空壓機的防喘振控制

1、馬鋼30000Nm3/h制氧空壓機的防喘振控制 2009-07-02王勝利張瑜峰(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 243011)1 前言    馬鋼30000Nm3/h制氧空分裝置選用的是SI-EMENS公司的離心式空氣壓縮機，機組的排氣量為165000Nm3/h，出口壓力為0.62MPa(實際工況為0.52MPa)，電機功率15000kW，電機轉(zhuǎn)速1000r/min。機組的監(jiān)控系統(tǒng)采用日本橫河公司的CEN-TUMCS3000 DCS系統(tǒng)，主要由過程控制器FCS、工程師站W(wǎng)S和操作站HIS等構(gòu)成。FCS完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及現(xiàn)場設備的控制等功能；工程師站W(wǎng)S與操作站HI

2、S主要完成編程組態(tài)、數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)控、報警及報表處理等功能。空壓機是整套空分裝置的動力源泉，因此，空壓機的安全平穩(wěn)運行是一項非常重要的指標，而影響此指標的極大危害因素就是空壓機的喘振?？諌簷C的防喘振控制是空壓機整個控制系統(tǒng)中的核心部分，控制復雜，控制精度要求高。2 空壓機喘振的成因   喘振是離心式壓縮機特有的現(xiàn)象，可以從圖1的特性曲線簡單分析一下喘振的周期。壓縮機運轉(zhuǎn)過程中，隨著負載的逐漸增加，出口壓力逐漸升高，流量逐漸減小，壓縮機運行點由D點沿性能曲線逐漸上升到喘振極限A點；隨后，壓縮機出現(xiàn)負流量即出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，運行點由A點開始到B點，倒流到一定程度時，壓縮機出口壓力

3、逐漸下降，運行點從B點到C點，然后又恢復到正向流動C點到D點。這樣，氣流在壓縮機中的來回流動就是喘振。伴隨喘振而來的是壓縮機振動劇烈上升、響聲巨大異常等，如果不能有效控制，會給壓縮機造成嚴重的損傷，當發(fā)生喘振時，需采取措施降低出口壓力或增大機組流量，盡量縮短喘振時間。通過對流量、壓力的調(diào)節(jié)使機組避開這一區(qū)域運行，實行防喘振控制。圖1 壓縮機喘振特性曲線3 空壓機喘振的危害    喘振對壓縮機的危害極大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：    (1)使機組性能顯著惡化，出口壓力和流量大幅波動，破壞了空分裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性。  

4、  (2)使機組各部件承受過高的動應力，加速軸瓦、軸承等滑動部件的機械磨損。尤其對推力軸承產(chǎn)生沖擊力，破壞潤滑油膜的穩(wěn)定性，使軸承合金產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至燒毀。    (3)壓縮機連續(xù)發(fā)生喘振消耗額定功率近40，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴蛊鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)承受高溫，造成部分零部件燒毀變形、密封元件損壞、推力瓦燒毀等，使各級之間壓力失常，振動加劇。4 防喘振控制    壓縮機的防喘振線是在現(xiàn)場試車過程中實測出來的，該空壓機的特性曲線和喘振曲線見圖2。圖2 空壓機特性曲線和喘振曲線    為防止喘振發(fā)生，防喘振控制算

5、法在喘振停車線A右邊設置了一個可變的安全裕量，這樣就可以在運行點達到喘振停車線A之前開始動作，增加壓縮機的流量。也就是在喘振停車線A的右側(cè)增加一條防喘振控制線C，其形狀與喘振停車線A一致，且與喘振線A相距10的差壓量程值。同時為了更好地保護好機組，在喘振控制線C與喘振停車線A之間又加設一條喘振安全線B(與喘振停車線A相距2%的差壓量程值)。該距離越小，放空閥打開的機會就越小，能量損失越少，但對控制系統(tǒng)、閥門的響應時間要求越高。該距離越大，放空閥打開的機會就越大，越能保護好機組安全，但能量損失變大。    當壓縮機運行在喘振控制線C右側(cè)，防喘振閥完全關(guān)閉；當壓縮機運

6、行點即將到達防喘振控制線C時，防喘振算法設計為打開防喘振閥，當運行點緩慢移動時，防喘振控制將以PID回路控制防喘振閥，使運行點保持在非喘振區(qū)域。當工況發(fā)生惡化，運行點進一步移動到喘振安全線B時，防喘振控制程序?qū)⑤敵鲆浑A躍信號，使放空閥的開度遞增20，增加壓縮機的循環(huán)量，使機組快速遠離喘振區(qū)；如果運行點停止移動，控制信號將以指數(shù)函數(shù)慢慢關(guān)閉閥門，直到進入PID控制。    在防喘振控制中采用了多段折線代替直線的防喘振線，使喘振控制線C幾乎與喘振停車線A平行，這樣，最大限度地擴展了壓縮機的安全運行區(qū)域，減少了采用單參數(shù)控制僅是一條直線而造成的不必要的回流，從而節(jié)約了能

