离心压缩机串联运行的控制方案研究和实现

离心压缩机串联运行的控制方案研究和实现

雷跃强陈建中王海东王国马兵

摘要：压缩机串联运行时，两台压缩机之间相互影响，相互制约，操作和控制的难度大大提高，通过防喘振控制、解耦控制、负荷分配可以使压缩机的性能得到控制，实现两台压缩机的协调动作。

关键字：串联性能防喘振负荷分配

引言：大型离心式压缩机是化工装置中常见的气体加压设备。离心压缩机的性能曲线决定了其运行和操作中存在防喘振问题，防喘振控制和性能控制是大型压缩机控制的核心问题，目前，单台离心压缩机的防喘振技术已经比较成熟。

为了提高压力，有时需要两台或多台压缩机串联运行，串联运行时，两台压缩机之间相互影响，相互制约，操作和控制的难度大大提高。这为压缩机控制系统提出了新的问题。

宁夏石化公司二化肥装置二氧化碳压缩机组原设计能力为24700Nm3/h，2005年由于装置50%扩能改造的需要，对机组动静叶片进行了改造，并增加了一台二氧化碳增压机组K101A，由10MPa的蒸汽背压式透平驱动，增压机将二氧化碳的压力由105kPa（A）加压到210 kPa（A）,这样使压缩机的能力增加到43000 Nm3/h。

新的系统在装置开车期间由于控制方案配置不合理，造成机组发生喘振、推瓦等事故，经过三年来的改进，二氧化碳压缩机组的保护系统和控制系统比较成熟，本文将对串联运行的二氧化碳压缩机组的控制方案进行探讨。

二化肥尿素装置二氧化碳压缩机K101和二氧化碳增压机组成，整个机组的工艺和仪表控制图如图1所示：

S65蒸汽

图1 串联压缩机的整体配置图

二氧化碳压缩机K101是意大利新比隆公司生产的四段离心式压缩机，由高压缸（HP）和低压缸（LP）组成，在二段和三段之间有有个齿轮箱，该压缩机由西门子生产的抽汽凝汽式透平驱动。

二氧化碳增压机是新比隆生产的单段离心式压缩机，该压缩机由锦化机生产的背压式透平驱动。

两台压缩机为串联运行，在操作中必须使两台机组的负荷处于同一个调速系，所以控制系统中必须实现两台机组的协调动作，使两台机组工作在良好的性能状态，工作点和喘振线的距离同步，负荷处于同一水平是控制方案设置的总体目标。

1.控制系统概况

1.1．控制系统描述

1.1联锁保护系统主要由三冗余的ESD实现，机组外围的设备由DCS控制，机组的核心部分由美国CCC公司的控制器控制，ccc控制器、ESD和DCS通过modbus协议实现通讯。

1.2两台机组的控制系统由9台控制器组成，系统的连接图如图2所示，包括：

⏹3台防喘振控制器；

⏹用于负荷分配的2台性能控制器；

⏹2台速度控制器；

⏹1台主控制器；

⏹1台抽汽控制器；

1.3 存在的问题：

两台压缩机串联运行后的主要挑战来自两台机组的相互影响，当K101转速降低或防喘振阀开打时，很容易使K101A出口超压，影响管道和机械的安全，最常见的故障是推力轴承烧损，俗称推瓦；

而K101A转速上升或防喘振阀关小会使其出口的压力上升，从而导致K101入口超压，进而二段出口超压，安全阀起跳，进而威胁装置的安全运行。相反，K101A的转速下降或防喘振阀打开时，K101的入口压力降低，工作点靠近喘振线，如果这时防喘振控制器在自动状态，防喘振阀将自动打开，进而出现上一节所述的现象。

以上过程往往是在很短的时间内发生，操作人员手动调节非常困难。所以必须使两台机组完全投自动，使两台机组协调动作。

2.安全保护方案：

对于两台串联运行的压缩机，除了常规的振动、位移、超速、油压等保护措施外，为了在非正常情况下保护机组的安全，必须具有以下联锁：

2.1出口压力高联锁：防喘振阀HV8162是K101最重要而且动作最频繁的控制阀，如前所述，HV8162的大幅动作极易造成K101A超压，进而造成推瓦事故。而K101的转速波动是K101超压的另一个因素，为了在非正常情况保护增压机的安全，必须设增压机出口高联锁，当出口压力高于265kPa（a）时，增压机联锁停运，主蒸汽速关阀关闭，防喘振阀打开。

2.2入口快速排放逻辑：当增压机跳车时，K101必须联锁停车，而当K101停车时，K101A 不必须停车，但增压机的出口没有防空阀，当K101停车时，增压机的出口将压力高联锁，为了实现增压机K101停车时，K101A不停车，可以将二氧化碳从合成装置的二氧化碳二氧化碳防空阀PV24A/B及时放空，通过两个步骤可以实现该要求：

2.2.1.给防喘振控制器UIC-3设置压力极限，当压力超过230 kPa（a）时，通过快速的比例相应打开防喘振阀，使出口压力迅速释放，控制在联锁值以下。

2.2.2将联锁逻辑改为：当K101停车时合成界区的二氧化碳放空阀PV24B的电磁阀失电打开30秒，然后得电，并将PV24的阀位在DCS中置于50%，操作模式改为手动。

操作人员可以根据压力的情况适当的调节。

3. 控制系统的主要控制目标

3.1.控制系统的第一目标

实现入口的流量控制，使进入尿素系统的物料更加平稳，对两台压缩机进行负荷分配和优化；

●二氧化碳压缩机K101和二氧化碳增压机K101A分别进行防喘振控制；

●二氧化碳压缩机K101和二氧化碳增压机K101A的透平分别实现速度控制；

●二氧化碳压缩机K101的透平实现抽汽控制，保证抽汽压力稳定，实现高调门和中调门的两阀解耦。

3.2第二控制目标

增压机排气压力高限控制；

图2 串联压缩机的控制方案详图

4.控制方案；

整体的控制方案如图2所示： 4.1 速度控制和抽汽控制

4.1.1速度控制的首要目的是克服负载变化、蒸汽压力变化等扰动，使转速的PV 值跟踪设定值。

转速的测量一般采用磁性探头，透平上装有测速盘，每个透平配置7个测速探头，其中6个为无源探头，3个用来做超速保护，3个做控制，一个有源探头，做为状态监测的健相信号。与无源探头相比，有源探头可以测量到更低的转速，只要是高于5Hz 频率信号，都可以被有源的转速测量系统识别。

调速器的执行器一般采用电液伺服机构，与气动执行机构相比，液动装置的稳定性更好，动作更迅速【2】，， K101A 使用woodward 的液压伺服机构，速度控制器输出20-160mA 的大功率信号，K101配置VOITH 的电液转换器，速度控制器输出4-20mA 的标准信号。但电液转换器需要供电。

速度控制的算法与常规的PID 算法基本相同如公式1：

其中： e ：偏差

PB:比例带； Kr ：积分常数； Td ：微分常数；

压缩机在低速时一般防喘振阀全开，而且出口压力较小，所以负载非常轻，而在正常工作时转速范围一般在额定转速附近，所以转速对象的非线性特性非常明显，所以速度的控制必

公式1