彭海濱

(中國寰球工程公司,北京 100028)

0 引 言

CO2壓縮機是環(huán)氧乙烷裝置中常見的設備,用于乙烯和氧氣反應后的CO2的運輸,由于采用離心式壓縮機,所以不可避免地要涉及壓縮機的防喘振控制和停車系統(tǒng)。被控氣體的壓力和流量大幅度地波動,會破壞工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性,使壓縮機發(fā)生喘振,效率降低,甚至造成爆炸、火災等事故,另外還會影響和壓縮機相連的其他設備的正常運轉(zhuǎn),使一些測量儀表準確性降低,甚至失靈。

下面就防喘振控制所涉及的壓力控制(PC)、流量控制(FC)、電流控制(IC)、用戶直接信號控制(HC)、喘振檢測報警(SDA)以及喘振聯(lián)鎖停車(TS)等方面的復雜控制進行闡述。

1 離心式壓縮機的典型防喘振設計方案

在國家標準規(guī)范中,對離心式壓縮機的防喘振控制有基本要求。對于EO/EG裝置中的CO2壓縮機,由于在其實際試車及開車之前需進行氮氣吹掃運行,故在控制器中必須增加兩者切換功能并改變相應參數(shù),但必須停機才可進行CO2模式和N2模式的切換。圖1為防喘振控制典型流程。為使壓縮機運行穩(wěn)定,需在流量減少的情況下,為壓縮機配備一個喘振閥,用來彌補當前流量與最小體積流量的差異。喘振閥通過流量喘振控制器進行控制。喘振過程取決于各種因素(溫度,壓力等),安全邊緣必須分開喘振線和喘振控制線,以確保穩(wěn)定控制的特性,如圖2所示。

圖1 離心式壓縮機典型防喘振控制方案

圖2 防喘振控制工作原理

2 壓縮機的防喘振控制方案

防喘振控制方案如圖3所示,主要包括:

壓力控制器:如果排放過高壓力,壓力控制器打開喘振閥FCV-001。

流量控制器:如果太靠近喘振控制線,即排放過小流量,流量喘振控制器打開進氣閥ICV 001。

電流控制器:如果電流高,電流控制器限制進氣閥ICV-001開度。

喘振閥手動控制 HC1:DCS模擬輸入給喘振閥,流量喘振控制器或壓力控制器可旁路該信號。

進氣閥手動控制HC2:DCS模擬輸入給進氣閥,電流器可限定該信號。

喘振檢測報警:控制中的每個被檢測到的喘振都將被計數(shù)。如果在控制時間內(nèi),計數(shù)器達到報警喘振的數(shù)目,就會觸發(fā)一個喘振報警。

喘振聯(lián)鎖停車:如果在控制時間內(nèi),SDA計數(shù)器計數(shù)達到壓縮機聯(lián)鎖值,壓縮機即被停車。

圖3 壓縮機防喘振控制方案注:斜率A,斜率B——上升端以3%/s的速度從0升至100%,下降端以3%/s的速度從當前值降至0。斜率A和斜率B原理完全一樣,升和降來自輸入變量

2.1 流量控制

流量從0到100%是由喘振閥和進氣閥控制。依賴于排放壓力,設定流量操作范圍的0到70%是由喘振閥控制,70%至100%是由進氣閥來控制。如果流量高于70%,喘振閥全關,進氣閥就可以在最小操作位置和100%之間進行調(diào)節(jié)。

由于流量喘振控制器的任務是防止壓縮機發(fā)生喘振,故流量喘振控制器的最終調(diào)節(jié)有密碼保護,并由壓縮機制造廠在試車時調(diào)試。流量可由下式得出:

式中 qV——實際流量,m3/h;qV1——溫度補償流量;K——氣體排放常數(shù);ΔpPDT-001——壓縮機的排放壓差,kPa;TTE-001——壓縮機排放側(cè)溫度, K;pPT-001——壓縮機排放側(cè)(表壓)壓力,kPa。

流量喘振控制器設定值S P是一個固定值(“固定喘振線”=喘振線+安全邊緣線),由壓縮機廠商在試車過程中設置。流量喘振控制器比較 S P和PV之差(S P-PV),并且總是希望二者無限接近。一個正向的差值使得控制器的輸出信號增加,喘振閥的開度增大。反之則是需要讓控制器的輸出信號減少,并使得喘振閥關閉。

喘振閥的開啟信號由壓力控制器、送給喘振閥的DCS信號(HC1)和喘振斜率B三者高選后得出。高選后的值經(jīng)由反向功能連接到喘振閥,喘振閥為故障開啟型。流量喘振控制器是一個安全控制器,因此只能在極端操作條件下才起作用,正因為這樣,高選后輸出的反饋返回到壓力控制器和流量喘振控制器。為保證安全,壓力控制器和流量喘振控制器的輸出比高選輸出要低4%,這個數(shù)值可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

