白碩,王雪梅,張妍君,龐怡

(中國寰球工程有限公司，北京 100012)

基于MTO烯烴分離裝置壓縮機(jī)防喘振控制研究

白碩,王雪梅,張妍君,龐怡

(中國寰球工程有限公司，北京 100012)

離心式壓縮機(jī)是石油化工中的重要設(shè)備，針對某烯烴分離裝置中的產(chǎn)品氣壓縮機(jī)，概述了壓縮機(jī)的工藝流程，介紹了喘振的危害，對壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的選用、防喘振控制方案進(jìn)行了分析和研究，包括產(chǎn)品氣壓縮機(jī)喘振曲線的確認(rèn)以及防喘振曲線的設(shè)定，并通過實(shí)例詳述了防喘振控制曲線的改進(jìn)措施，為后續(xù)的防喘振方案優(yōu)化提供了可行性方案。

烯烴分離 離心式壓縮機(jī) 防喘振控制 性能曲線

壓縮機(jī)作為石油化工裝置中的動設(shè)備，為裝置的運(yùn)行提供了動力，壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否穩(wěn)定決定了整個裝置的成敗。壓縮機(jī)控制方案對壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

1 工藝流程概述

某680kt/a煤基新材料項目以煤為原料，通過氣化生產(chǎn)甲醇，再通過甲醇制烯烴(MTO)技術(shù)進(jìn)一步將甲醇加工成烯烴及其衍生物，其中烯烴分離裝置設(shè)2臺壓縮機(jī)，分別為產(chǎn)品氣壓縮機(jī)和丙烯氣壓縮機(jī)，均為單軸多級離心式壓縮機(jī)，本文僅針對產(chǎn)品氣壓縮機(jī)的防喘振控制方案進(jìn)行分析和研究。

產(chǎn)品氣壓縮機(jī)對來自MTO裝置的反應(yīng)產(chǎn)品氣進(jìn)行四段壓縮，提高分離的操作溫度，可將產(chǎn)品氣由0.052MPa升壓至3.275MPa。

2 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(CCS)采用TS3000系統(tǒng)，主要包括： TRICON控制器、軸系監(jiān)測系統(tǒng)、跳閘停車系統(tǒng)。CCS負(fù)責(zé)完成產(chǎn)品氣壓縮機(jī)組的啟停、調(diào)速、防喘振控制、負(fù)荷控制、性能控制、聯(lián)鎖保護(hù)和輔助系統(tǒng)監(jiān)控等功能[1]。其中，控制器為冗余、容錯型，用于系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖控制、速度控制、過程控制、防喘振控制及其他輔助控制等。控制器內(nèi)部所有的重要電路均采用三重冗余(TMR)、容錯設(shè)計。特點(diǎn)如下：

1) 每個I/O模塊內(nèi)都包含有3個獨(dú)立的分電路。

2) 采用TMR結(jié)構(gòu)，3個完全相同的通道各自獨(dú)立地執(zhí)行控制程序，而且有專門的硬件/軟件結(jié)構(gòu)，可對輸入/輸出進(jìn)行表決。

3) 支持卡件熱插拔。

4) 每個I/O卡件都帶微處理器，減輕了處理器的工作量。

5) 支持在線診斷。

6) 允許在線做正常的維護(hù)工作等。

3 壓縮機(jī)防喘振控制方案

喘振是離心式壓縮機(jī)在流量減少到一定程度時所發(fā)生的一種非正常工況下的振動，它是介質(zhì)受到周期性吸入和排出的激勵作用而發(fā)生的機(jī)械振動[2]。離心式壓縮機(jī)對氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發(fā)生喘振，喘振時，壓縮機(jī)劇烈振動，可能造成葉輪斷裂、壓縮機(jī)密封損壞等現(xiàn)象發(fā)生[3]。

喘振是壓縮機(jī)損壞的主要誘因之一，具有較大的危害性。因此，離心式壓縮機(jī)必須考慮防喘振控制問題，保證壓縮機(jī)工作在遠(yuǎn)離喘振的工況中[4]。

