李亞倫，李 偉，孫建平

（華北電力大學(xué)自動化系，河北保定 071003）

離心式空壓機(jī)防喘振優(yōu)化

李亞倫，李 偉，孫建平

（華北電力大學(xué)自動化系，河北保定 071003）

針對火電廠離心式空壓機(jī)的喘振預(yù)防及控制策略的優(yōu)化進(jìn)行分析；喘振是離心式空壓機(jī)的固有現(xiàn)象，預(yù)防喘振需要找到空壓機(jī)的空氣流量和出口壓力的喘振曲線，根據(jù)喘振曲線設(shè)計變極限流量控制方案；控制策略采用模糊PID控制，針對不同的壓力偏差區(qū)間找到合適的控制器參數(shù)，實現(xiàn)了空壓機(jī)組適應(yīng)負(fù)荷變化的快速性和穩(wěn)定性。

離心式空壓機(jī)；防喘振；模糊控制；優(yōu)化

離心式空壓機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、電力等行業(yè)。離心式空壓機(jī)具有壓縮效率高、供氣均勻、排氣壓力高等優(yōu)點。在電力行業(yè)中，空壓機(jī)主要提供高壓力的壓縮空氣作為空氣閥門的動力，是必不可少的工業(yè)設(shè)備。如果空壓機(jī)發(fā)生故障，會直接造成整個機(jī)組的停機(jī)，導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備故障和經(jīng)濟(jì)損失?？諌簷C(jī)發(fā)生故障的主要原因是發(fā)生喘振現(xiàn)象，喘振現(xiàn)象嚴(yán)重威脅離心式空壓機(jī)系統(tǒng)的安全，對離心轉(zhuǎn)子及壓縮機(jī)級間的間隙有嚴(yán)重破壞。喘振現(xiàn)象是離心式空壓機(jī)的固有特性，所以要做到主動預(yù)防與控制，才能保證空壓機(jī)的安全穩(wěn)定運行。

在項目中，有5臺英格索蘭CENTAC離心式無油二級空壓機(jī)，這5臺空壓機(jī)通過管道串聯(lián)一起向母管供氣，設(shè)定離母管最近的空壓機(jī)為1＃，其他為2＃，3＃，4＃，5＃。為了保證生產(chǎn)的安全穩(wěn)定，其中的3臺空壓機(jī)正常工作，其余2臺備用。這5臺空壓機(jī)的控制系統(tǒng)是英格索蘭廠家20世紀(jì)90年代生產(chǎn)的，控制設(shè)備落后，操作不便，經(jīng)常發(fā)生喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。為了提高控制水平，決定采用先進(jìn)控制策略優(yōu)化控制系統(tǒng)。新控制設(shè)備采用OMRON的CJ系列PLC及EB 8000觸摸屏，通過MODBUS協(xié)議和上位機(jī)DCS通信，對重要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行實時顯示，如排氣壓力、系統(tǒng)壓力、入口門開度、旁路門開度、電機(jī)電流等數(shù)據(jù)。上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程啟、停，改變設(shè)定壓力和控制器參數(shù)的功能。

筆者提出一種基于變極限流量防喘振結(jié)合模糊PID的控制策略：首先找到機(jī)組自身的喘振曲線，針對喘振曲線設(shè)計極限流量；在保證安全運行的基礎(chǔ)上運用模糊控制來提高空壓機(jī)對壓力響應(yīng)的效率，在特殊情況下能夠保證機(jī)組快速達(dá)到設(shè)定的壓力負(fù)荷。

1 離心式空壓機(jī)的喘振

1.1 喘振產(chǎn)生的原因

空氣進(jìn)入空壓機(jī)后，經(jīng)過離心葉片的壓縮，產(chǎn)生一個壓縮空氣流量，隨著空氣流量的逐漸增長，空壓機(jī)出口壓力也不斷升高。離心式空壓機(jī)的喘振現(xiàn)象是空壓機(jī)內(nèi)部氣體周期性振蕩，同時發(fā)出類似“哮喘”的吼聲，這種現(xiàn)象就是喘振。產(chǎn)生喘振現(xiàn)象的原因是出口壓力上升而空壓機(jī)的空氣流量不能隨著壓力而增加，導(dǎo)致氣流在離心式空壓機(jī)葉片進(jìn)口處與葉片發(fā)生沖擊，使葉片一側(cè)氣流邊界層嚴(yán)重分離，出現(xiàn)漩渦區(qū)，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)脫離或旋轉(zhuǎn)失速［1］。

1.2 喘振曲線

離心式空壓機(jī)的喘振曲線是以橫坐標(biāo)為壓縮空氣流量及縱坐標(biāo)為出口壓力的平滑曲線。在喘振曲線左側(cè)的區(qū)域為喘振區(qū)域，當(dāng)運行在這個區(qū)域時，極有可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。要保證空壓機(jī)安全運行，必須在喘振曲線右側(cè)保持一定穩(wěn)定裕度的工作區(qū)域上運行［2］。實踐中通過不同出口壓力下的喘振實驗來獲得一條精確的喘振曲線，只要找到了穩(wěn)定運行區(qū)域就可以有效避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 防喘振控制原理

