浅谈渭化空压机和增压机的防喘振控制

论文导读：渭化集团公司甲醇及二甲醚装置中的空压机组由蒸汽透平驱动。带动空压机和增压机两台压缩机。本文则着重介绍TS3000系统在压缩机防喘振控制中的应用。如果系统检测到工作点越过喘振线。这一设定点跟踪的功能就是为了在恶劣工况下。
关键词：空压机，增压机，防喘振控制，功能，工作点

　　渭化集团公司甲醇及二甲醚装置中的空压机组由蒸汽透平驱动，带动空压机和增压机两台压缩机，这台机组采用美国TRICONNEX公司的ITCC(Integrated TurbinCompressor Control)产品——TS3000控制系统，来对机组进行全方位的监视及控制，比如工艺参数的监视、压缩机轴承状况的监测、透平转速的控制、压缩机防喘振的控制及机组安全联锁控制等。本文则着重介绍TS3000系统在压缩机防喘振控制中的应用。
　　1. TRICONNEX防喘振控制系统的主要功能
　　防喘振控制集成在具有特殊控制技术的TS3000控制系统TRICON控制器内部，它能够实现多种控制功能，从而保证防喘振阀能够及时打开，并且控制器的扫描周期短（200ms以下），运算速度很快，能够高效处理复杂的运算，理想地实现防喘振控制。它的主要控制功能如下：
　　1.1 控制线
　　控制线即防喘振线，是由不同工况下的控制点连接起来而形成的一条线。控制点则是由喘振点加一定的安全裕度得到的，如下式：
　　控制点（%） = 当前喘振点 + 安全裕度
　　其中安全裕度由偏置和比例两部分组成，在本机组中偏置设为10，比例设为0，那么：安全裕度 = 10% ，由此得出：
　　控制点（%） = 当前喘振点 + 10%
　　如图1所示：每个喘振点的横坐标加量程的10%就形成控制点的横坐标，控制点的纵坐标与喘振点纵坐标相同。
　　1.2 控制线移位（安全裕度重校）
　　如果系统检测到工作点越过喘振线，表示喘振已经发生，喘振控制线将被自动右移一个校准量，即增加安全裕度。系统可设置每次增加的校准量为一个固定值或一个比例值，本机组设每次增加的校准量为一个固定值2%。本机组设重校发生的最多次数为10次，超过10次后，安全裕度将不再增加。
　　例如，系统检测到第1次喘振，控制线会右移2%，安全裕度就会由原来的10%增加到12%；如果检测到第5次喘振，控制线会发生第5次右移，总移动量为2%×5=10%，安全裕度会变为20%。
　　如何检测喘振呢？当工作点越过喘振线1%时，系统认为喘振发生，当工作点回到喘振线右侧1%处时，系统认为脱离喘振。
　　当查明喘振原因并消除使喘振发生的因素后，在操作画面上可以将校准次数和校准增量复位为零，使安全裕度重新回到原始的喘振控制线位置。
　　
　　1.3 PI控制
　　最基本的防喘振控制采用PI控制（比例积分控制），它将所测得的实际值与设定值进行比较后，进入比例积分控制过程。若实际值＞设定值（工作点位于设定点右侧），调节器输出为高（100%），防喘振阀保持关闭，当实际值＝设定值时（工作点与设定点重合），阀门准备打开，实际值＜设定值时（工作点位于设定点左侧），阀门打开，偏差越大，阀门开度越大。
　　1.4 设定点跟踪
　　在这个防喘振控制器中，设定点不是一个固定点，也不是防喘振控制点，而是根据不同的工况有所变化的。当压缩机的工作点在喘振控制线右方（安全区域）时，防喘振控制器的设定点位于实际工作点的左侧，并与实际工作点保持一定的跟踪距离，本机组的设定点是以5％的距离跟踪实际工作点。
　　工作点移动，设定点会跟着移动。设定点向右侧安全区的跟踪是及时的，但向左侧移动时，会有一个移动速率限制，本机组设置为2％。也就是说，当工作点左移时，设定点不会马上左移，而是以2％的速率向左移动，最终与工作点保持5％的距离，而且设定点不会越过喘振控制线，即设定点最小值为喘振控制点。
