Solar+spgccs燃?xì)鈮嚎s機(jī)控制系統(tǒng)

1、防喘振和過程控制在氣體壓縮機(jī)上的應(yīng)用1、控制系統(tǒng)一覽1、1生產(chǎn)描述為避免透平驅(qū)動離心式壓縮機(jī)的喘振，Solar公司提出了一個系統(tǒng)控制方案。該系統(tǒng)創(chuàng)建了一個壓縮機(jī)性能的=數(shù)學(xué)模型=以及監(jiān)控的壓縮機(jī)實際工作值和模型中的實時數(shù)據(jù)對比。它建立了一條“喘振線”，顯示了喘振預(yù)期發(fā)生和一個在可控范圍內(nèi)的“控制線”，一般在“喘振線”的10%。如果空壓機(jī)的實際工作值觸及到這條“控制線”，系統(tǒng)將糾正。對硬件要求具備一個帶有防喘振閥門的多層管道圓環(huán)的防喘振管（類似于彈簧的管道圓環(huán)），必要的閥門配件，和測量通過壓縮機(jī)的流量以及吸入口和出口壓力和溫度的相關(guān)儀表。 正確的閥門和儀表的選擇，加上一個合適的管道布置，是系統(tǒng)成

2、功運行的關(guān)鍵。防喘振閥被打開將會觸發(fā)系統(tǒng)糾正動作。這將使得部分管線流程內(nèi)的氣體被回收至壓縮機(jī)入口。這樣可以移動工作點遠(yuǎn)離 “喘振線”。一旦工作點明確在 “死區(qū)線”內(nèi)（通常為“喘 振線” 12%）,系統(tǒng)將會指示“喘振閥”關(guān)。閥門開關(guān)動作速度不對稱，開時快，關(guān)時慢。Solar的系統(tǒng)通常包括：工程上，用最佳控制算法為具體應(yīng)用；對被選擇的壓縮機(jī)進(jìn)行多次的軟件編程和測試；工程中用到的防喘振閥以及備件都包含了閥門在壓縮機(jī)性能評測中在不同的閥位性能圖；工程指定流量計類型和尺寸；評估買方的管道和儀表圖和物理布局；文檔中包括所有的防喘振控制算法和程序常量；改進(jìn)的壓頭與流量控制；手動模式的自動覆蓋；快速去耦合；通

3、過閥開度對喘振預(yù)測；在屏幕上的實時圖形顯示；在屏幕上的實時控制參數(shù)設(shè)定；具備防喘振控制參數(shù)遠(yuǎn)程控制的串行通信；入口流量變送器；入口壓力變送器；出 口溫度 RTD （100Pt）;出口壓力變送器；為買家運輸、安裝。以下組件及信息需要由買方確認(rèn)，以方便防喘振系統(tǒng)的設(shè)計和現(xiàn)場使用操作：預(yù)計壓縮機(jī)運行狀態(tài)范圍，入口壓力（ P 1）,入口溫度（T1）,出口壓力（P2）,流 量，氣體比重；流量計規(guī)格表；買方管道及儀表流程圖 （P&ID）和物理布局圖，包括入口和流程管道尺寸和施工日程;防喘振控制閥及其規(guī)格表，除 Solar提供的以外; 入口氣體溫度信號（100Pt）。1、2集成控制的優(yōu)點Solar的

4、防喘振控制系統(tǒng)完全集成在透平單元的控制面板（ UCP）。這種集成成就了具 有更好的容量與/或燃料控制回路界面，以獲得最佳性能和壓縮機(jī)的安全。所有單元參數(shù)被用于過程控制系統(tǒng)，已根據(jù)壓縮機(jī)的性能和最佳的狀態(tài)進(jìn)行站內(nèi)優(yōu)化。因為防喘振控制是過程控制的一部分，所以類似于變送器、 控制參數(shù)、PV、SP、OUTPUT、SM以及狀態(tài)變量等參數(shù)變量可通過串行通信被應(yīng)用。過程控制、防喘振控制和單元控制一 體化將最大限度減小系統(tǒng)故障的情況。無縫的工藝提供喘振和過程控制從被動模式轉(zhuǎn)換到協(xié) 調(diào)控制模式的控制方式。有了集成控制系統(tǒng)，抗喘振，過程和站控制閥都可以用來避免喘振影響。通過更好的分辨率，更快的響應(yīng)（電涌降低風(fēng)險）