離心式空壓機(jī)安全穩(wěn)定的必要條件是使空壓機(jī)運行的空氣流量大于出口壓力下對應(yīng)的最小空氣流量，只要保證了這個條件就可以避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。保證流量的防喘振控制方案有2種：一是固定極限流量法，首先選定極限的出口壓力，找到極限出口壓力相對應(yīng)的極限流量。只要限制最高出口壓力并且保證空壓機(jī)運行時的空氣流量一直保持在極限流量之上，就可避免喘振的發(fā)生；二是變極限流量法，根據(jù)不同的出口壓力對應(yīng)的空氣流量，設(shè)定不同的極限流量。從節(jié)能的角度看，變極限流量法能根據(jù)喘振曲線不停地調(diào)整極限流量，變極限流量法比固定極限流量法能夠節(jié)省許多不必要的能量損失。但從安全穩(wěn)定的角度看，固定極限流量法更加安全穩(wěn)定，能夠使運行的安全區(qū)域保持較大的穩(wěn)定裕度，而且設(shè)計簡單實用。設(shè)計采用兩者結(jié)合的方法預(yù)防喘振，既達(dá)到了安全穩(wěn)定的目的，又實現(xiàn)了節(jié)能的效果［3－5］。

2 離心式空壓機(jī)防喘振設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

設(shè)計使用5臺OMRON的CJ系列PLC，其中每臺PLC設(shè)計模擬量輸入、輸出12點，數(shù)字量輸入、輸出22點，需要一個通信模塊、電源和變壓器?？刂齐娫春蠼又绷骼^電器，設(shè)計目的是防止控制電源切換時空壓機(jī)控制器失電，造成空壓機(jī)停機(jī)的事故。5臺PLC和上位機(jī)DCS采用MODBUS通信，把節(jié)點并聯(lián)在一條通信線上，由于傳輸距離比較遠(yuǎn)，使用RS485的通信端口完成，選擇半雙工的通信方式，實現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視的功能［6］。

2.2 喘振曲線

喘振曲線是根據(jù)出口壓力找到不同壓力值對應(yīng)的極限空氣流量，但依據(jù)實際情況，當(dāng)出口壓力小于實際的系統(tǒng)壓力時壓縮空氣無法打開逆止門，所以不需要把全部曲線繪出，只找到從系統(tǒng)壓力附近開始到最大出力的喘振曲線即可。

防喘振方程可表示為

式中：a，b分別為與壓縮機(jī)性能相關(guān)的常數(shù)；k為氣體絕熱指數(shù)；g為重力加速度；p1為進(jìn)氣壓力；p2為出氣壓力；T為進(jìn)氣溫度；QV為空壓機(jī)進(jìn)氣流量；R為特定氣體常數(shù)。根據(jù)式（1）可以得出，如果要避免喘振的發(fā)生就要控制流量和壓力的關(guān)系，這個關(guān)系曲線為一個拋物線。想要得到這條曲線就必須進(jìn)行喘振實驗，再根據(jù)實驗得到的喘振數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終得到比較精確的二次曲線。實際應(yīng)用中，由于流量計算比較復(fù)雜，在保持出口壓力不變的情況下，如果空壓機(jī)電機(jī)電流越高則進(jìn)氣量越大，證明可以用電機(jī)電流來近似表示進(jìn)氣流量。進(jìn)氣壓力主要受到濾網(wǎng)壓差的影響，但一般進(jìn)氣濾網(wǎng)都會定期更換，能夠保持進(jìn)氣壓力穩(wěn)定，所以主要壓力變化在于出口壓力。喘振曲線可以簡化成關(guān)于電機(jī)電流和出口壓力的二次關(guān)系曲線，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到喘振曲線如圖1所示。

圖1 喘振曲線Fig.1 Surge curve

2.3 離心式空壓機(jī)控制策略

離心式空壓機(jī)控制策略的設(shè)計是根據(jù)其運行特點把空壓機(jī)運行情況進(jìn)行分段，不同的運行情況采用不同的控制策略，分段設(shè)計是根據(jù)出口壓力的壓力等級分成啟動段和運行段。啟動段主要的任務(wù)就是在負(fù)荷突然出現(xiàn)下降時，為了快速增加負(fù)荷，需要快速啟動，所以可以采用固定極限流量法來實現(xiàn)，雖然能量有一些損失，但提高了啟動效率和穩(wěn)定性［7］?？諌簷C(jī)進(jìn)入運行階段時，控制策略采用模糊PID控制，根據(jù)實際壓力值和壓力設(shè)定值的偏差e，設(shè)定不同控制區(qū)間，運用多個不同的PID參數(shù)進(jìn)行控制。