　　当工作点小幅但快速向喘振区方向移动，并越过跟踪区间5％时，防喘振控制器将立即打开防喘振阀。这一设定点跟踪的功能就是为了在恶劣工况下，比如遇到后续工段突然大量减负荷，压缩机出口流量骤减时，起到提前控制的作用，使工作点不会进入喘振区。
　　1.5 非对称响应（阀门快开慢关）
　　防喘振调节阀的过快关闭容易使压缩机进入喘振，为了消除这种不希望的操作工况，控制器中有一个阀门关闭速率限制器，本机组的速率设为5％，当需要关闭阀门时，只能最快以5％/秒的速率来关小阀门，在开阀时则没有这一限制，这样就能使防喘振阀达到快开慢关的目的。论文发表，工作点。
　　1.6 纯比例控制
　　系统有一个纯比例控制，独立于正常PI作用，可强制打开防喘振阀。如果由于工艺过程出现紊乱，工作点移到控制线左方，而正常的PI整定无法提供足够快的响应时，纯比例控制将起作用。该控制是在工作点进入控制线左方一段距离时（本机组为进入安全裕度的70%处，图中阴影部分）开始起作用，打开阀门；当工作点到达喘振线时，使防喘振阀全开。开阀的信号正比于工作裕度的瞬间值与其初始值之差。论文发表，工作点。该比例项通过信号选择器来起作用，也就是说，最终到防喘振阀的输出信号为纯比例控制输出和防喘振控制输出中的最高值。
　　1.7 手动控制
　　有两种可选的手动控制：第1种为全手动控制，它允许忽略喘振控制器的作用而关闭防喘振阀。这种方法在起步和测试阶段很有用，但不能作为正常操作。如果系统被置于全手动操作，喘振控制器将无法开阀来避免喘振，只能通过改变手动操作值来操作。第2种为限权手动控制（部分手动），至阀门的最终输出是由手动操作值与防喘振控制器的输出值进行高选后得出，即哪个使阀开得大就取哪个信号。
　　在手动控制时，若要开阀，会直接将最终输出值置为手动操作值，但若要关阀，输出值会以一定的斜率（5%/s）变化至手动操作值，即在手动状态下也要实现阀门的快开慢关。在全手动时，防喘振控制的输出会跟踪最终输出值（因为最终输出值不一定等于防喘振控制输出值），以便实现手/自动无扰动切换。当由手动切至自动时，最终输出值会以5%/s的速率变化至防喘振控制输出值。
　　1.8 温度、压力补偿
　　Tricon控制系统不仅对压缩机出、入口流量进行温压补偿，还对压缩机本身的运行参数相对于设计参数进行温度和压力补偿,这一功能在下面章节中的工作点计算式中有体现。
　　2 空压机的防喘振控制
　　空压机为陕西鼓风机厂生产的RIK100大型内冷式离心压缩机。论文发表，工作点。喘振检测元件为压缩机喉部差压变送器，机组喘振特性是在现场进行逼喘实验得到的，是喉部差压与出、入口压力的一组数据。
　　按照Triconex的防喘振算法，首先根据实测得到的喘振点数据，换算成控制系统的喘振点，绘制喘振线。然后在绘制出喘振线的基础上，选择合适的工作点计算方法，根据压比测量值，计算出工作点、喘振点和安全区（喘振控制线），再由内置的防喘振控制器进行喘振检测、设定点跟踪、实现喘振控制线校准、纯比例控制、喘振阀快开慢关控制、手/自动切换等功能，最终由高选器对压缩机防喘振控制输出与来自空分装置DCS的远程手动控制信号进行高选，再由高选结果控制防喘振放空阀。
　　空压机工作点的计算：
　　横坐标为压缩机的流量指标，其计算公式为：
　　
　　 Hpct 入口喉部差压
　　 Ps 压缩机入口压力
　　 P 将表压转换为绝压的修正值
　　 Psb 压缩机基准压力(压缩机计算数据表)
　　纵坐标为压缩机的压缩比，即出口压力与入口压力之比，其表达式为：
　　
　　 Pd 压缩机出口压力
　　 Ps 压缩机入口压力