5、，明顯降低的噪音，使得性能更加優(yōu)異。并且由于去除 了冗余，降低了成本。1、3開放的環(huán)境Solar的防喘振控制系統(tǒng)很容易 改變源代碼進(jìn)行修改（改變分配的K值）。當(dāng)氣體條件設(shè)置希望被改變或者壓縮機(jī)被重新投用，這樣的功能就顯得十分重要了。1、4人機(jī)界面Solar的系統(tǒng)提供了一個具有實時顯示防喘振控制相關(guān)所有變量的一個屏幕。防喘振控 制屏還提供了壓縮機(jī)中防喘振回路的工作點數(shù)據(jù)顯示。該功能可以讓操作人員知道如何關(guān)閉正在不穩(wěn)定區(qū)域運轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)。這個系統(tǒng)有手動功能， 可以讓操作人員直接對回路閥門進(jìn)行手動操作。但如果流程上的工作數(shù)值達(dá)到“控制線”，自動控制將會取代手動控制。1、5組件開發(fā)Solar已經(jīng)并繼續(xù)在

6、防喘振控制元件的發(fā)展投入資金。1、5、1控制過程Solar使用由 Allen-Bradley的生產(chǎn)控制處理器的硬件和軟件。 Solar與Allen-Bradley 在 硬件和軟件的開發(fā)方面專門為透平機(jī)控制展開密切合作。這使得喘振控制算法變得更快，更準(zhǔn)確，更復(fù)雜。1、5、2儀表Solar作品不斷地與儀器制造商提高了儀表元件的性能。在流量計方面，Solar的主要重點是與孔板和文丘里使用的低 A-P發(fā)射，因為這些裝置的響應(yīng)速度與其范圍成反比。1、5、3控制閥Solar與閥門制造商不斷致力于提高防喘振控制閥的性能。Solar指定的防喘振控制閥采用非對稱劃線操作。這使閥開口響應(yīng)于被調(diào)諧 超出臨界阻尼，并

7、且保持穩(wěn)定。Solar目前供 應(yīng)的閥門，開發(fā)速度不低于100ms/inch。將來這樣的速度會達(dá)到兩倍，比如，在減少50ms。1、5、4流量計Solar已使用過多種流量測量元件，如孔板，流管，以及文丘里。Solar還在自己生產(chǎn)的壓縮機(jī)以及其他廠家的壓縮機(jī)上使用Solar的葉輪眼流量計。Solar正在致力于在目前使用的葉輪眼流量計上根據(jù)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓力比糾錯方案。1、5、5算法制定Solar以很多不同的形式提供防喘振控制。 防喘振控制算法往往是量身定做的應(yīng)用程序。 這在抗喘振控制系統(tǒng)方面有著統(tǒng)一性，只需改變氣體的條件和壓縮機(jī)配置。Solar定期檢查幾種防喘振控制算法來確定哪一個最適合的應(yīng)用，減少

8、氣體回收。1、6VARIED壓縮機(jī)配置從Solar透平公司出品的防喘振控制很容易適應(yīng)壓縮機(jī)各項安排（串聯(lián)，并聯(lián)，以及兩 者的組合），不同的管路布置，和過程控制方案。由于大量的潛在控制沖突和相互作用，綜合控制顯然是非常適合于這些應(yīng)用。1、6、1喘振檢測除了主要的防喘振控制，喘振檢測算法也被包括在系統(tǒng)里。這個軟件檢測流量的變化，將顯示已發(fā)生喘振事件。該算法為主回路控制提供了輔助，但很少被激活。該功能將保 護(hù)壓縮機(jī)防止有故障或能工作正常但數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的變送器提供不正確的數(shù)據(jù)使得系統(tǒng)受到 干擾。1、6、2服務(wù)Solar在全球范圍內(nèi)提供壓縮機(jī)、透平機(jī)、控制系統(tǒng)的服務(wù)和技術(shù)支持。2、新舊控制系統(tǒng)Solar增