如果流量喘振控制器或壓力控制器之一調(diào)至手動(密碼保護),斜率B將降至0,調(diào)至手動的控制器的輸出可以通過手動更改,進而控制喘振閥的開度。如果這兩個控制器都被重置為自動,斜率B將恢復至正常功能,整個系統(tǒng)又可以進入自動工作狀態(tài)。如果壓縮機停機,流量喘振控制器 PV置0,此時測量值和設定值的差值最大,但流量計的監(jiān)測信號要延遲40 s才能停止。

喘振閥的迅速關小或關閉會出現(xiàn)震蕩性喘振,所以要選擇對于信號反應是快開慢關型的防喘振控制閥,也可在壓力控制器中增加一個快開慢關的非對稱輸出單元,即對喘振閥的開度增加速率不限制,但對其減少開度的速率進行限制。另外要求喘振閥為彈簧負載型,故障開啟以減少泄氣量,符合ANSI/FCI 70.2IEC605344的六級密封要求。

2.2 壓力控制

排放壓力控制器的設計要避免壓縮機排放壓力超出最大允許值。壓力控制器比較 S P和 PV的差值,并且總是試圖實現(xiàn)二者無限接近。另外,對于流量喘振控制器控制方案來說,通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法的PID控制可以較好地實現(xiàn)這一控制要求。

2.3 電流控制

電流控制器比較 S P和 PV的差值,穩(wěn)定運行。根據(jù)工程經(jīng)驗,進氣閥的開度為:

式中 P1——電流控制器、DCS信號至進氣閥(HC2)和進氣閥斜率 A三者低選(低選B的輸出);P2——斜率 A和進氣閥最大開度的低選(低選A的輸出)。

電流信號4 mA對應閥門最小開度,20 mA對應閥門最大開度。一個反向的控制誤差(S P＜PV)產(chǎn)生一個逐漸減少的控制器輸出信號(此時進氣閥開度受到限制);而一個正向的控制誤差則產(chǎn)生一個逐漸增加的控制器輸出信號(此時進氣閥開度增大)。

因為電流控制器也是安全控制器,在極端操作條件下才起作用,所以低選B的輸出反饋至電流控制器,為了安全,該電流控制器的輸出電流總是比低選B的輸出要低4%,這個值完全可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整。另外,利用VB編程可以實現(xiàn)進氣閥和喘振閥的信號輸入曲線圖,把二者的中間數(shù)值輸出,通過PID調(diào)節(jié)來處理這些輸出值,可以很好地調(diào)節(jié)進氣閥和喘振閥的開度,詳細設計過程不再贅述。

2.4 喘振閥手動控制

把接收的DCS至喘振閥的信號送至高選,可隨時開啟喘振閥,而不管壓力控制器、流量喘振控制器或排放斜率B對喘振閥關閉的限制。

當壓縮機啟動,并經(jīng)過啟動時間t1,負載為0,進氣閥信號 Z1已達到并超過了其最小操作位置Z2,即低選A的輸入 Z1＞Z2,且進氣壓力大于設定的報警壓力 pAL,此時斜率 B觸發(fā),其斜率從100%到0,喘振閥的開度從100%轉(zhuǎn)為高選控制。

在啟動期間,DCS的 HC1信號送至喘振閥,應被設置為100%,并且可通過DCS施加給過程控制器的啟動斜率來關閉喘振閥。如果卸載為1,或壓縮機關閉,或吸氣壓力 p下降到報警值pAL以下,斜率B觸發(fā),斜率達到100%,喘振閥得以打開。根據(jù)工程經(jīng)驗,喘振閥的打開時間:

式中 d——喘振閥的流通口徑,in(1 in=2.54 cm)。

2.5 進氣閥手動控制

不管電流控制器或斜率A如何限制進氣閥的開啟,把接收的DCS至進氣閥的信號送至低選B,都可隨時關閉進氣閥。進氣閥應為彈簧負載和故障關閉(Fail to Close)型。

當壓縮機啟動,并且達到啟動時間 t1,負載為0,A觸發(fā),從0升到100%,分兩路輸出,一路輸出至低選B;另一路經(jīng)過A,結(jié)合進氣閥最小位置設定值進行輸出。在開車期間,DCS的HC2信號至進氣閥應設置為0,經(jīng)過低選B送至高選,直至喘振閥完全關閉。如果觸發(fā)了卸載為1信號或壓縮機關閉,則斜率A觸發(fā)為0,此時進氣閥將關閉。

如果電流控制器設置為手動(密碼保護),使得斜率A至100%,那么輸出值就可以進行手動更改。如果電流控制器設置為自動,則斜率 A將恢復正常功能。

3 喘振檢測報警SDA及聯(lián)鎖TS

作為流量喘振控制器的備用,壓縮機要配備一個獨立的喘振檢測系統(tǒng),用于緊急停車。其中有三種工作模式可以選擇,即監(jiān)測壓力 pT001變化率;監(jiān)測差壓流量qVT001變化值;第三種是同時對二者進行監(jiān)測。

3.1 監(jiān)測壓力信號的斜率

假定輸入值掃描的周期為30 ms,從這些掃描值中,可以計算出斜率Δh/dt(Δh=h2-h1),即在30 ms內(nèi)的信號改變率。引入掃描的數(shù)量,就可以計算出斜率長度。測量參數(shù)持續(xù)過程須按照特定應用來進行調(diào)整。

