行，这样，最大限度地扩展了压缩机的安全运行区域，减少了采用单参数控制仅是一条直线而造成的不必要的回流，从而节约了能源。

该系统具有手动/自动的无扰动切换功能，当控制器处于自动模式时，控制器的输出按照设计好的防喘振控制程序计算结果执行，这时，手动值完全无效。

当防喘振控制处于手动模式时，
控制程序可以自动检测操作员送来的信号，并实时与防喘振的程序计算结果进行比较。

如果发现操作员的操作将导致错误的发生，控制程序则不接受操作员的操作，以保证机组的安全运行。

所以，如果手动模式下，现场操作员发生手动操控失灵的情况，并不一定是系统错误，完全可能是系统在避免操作上的失误。

在调试过程中，对部分控制方案实施进一步优化，在防喘振控制线上设定边界死区，这样当工作点向左缓慢移动，到达防喘振控制线附近但没有越过。

或越过很少后又自动返回时，如果控制参数设置的比较灵敏，那么就会出现压缩机不停的处于调节状态，造成工艺条件很不稳定。

如果设定合适数值的死区，如果PV-SV的偏差在设定的范围内，则PID的输出不变化，这样可避免小的波动造成不断的调整，从而保证了控制的稳定性。

5 典型控制功能
(1)空压机防喘振调节
空压机防喘振调节由入口差压和出口压力构成一条喘振曲线，且随入口温度的变化而变化，同时设置上限超压控制，防止出口压力超过管道的设计压力，其控制回路图如图3所示。

FICl019是其中的防喘振控制回路，串级方式工作，其设定值来自喘振控制线，测量值
来自入口差压的计算值(通过入口温度、出口压力对差压的关系曲线进行综合运算，由计算
块SPl019来实现)，比例积分调节，正作用。

图3 控制回路图
BINl019用于工作点运行至喘振安全线时，放空阀的开度给定在原来给定值的基础上发生跳变(20％)，使机组快速远离喘振区。

PICl021是防超压控制系统，自动方式工作，比例积分调节，正作用。

当机组工作在出口压力比较高的区域时，就要对出口压力进行限制，让其不能超过最高允许压力值。

对于恒压控制的压缩机，入口导叶开度的调节还不能使出口压力稳定在工况值而继续升高并达到某一值时，出口压力过高保护调节器PICl021开始起作用，与防喘振调节器FICl019一起通过入口导叶、放空阀的调节，保护压缩机出口压力不再升高。

HCl019是放空阀手操器，手操给定值高过调节系统输出值时有效。

VEL1019、RAMPl019用于限制放空阀手动打开和关闭的速率以及压缩机起停时限制阀门的开度，实现快开慢关功能。

任何一台机组在发生喘振时，用户都希望防喘振控制器能快速响应，快速打开防喘振阀门，以防止危险发生；但在关闭阀门的过程中，也希望能慢慢地关闭，以防止发生喘振震荡。

快开慢关功能在接到喘振信号后，它能够快速、及时的打开防喘振阀门，在关闭阀门时，控制信号也将以指数函数慢慢关闭阀门。

RAMPl019用于起停时限制阀门开度。

SWHl019和SWHl020是信号选择器，选择较高的信号输出。

(2)空压机入口导叶调节
为了保证压缩机排出的空气压力恒定，进而维持整个空分装置的工况稳定，采用压缩机排出压力定值调节入口导叶较为常见。

但空压机是大型压缩机组，相应的保护控制回路也就较多，综合以后，就形成了如图4所示的结构。

图4 保护控制回路
PICl020是压力调节系统，采用比例积分调节，反作用。

IICl011是电流调节系统，采用比例积分调节，反作用。

为防止电机过载，设置了电机过载保护，当电机电流超过额定值时，电机过载保护器IICl011开始与原出口压力调节器PICl021同时叠加一起，调节压缩机的入口导叶开度，保护电机不过载。

HCl011是手操器，用于手动控制阀门开度，但它必须比PICl020的输出值大，才能被选中起效。

VEL1011、RAMPl011用于限制入口导叶手动打开和关闭时的速率及机组启动和停止时的开度限制。

SWHl011是高选器，用于选择HCl011和PICl020中较大的输出值作为其输出。

SWL1011是低选器，用于选择IIC1O11、SWHl011和RAMPl011中较小的输出值作为最终输出。

(3)压缩机自动控制投入方法
a.操作人员将放空阀的开度操作到接近关闭(但不要超过控制线)。

b.根据入口导叶目前的实际开度，比较PICl020和手操器HCl011的输出值，如果不一致，手动操作到两输出值接近相等。

c.将手操器HCl011的输出值设定到0％。

d.根据工况设定好入口导叶调节器PICl020的设定值。

e.将HCl020投入自动，待系统稳定后，将HCl019投入串级CAS、PICl021投入自动。

6 结语
在试车和正常生产过程中，空分装置后续工况的波动导致压缩机的运行工况发生变化，该防喘振控制方案及压缩机全面的安全逻辑控制方案有效地避免了机组进入喘振区，既保证了机组安全运行，同时也避免了因喘振或者过载引起的不必要停车，减少了大修次数，降低了维护成本，延长了压缩机寿命，保障了工艺生产的连续性。

近一年的生产运行实践证明，该防喘控制系统工作稳定可靠，抗干扰能力强，具有一定的应用推广价值。