9、強型防喘振控制系統(tǒng)提供了不犧牲可控性的快速系統(tǒng)響應(yīng)。簡要描述了幾個增強跟隨。2、1概覽Solar防喘振控制系統(tǒng)確定在壓縮機(jī)的入口和出口使用壓力變送器和溫度溫度變送器以及流程上流量變送器的數(shù)值，來監(jiān)視壓縮機(jī)的工作點。在較早的算法中，僅根據(jù)通過壓縮機(jī) 流量（Q）和壓縮機(jī)進(jìn)出口差壓（P2 - P1）確定壓縮機(jī) 操作點。新系統(tǒng)比較壓縮機(jī)工作點和壓縮機(jī)喘振極限（理論喘振線）的第三階多項式模型。操作 點和喘振極限的模型，減去保護(hù)余量之間的差，是控制誤差。通過比例和積分（P + I）的算法調(diào)整這種差異，或“誤差”，以提供一控制信號給再循環(huán)閥。在較早的系統(tǒng)中，壓縮機(jī)喘 振極限被定義為一條直線（表達(dá)式y(tǒng) = m

10、x+ b ）,而不是一個多項式方程。2、2喘振極限模型壓縮機(jī)的喘振極限可在數(shù)學(xué)上表示為減少多變壓頭和體積流量。多變壓頭（HP）和流量（Q）的表達(dá)式如下所示：因為許多參數(shù)是共同，因此方程可根據(jù)以下方程簡化:TZSG注：T=溫度；Z=可壓縮氣體；SG=氣體比重。代入方程化簡:折算流量：折算壓頭：Qr =注：hw=流量計差壓。理想氣體表達(dá)式：由于減少了一些參數(shù)來簡化壓頭和流量的方程，在喘振極限模型中，對這些參數(shù)將不再敏感。由于測得的 P1被用于在兩個方面，因此改變壓縮機(jī)的入口壓力被占用。1999年以前，該喘振極限的模型是基于DP與hw,其中DP是壓縮機(jī)的壓差和 hw是流量計差壓。雖然簡單，且適用于管

11、道的應(yīng)用，但還是不夠的改變氣體的環(huán)境條件。壓力，溫 度，或特定的重力補償是困難的，并是的算法復(fù)雜化。2、3單元優(yōu)化和顯示數(shù)據(jù)范圍為減少壓頭和流量被單元化；也就是說，它們被表示為 百分?jǐn)?shù)（0至100%）,而不是尺寸的值都在 X軸和Y軸。這種方法為范圍寬的壓縮機(jī)提供了類似的“喘振線”。對于不同安裝不同現(xiàn)場的防喘振控制來說，變得相似使他們控制起來更加簡單。但是在同一個尺寸的系統(tǒng)里，來自 不同設(shè)備的數(shù)據(jù)的量級會發(fā)生變化。2、4曲線擬合對于單級壓縮機(jī)使用的輕質(zhì)天然氣（管道，銷售質(zhì)量的氣體），直線喘振模型通常是足夠的。但是，運行重型氣體的多級壓縮機(jī)將產(chǎn)生更復(fù)雜的曲線。當(dāng)有著復(fù)雜曲線的喘振極限被一條直線所代

12、替，該保護(hù)余量將會是原來的兩倍。這會導(dǎo)致不必要的循環(huán)利用。新的三次多項式為基礎(chǔ)的系統(tǒng)模型提供準(zhǔn)確的壓縮機(jī)喘振極限，不回收不必要的氣體。根據(jù)壓縮機(jī)廠家的喘振極限數(shù)據(jù) ，三階多項式的系數(shù)是根據(jù)壓縮機(jī)的操作參數(shù)制定的， 具體如下：x = Ay3 + By2 + Cy + D注：x =無流量（Q）項；y=無壓頭（H）的喘振控制算法。常數(shù)，A, B, C和D是常數(shù)或“ K值”確定多項式（見附錄 C）。用于顯示目的（圖1）,該“喘振線”和伴隨控制和“死區(qū)線”被用直線表示?！按?線”是一個與多項式定義的實際曲線相切的線，與在壓縮機(jī)的工作點上減少的壓頭的值相對應(yīng)。2、5壓縮機(jī)運行一個壓縮機(jī)的工作可以在三個參

13、數(shù)來描述： 壓頭，流量和流速。工作點的定義，依據(jù)其 余參數(shù)都不變的情況下，該參數(shù)正常數(shù)值與在喘振出現(xiàn)時的數(shù)值比。 三種最常用的值量程比， 喘振余量，和壓頭喘振。量程比，在壓頭恒定，在工作點處，流量大于喘振流量的比值，（圖 2）。它經(jīng)常被用 于描述壓縮機(jī)的操作安全性，特別是在僅有壓頭和流量被監(jiān)視的。它通常以百分比表示。量程比的另一定義是用來描述壓縮機(jī)的變化幅度，即喘振和扼流圈之間的距離。 在這種情況下，量程比通常被表示為一個比率，比如2: 1。喘振余量，在恒定流速下，在工作點處，流量大于喘振流量的比值，（圖3）。這是一個壓縮機(jī)的運轉(zhuǎn)的安全度的最常見的描述。它通常以百分比表示。壓頭喘振，在恒定流速