3.1壓縮機(jī)的喘振周期

當(dāng)壓縮機(jī)工作在預(yù)期性能曲線臨界點(diǎn)左邊時，即工作于不穩(wěn)定區(qū)時，壓縮機(jī)的流量和壓頭在瞬間會發(fā)生不穩(wěn)定的周期性變化的現(xiàn)象[5]。壓縮機(jī)產(chǎn)生的最大壓頭將小于管路中的阻力降，會使流體開始反方向倒流，當(dāng)由管路倒流入壓縮機(jī)，即出現(xiàn)負(fù)流量時，由于壓縮機(jī)在繼續(xù)運(yùn)行，因而當(dāng)管路中壓力降低時，壓縮機(jī)入口又開始有新的流量進(jìn)入，只要壓縮機(jī)入口流量小于臨界點(diǎn)流量時，上述過程將重復(fù)出現(xiàn)[6]。喘振周期內(nèi)，壓縮機(jī)出口壓力pout和入口流量qV-in的關(guān)系曲線如圖1所示，其中：a點(diǎn)指工作點(diǎn)在性能曲線上移動；b點(diǎn)指工作點(diǎn)接近喘振極限點(diǎn)；c點(diǎn)指工作點(diǎn)接近喘振浪涌區(qū)；d點(diǎn)指在pout下，重新建立流動壓降。

圖1 壓縮機(jī)喘振周期pout-qV-in曲線示意

壓縮機(jī)防喘振控制的首要前提是得到喘振曲線。圖1中，qV1為壓縮機(jī)的極限流量，即喘振點(diǎn)的流量，不同轉(zhuǎn)速下的qV1組成了壓縮機(jī)喘振曲線。防喘振控制就是使壓縮機(jī)工作在喘振線右側(cè)的安全區(qū)[7]，當(dāng)壓縮機(jī)負(fù)荷降低時，入口流量將減小，控制器將打開回流閥，使入口流量不小于極限流量。

根據(jù)工藝條件，壓縮機(jī)廠商提供了該壓縮機(jī)在某工況下的1組預(yù)期性能曲線，如圖2所示。在該曲線中查找出壓縮機(jī)喘振點(diǎn)的qV-in和pout等數(shù)據(jù)，包括不同轉(zhuǎn)速下的qV1對應(yīng)的出口壓力，即可找出壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)，壓縮機(jī)喘振點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 壓縮機(jī)喘振點(diǎn)數(shù)據(jù)

由于qV-in和pout成非線性關(guān)系，曲線為拋物線，如果把左側(cè)的極限流量連在一起，會有大部分的空白區(qū)域，不利于防喘振控制。有必要通過坐標(biāo)變換，使得橫縱坐標(biāo)成線性關(guān)系，建立無量綱數(shù)學(xué)模型，使得防喘振控制更為順暢[8]。

圖2 壓縮機(jī)預(yù)期性能曲線

3.2防喘振控制方案

TRICON控制器軟件平臺中主要實(shí)現(xiàn)： 喘振線功能、溫度壓力補(bǔ)償計算、防喘振PID調(diào)節(jié)功能和超弛選擇功能等[9]。以下對壓縮機(jī)機(jī)組的防喘振控制方案進(jìn)行描述。

防喘振控制的核心就是無論壓縮機(jī)的壓比如何變化，均要保證壓縮機(jī)的吸入流量比發(fā)生喘振時的qV1大，只有這樣才能保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行[10]。防喘振控制方案需要關(guān)注以下幾個方面： 喘振線的繪制，快開線、防喘振線的繪制，工作點(diǎn)的計算，流量的溫壓補(bǔ)償計算。

3.2.1喘振曲線的繪制

坐標(biāo)變換后，壓縮機(jī)防喘振控制采用了壓比“pout/pin-Δpin/pin”的表示方法，其中Δpin為壓縮機(jī)入口流量計兩端的壓差值，pin為壓縮機(jī)入口壓力。首先根據(jù)壓縮機(jī)的預(yù)期性能曲線找出各轉(zhuǎn)速下的qV1即為喘振點(diǎn)流量，將其轉(zhuǎn)化為pout/pin-Δpin/pin曲線。