　　由此可见，空压机的工作点与压缩机出口压力、入口压力和入口喉差有关系。论文发表，工作点。
　　
　　3 增压机的防喘振控制
　　增压机为陕西鼓风机厂生产的RZ45型3段式离心压缩机。第1、2段设有1级防喘振控制，第3段也设有1级防喘振控制。第1、2段防喘振流量检测元件为增压机进气流量变送器，第3段防喘振流量检测元件为增压机3段排气流量变送器（在出口换热器之后）。根据机组厂家提供的机组特性曲线，换算出控制系统的喘振点，绘制喘振线。
　　增压机1、2段工作点的计算
　　横坐标：
　　纵坐标：
　　 Hpct 流经孔板处的差压
　　 Psb 压缩机基准绝压(压缩机计算数据表)
　　 Ps 压缩机入口压力
　　 P 将表压转换为绝压的修正值
　　 Pd 压缩机出口压力
　　由此看出，增压机1、2段的工作点与压缩机出口压力、入口压力和入口流量都有关。论文发表，工作点。
　　增压机3段工作点的计算
　　横坐标：
　　纵坐标：
　　 Hpct 流经孔板处的差压
　　 Psb 压缩机基准绝压(压缩机计算数据表)
　　 Ps 压缩机入口压力
Ps-abs-cor 将表压转换为绝压的修正值
　　 Pf-abs-cor 将孔板处表压转换为绝压的修正值
　　 Pfo 流经孔板处的压力
　　 Pfob 孔板基准绝压(孔板计算数据表)
　　 Pd 压缩机出口压力
　　 Tfo 流经孔板处测得的温度
　　 Tfob 孔板基准温度(孔板计算数据表)
　　 Ts 压缩机入口温度
　　 Tsb 压缩机基准温度(压缩机计算数据表)
　　 T-abs-cor 转换为绝对温度的修正值
　　由上述公式可看出，增压机3段的工作点除了与压缩机3段的出口压力、入口压力和出口流量有关外，还与3段出口温度、孔板处的温度和压力有关，其目的是对工作点的横坐标进行压缩机入口压力、温度和流量测量的压力、温度的补偿。
　　由此看来，在正常运行期间如果要处理这些测点的故障，一定要采取相应的保险措施，比如将控制器置“全手动”，来防止防喘振阀误打开，避免降负荷或停车。
　　4 实例分析
　　我们可以分析下面的几个实例，以便更好地理解上面介绍的内容：
　　例1：
　　3段入口温度TI-7621突然升高至150℃，几分钟后又下降，在下降过程中，3段防喘振阀突然打开。此现象是由热电阻故障引起的，在更换热电阻后重新接线时，防喘振阀不时地打开。
　　分析：当入口温度升高时，工作点右移，温度下降时，工作点左移，由于温度下降速度过快，工作点左移的速度也快，这时设定点不会快速左移，而是以2%/s的速度左移，致使工作点跑到设定点的左侧，使防喘振阀打开。
　　例2：
　　增压机一段入口压力PT-7611取压根部阀突然断裂，压力指示为0，工作点移至坐标的右上侧。从另一取压口接导压管至PT-7611变送器，在投表过程中，防喘振阀突然打开。
　　分析：当入口压力为0后，由计算公式得出工作点的横坐标变大，纵坐标也变大，工作点就移到了坐标的右上部。当此压力突然投入，即由0突然增大至运行压力，工作点横、纵坐标会快速减小，工作点迅速左移，这时由于设定点不能及时跟踪，从而使工作点到了设定点的左侧，防喘振阀就会打开。
　　例3：
　　增压机一段入口流量突然为0，防喘振阀全开。此现象是由于流量检测元件威力巴突然断裂造成。
　　分析：流量突然为0，则工作点很快越过控制线及喘振线进入喘振区域，所以防喘振阀快速全开。论文发表，工作点。
　　5 总结
　　本文介绍了作者在渭化机组防喘振控制应用中的一些理解和体会，用于同行们借鉴，更希望能抛砖引玉，得到同行们的指正。 TS3000系统的防喘振功能还有很多，在不同的应用场合选用不同的功能，可以达到最优化的控制目的，这就需要在很多方面更深入地学习，在实践中不断加以摸索和总结。