14、下，工作壓頭與喘振壓頭的比值。再次，這描述了一種壓縮機(jī)的運轉(zhuǎn)的安全性。它通常以百分比表示。流速損失喘振，在壓頭恒定時，在壓縮機(jī)喘振之前，要多遠(yuǎn)的距離流速會減弱。這種關(guān) 系很好的解釋了再關(guān)斷中避免喘振的問題。如果在壓縮機(jī)兩側(cè)有維持在壓縮機(jī)內(nèi)部的壓力， 減小流速會誘發(fā)喘振。剩下的兩個關(guān)系是壓頭在恒定流量和流速快速下降以及恒定的流量情況下引起喘振。這些關(guān)系是非常有用的。 壓頭由運行的壓縮機(jī)上游和下游的系統(tǒng)設(shè)定。壓頭緩慢變化成正比于流量。只有當(dāng)流速，上游和下游的阻尼保持不變，流量成為常量，并且系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)。其他任何參數(shù)不會對流量的恒定造成影響。Solar的控制系統(tǒng)采用量程比的計算值，以防止壓

15、縮機(jī)喘振。圖1.防喘振控制顯示器J 2J-電 U T enpendLK-U3 匆 n一* j Fnqm FipTTiHYr U IjfSHiCpiU Perl&hL 3 piurpnnplrril-K XiibMKn6VhmlrrjEpni "iararTT-1妙弓國皆已|專；W匚坦£3 £卜1睡z口 hrfiui 即 Barr*：； *etcIWeU CariLnrlsy EllfiChallD YMWvh9匚6七1月陽忖小木壯曲*a rr irp "rrhrg 廣勺 jiivjr ff-rh, =-Q2、6量程比計算器量程比（TD）計算器需要

16、的壓力，溫度和流量的輸入來計算的量程比。量程比是指水 平距離（即在恒定降低壓頭因素）在工作點減弱流量因素和在喘振極限線處減弱流量因素之 間，以百分比的形式，在圖 2中以圖形方式示出并在數(shù)學(xué)上表示如下：TD = 100Or =圖2.量程比2、7喘振余量喘振余量計算以相同的方式，只是QRsrg的值是從恒定流速線和喘振線的交點導(dǎo)出,如圖3:SM = 100 xOr OrOROPQr甲點圖3.喘振余量2.8量程比（可調(diào)范圍）當(dāng)描述在可調(diào)范圍內(nèi)，量程比定義是：re QmaxspefdTD Qsrg注：QMAXSPEED=最大流速下流量（見圖 4）圖4.量程比（可調(diào)范圍）2、9比例和積分控制算法在任何的控

17、制系統(tǒng)中，最大的控制增益由時間常數(shù)或系統(tǒng)共振頻率來限制。如果增益被不斷地增加以提高響應(yīng)，系統(tǒng)振蕩。由于許多系統(tǒng)組件響應(yīng)的非線性， 系統(tǒng)的時間常數(shù)將會 變化。即使系統(tǒng)被初始優(yōu)化調(diào)整，過程條件與 /或設(shè)備隨時間變化，并且系統(tǒng)會振蕩。防喘振控制系統(tǒng)必須 1）避免出現(xiàn)喘振嚴(yán)重的工藝變化和 2）控制的連續(xù)循環(huán)無振蕩或 無間斷?，F(xiàn)成的閥們和變送器必須在流量計運行是不理想的，并控制體積較大的管道系統(tǒng)中使用。通常情況下，通過傳統(tǒng)的單一增益系統(tǒng)，性能的要求不能得到滿足。為了確保避免喘振， 閥門開度加速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了系統(tǒng)的時間常數(shù)。為了返回到正常的過程順利，一個慢得多的閉合速率是必需的。為了實現(xiàn)這些相互矛盾的目標(biāo)，Solar使用兩個增益：高增益用于打開循環(huán)閥和低增益用于關(guān)閉閥門。Solar的防喘振控制器使用常規(guī)比例積分控