實際斜率要與試運行期間的斜率限定值進行比較。根據(jù)壓縮機固有喘振曲線進行分析,對于某一固定轉(zhuǎn)速,其排放壓力和排放流量的曲線是固定的。在排放壓力(或出口和入口壓力比)達到最大時,如果該壓力(或壓力比)減小,同時流量減小,壓縮機進入喘振區(qū),即只有壓力(或壓力比)的反向斜率才被認為是有效喘振。計算值達到或低于第一個斜率限定值,即被檢測為一個喘振,放入計數(shù)器中,用于報警和聯(lián)鎖。在探測到第一次喘振時,隨后的斜率必須要達到第二個限定值,才被計為第二個喘振,此時第一個斜率限定值大于第二個斜率的限定值,如果前者小于后者,說明轉(zhuǎn)速在降低,壓縮機并未進入喘振區(qū),不能記為一次喘振。喘振測量參數(shù)的選擇都要在試車期間經(jīng)過評估和選擇。對每一個壓縮機,第一斜率、第二斜率和用于斜率計算的測量掃描數(shù)量都是確定的,都必須由壓縮機制造廠進行調(diào)整。

3.2 監(jiān)測差壓流量

由于壓縮機在喘振時流量會停滯和逆轉(zhuǎn),整個流量計的差壓會下降,當其低于極限值,便被檢測為一個喘振,導入到計數(shù)器用于報警和聯(lián)鎖。不論何時,只要差壓信號降至限定值以下即被檢測為一個喘振。在下一次檢測到喘振之前,差壓信號必須增加到差壓限定值和差壓限定滯后之和以上。對于每一個壓縮機,差壓限定和差壓限定滯后的值也都是確定的,必須由壓縮機制造廠進行調(diào)整。

3.3 聯(lián)鎖停車

喘振監(jiān)測壓力信號和/或差壓流量信號,一旦壓縮機啟動,并且達到啟動時間,喘振檢測系統(tǒng)即處于激活狀態(tài);當壓縮機關閉,則喘振檢測系統(tǒng)停止。第一個被探測到的喘振將啟動一個時控計數(shù)器。每個被檢測到的喘振都將被計數(shù)。如果在控制時間內(nèi),計數(shù)器達到報警喘振的數(shù)目,就會觸發(fā)一個喘振報警;如果在控制時間內(nèi),計數(shù)器計數(shù)達到壓縮機聯(lián)鎖值,觸發(fā)一個故障聯(lián)鎖,壓縮機即被停車。在控制時間終止之前,如果計數(shù)器沒有達到喘振探測報警和聯(lián)鎖的數(shù)目,該計數(shù)器將被清零。

在控制時間達到之后,復位一次即可消除當前的所有警報。在壓縮機運行期間,存儲的最大探測斜率、第一到第四喘振值和所有探測到的喘振數(shù)都不能被重置,但使用密碼保護屏上的復位鍵將會復位所有報警和聯(lián)鎖。

4 結(jié)束語

防喘振控制對于CO2壓縮機的穩(wěn)定傳送發(fā)揮重要的作用,通過熟悉掌握工藝過程和壓縮機的操作性能,通過采用壓力控制、溫度控制、流量控制、電流控制,結(jié)合串級控制、比例積分控制和非對稱輸出,使壓縮機機組具有足夠的靈活性和可靠的防喘振保護系統(tǒng)。在非滿負荷的工況下,效率最高,操作范圍寬,設備安全。對壓縮機機組控制和保護系統(tǒng)進行組態(tài)和調(diào)試,獲取最合適的控制方案,確定壓縮機機組的診斷系統(tǒng),從而使壓縮機控制系統(tǒng)達到最佳化和最優(yōu)化。

[1] VENTZAS DE,PETROPOULOS G.Industrial Compressor Anti-SurgeComputerControl[J].WorldAcademy of Science,Engineering and Technology,2007,34:7-11.

[2] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京:化學工業(yè)出版社,2000.

[3] 黃浩輝,李德麟.離心式壓縮機防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,1981,8(7):38-45.

[4] KLAUS B,MARYBETH G. Application Guidelinefor Centrifugal Compressor Surge Systems[M].4.3ed.USA:Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute,2008.

[5] 鄭水成,董愛娜.離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)設計探討[J].石油化工自動化,2004,(5):18-19.

[6] Fisher-Emerson Process Management.Optimized Anti Surge Control Valves[G].USA:Fisher-Emerson Process Management,2006.

[7] 魏 華.防喘振控制系統(tǒng)的模型及在甲醇項目中的應用[J].石油化工自動化,2008,44(4):8-12.

[8] 中華人民共和國機械部.G B/T 16941-1997流程工業(yè)用透平壓縮機設計、制造規(guī)范與數(shù)據(jù)表[S].北京:中國標準出版社,1997.

[9] HELVOIRT J V.Centrifugal Compressor Surge,Modeling and Identification for Control[M].Netherlands:Technical University Eindhoven,2007.

[10] 黃鐘岳,于曉放.透平式壓縮機[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.