根據(jù)偏差設(shè)定控制區(qū)間：小偏差區(qū)間（0～7 k Pa）、中間偏差區(qū)間（＞7～14 k Pa）、大偏差區(qū)間（＞14 kPa）。進(jìn)入運行階段時根據(jù)偏差大小選擇不同的控制器，其調(diào)度策略見表1。

表1 調(diào)度策略Tab.1 Scheduling strategy

在運行段內(nèi)，采用變極限防喘振控制，根據(jù)實驗得到的喘振曲線，找到曲線中各出口壓力下的防喘振極限流量所對應(yīng)的電機(jī)電流，再加上一定的穩(wěn)定裕度，最終找到極限電流值。把設(shè)定的極限電流值分為2類：一類穩(wěn)定裕度比較大，相對比較安全，設(shè)為極限電流值1；另一類穩(wěn)定裕度比較小，比較容易發(fā)生喘振，設(shè)為極限電流值2。如果在運行中出現(xiàn)低于極限電流值1的情況，立刻切除模糊PID控制器，按設(shè)定的斜坡速率打開入口門，來增加空氣流量避免空壓機(jī)喘振的發(fā)生，直到電機(jī)電流穩(wěn)定在安全區(qū)域后再切回模糊PID控制器；如果在運行中出現(xiàn)低于極限電流值2的情況，立刻切除模糊PID控制器，按設(shè)定的斜坡速率打開旁路門，來迅速增加空氣流量避免空壓機(jī)喘振的發(fā)生，直到電機(jī)電流穩(wěn)定在安全區(qū)域后再切回模糊PID控制器。這樣當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)電流低時先打開入口門，不僅可以進(jìn)一步增加空氣流量，而且進(jìn)一步增加出口壓力，避免直接打開旁路門，防止降低出口壓力造成的能源浪費。

模糊PID控制器采用T－S模型模糊控制器對單元機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行隸屬度函數(shù)分析，隸屬度規(guī)則為

式中：e為壓力差值；n為規(guī)則條數(shù)；m為變量相對應(yīng)的模糊集合；M i為第i個控制器；Aij為功率的模糊集。其隸屬度函數(shù)見圖2。

圖2 隸屬度函數(shù)Fig.2 Membership function

模糊PID參數(shù)的設(shè)置規(guī)則如下。

1）當(dāng)｜e｜較大時，取較大的KP和較小的KD（使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快）且使KI＝0（避免過大超調(diào)）；

2）當(dāng)｜e｜中等時，取較小的KP（使系統(tǒng)響應(yīng)具有小的超調(diào)）；

3）當(dāng)｜e｜較小時，取較大的KP，KI（使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性能）。

3 運行效果

經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計和安裝調(diào)試，5臺離心式空壓機(jī)的PLC對DCS的MODBUS通信，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視，方便了運行人員及時控制負(fù)荷，同時實現(xiàn)了負(fù)荷報警自啟動備用空壓機(jī)的目標(biāo)。空壓機(jī)技改項目完成后要經(jīng)過168 h安全穩(wěn)定運行的檢驗，其中包括對空壓機(jī)的快速啟動、負(fù)荷的躍動、故障時備用空壓機(jī)聯(lián)起等功能的檢測。空壓機(jī)安全穩(wěn)定運行168 h，防喘振的功能也得到了驗證，喘振現(xiàn)象并沒有發(fā)生，在出現(xiàn)極限電機(jī)電流時能夠及時采取措施防止喘振。到目前為止，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，驗證了所采取的措施和控制策略是有效的。

4 結(jié) 語

根據(jù)空壓機(jī)喘振曲線應(yīng)用變極限電流法，能夠有效防止喘振，同時達(dá)到提高電能利用率的效果。在防喘振措施中，把旁路門與入口門開度相結(jié)合，不僅能夠有效提高空氣流量，而且能夠有效維持出口壓力，保障負(fù)荷的穩(wěn)定。控制器采用模糊PID控制策略能夠更好地實現(xiàn)對目標(biāo)負(fù)荷的快速跟蹤，最終達(dá)到離心式空壓機(jī)防喘振與控制策略優(yōu)化的目的。

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Anti－surge optimization of centrifugal compressor

LI Ya－lun，LI Wei，SUN Jian－ping
（Automation Department，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China）

The optimization of surge prevention and control strategies of centrifugal air compressor in power plant is studied.Surge is an inherent phenomenon of centrifugal air compressor，and to prevent the surge needs to find out the surge curvet for the air flow and outlet pressure，which are used to design the change limit flow control.Fuzzy PID control is used for different pressure deviation range to find suitable controller parameters，making the unit adaptable to the load change.

centrifugal air compressor；anti－surge；fuzzy control；optimization

TP273＋.4；TH452

A

1008－1534（2012）04－221－03

2012－04－24

陳書欣

李亞倫（1987－），男，河北滄州人，碩士研究生，主要從事協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方面的研究。