7、源。    該系統(tǒng)具有手動/自動的無擾動切換功能，當控制器處于自動模式時，控制器的輸出按照設計好的防喘振控制程序計算結(jié)果執(zhí)行，這時，手動值完全無效。當防喘振控制處于手動模式時，控制程序可以自動檢測操作員送來的信號，并實時與防喘振的程序計算結(jié)果進行比較。如果發(fā)現(xiàn)操作員的操作將導致錯誤的發(fā)生，控制程序則不接受操作員的操作，以保證機組的安全運行。所以，如果手動模式下，現(xiàn)場操作員發(fā)生手動操控失靈的情況，并不一定是系統(tǒng)錯誤，完全可能是系統(tǒng)在避免操作上的失誤。    在調(diào)試過程中，對部分控制方案實施進一步優(yōu)化，在防喘振控制線上設定邊界死區(qū)，這樣當

8、工作點向左緩慢移動，到達防喘振控制線附近但沒有越過?；蛟竭^很少后又自動返回時，如果控制參數(shù)設置的比較靈敏，那么就會出現(xiàn)壓縮機不停的處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，造成工藝條件很不穩(wěn)定。如果設定合適數(shù)值的死區(qū)，如果PV-SV的偏差在設定的范圍內(nèi)，則PID的輸出不變化，這樣可避免小的波動造成不斷的調(diào)整，從而保證了控制的穩(wěn)定性。5 典型控制功能    (1)空壓機防喘振調(diào)節(jié)    空壓機防喘振調(diào)節(jié)由入口差壓和出口壓力構(gòu)成一條喘振曲線，且隨入口溫度的變化而變化，同時設置上限超壓控制，防止出口壓力超過管道的設計壓力，其控制回路圖如圖3所示。  

9、;  FICl019是其中的防喘振控制回路，串級方式工作，其設定值來自喘振控制線，測量值來自入口差壓的計算值(通過入口溫度、出口壓力對差壓的關(guān)系曲線進行綜合運算，由計算塊SPl019來實現(xiàn))，比例積分調(diào)節(jié)，正作用。圖3 控制回路圖    BINl019用于工作點運行至喘振安全線時，放空閥的開度給定在原來給定值的基礎上發(fā)生跳變(20)，使機組快速遠離喘振區(qū)。    PICl021是防超壓控制系統(tǒng)，自動方式工作，比例積分調(diào)節(jié)，正作用。當機組工作在出口壓力比較高的區(qū)域時，就要對出口壓力進行限制，讓其不能超過最高允許壓力值。對于恒壓

10、控制的壓縮機，入口導葉開度的調(diào)節(jié)還不能使出口壓力穩(wěn)定在工況值而繼續(xù)升高并達到某一值時，出口壓力過高保護調(diào)節(jié)器PICl021開始起作用，與防喘振調(diào)節(jié)器FICl019一起通過入口導葉、放空閥的調(diào)節(jié)，保護壓縮機出口壓力不再升高。    HCl019是放空閥手操器，手操給定值高過調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出值時有效。    VEL1019、RAMPl019用于限制放空閥手動打開和關(guān)閉的速率以及壓縮機起停時限制閥門的開度，實現(xiàn)快開慢關(guān)功能。任何一臺機組在發(fā)生喘振時，用戶都希望防喘振控制器能快速響應，快速打開防喘振閥門，以防止危險發(fā)生；但在關(guān)閉閥門的過程中，也希

11、望能慢慢地關(guān)閉，以防止發(fā)生喘振震蕩?？扉_慢關(guān)功能在接到喘振信號后，它能夠快速、及時的打開防喘振閥門，在關(guān)閉閥門時，控制信號也將以指數(shù)函數(shù)慢慢關(guān)閉閥門。    RAMPl019用于起停時限制閥門開度。    SWHl019和SWHl020是信號選擇器，選擇較高的信號輸出。    (2)空壓機入口導葉調(diào)節(jié)為了保證壓縮機排出的空氣壓力恒定，進而維持整個空分裝置的工況穩(wěn)定，采用壓縮機排出壓力定值調(diào)節(jié)入口導葉較為常見。但空壓機是大型壓縮機組，相應的保護控制回路也就較多，綜合以后，就形成了如圖4所示的結(jié)構(gòu)。圖4 保護

12、控制回路    PICl020是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)，反作用。    IICl011是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)，反作用。為防止電機過載，設置了電機過載保護，當電機電流超過額定值時，電機過載保護器IICl011開始與原出口壓力調(diào)節(jié)器PICl021同時疊加一起，調(diào)節(jié)壓縮機的入口導葉開度，保護電機不過載。    HCl011是手操器，用于手動控制閥門開度，但它必須比PICl020的輸出值大，才能被選中起效。    VEL1011、RAMPl011用于限制入口導葉手動

13、打開和關(guān)閉時的速率及機組啟動和停止時的開度限制。    SWHl011是高選器，用于選擇HCl011和PICl020中較大的輸出值作為其輸出。    SWL1011是低選器，用于選擇IIC1O11、SWHl011和RAMPl011中較小的輸出值作為最終輸出。    (3)壓縮機自動控制投入方法    a.操作人員將放空閥的開度操作到接近關(guān)閉(但不要超過控制線)。    b.根據(jù)入口導葉目前的實際開度，比較PICl020和手操器HCl011的輸出值，如果不一致，手動操作到兩輸出值接近相等。    c.將手操器HCl011的輸出值設定到0。    d.根據(jù)工況設定好入口導葉調(diào)節(jié)器PICl020的設定值。    e.將HCl020投入自動，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將HCl019投入串級CAS、PICl021投入自動。