根據(jù)表1壓縮機(jī)喘振點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以將pout-qV-in曲線轉(zhuǎn)換為pout/pin-Δpin/pin曲線。

1) 質(zhì)量流量的計算公式如下：

(1)

式中：qm——質(zhì)量流量，kg/s；C——流出系數(shù)；ε——可膨脹性系數(shù)；β——直徑比，β=d/D；d——節(jié)流件的孔徑，m；D——上下游管道的內(nèi)徑，m；Δp——差壓，Pa；ρ——上游流體密度，kg/m3；K——定值。

2) 體積流量的計算公式如下：

(2)

式中：qV——體積流量，m3/s。

3) 理想氣體狀態(tài)方程的變換：

(3)

式中：p——壓力，Pa；M——摩爾質(zhì)量，g/mol；R——比例系數(shù)，J/(mol·K)；T——溫度，K；下標(biāo)a為操作工況,下標(biāo)b為標(biāo)準(zhǔn)狀況。

4) 喘振點(diǎn)的體積流量qV1的計算公式如下：

(4)

經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化，防喘振坐標(biāo)系橫坐標(biāo)的公式：

(5)

式中：T1——喘振點(diǎn)的溫度。

根據(jù)表1壓縮機(jī)喘振點(diǎn)數(shù)據(jù)及圖2壓縮機(jī)預(yù)期性能曲線，壓縮機(jī)入口溫度Tin，M，qV-in，K為已知參數(shù)，計算出不同轉(zhuǎn)速下Δpin/pin。再找出qV-in對應(yīng)下的pout，算出縱坐標(biāo)的值pout/pin。每個轉(zhuǎn)速下有1個喘振點(diǎn)，將4個喘振點(diǎn)連接一起，并通過x-y軸的交叉點(diǎn)，就可以形成當(dāng)前工況下的喘振曲線。如有多種工況，須找出相對苛刻的喘振點(diǎn)，合并工況畫出喘振曲線。

3.2.2快開線與防喘振線的繪制

1) 防喘振曲線。采用漸進(jìn)方式繪制曲線，在喘振曲線的右側(cè)畫出，按流量的8%作為裕度進(jìn)行計算。

2) 快開曲線。采用漸近線方式繪制曲線，在喘振曲線的右側(cè)畫出，按流量的2%作為裕度進(jìn)行計算。

防喘振裕量的選用需分析整個工藝管網(wǎng)的滯后時間，包括冷卻器的位置對整個回路的影響。如果裕量設(shè)置偏小，起不到防喘振調(diào)節(jié)的作用；若設(shè)置偏大，則縮小了安全區(qū)域，同時工作點(diǎn)的波動會提前引起閥門動作，導(dǎo)致工藝發(fā)生不必要的調(diào)節(jié)。因此，防喘振裕量需要在工廠運(yùn)行中加以修改。

3.2.3工作點(diǎn)的計算

Δpout，Tout，pout，Tin，pin5個變量變化后，工作點(diǎn)Δpin/pin隨之變化。當(dāng)達(dá)到防喘振線時，喘振控制起作用；反之可通過普通PID調(diào)節(jié)控制防喘振閥門，以保證防喘振返回管線的流量值。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，通過式(3)和式(4)，得出：

(6)

(7)

pout/pin也根據(jù)工作點(diǎn)的位置與喘振線比較，進(jìn)行防喘振控制。

3.3流量的溫壓補(bǔ)償

由于壓縮機(jī)內(nèi)產(chǎn)品氣的壓力和溫度會有一定的波動，需要通過溫壓補(bǔ)償方式計算出準(zhǔn)確的流量。

圖3為產(chǎn)品氣壓縮機(jī)防喘振曲線，其中喘振線與防喘振線把壓縮機(jī)工作范圍劃分成安全區(qū)與循環(huán)區(qū)。

圖3 產(chǎn)品氣壓縮機(jī)防喘振曲線

無論任何原因使工作點(diǎn)在性能曲線上移動并到達(dá)防喘振線，防喘振控制系統(tǒng)必須打開防喘振閥。由此壓縮機(jī)入口流量增加，操作點(diǎn)再次移向安全區(qū)，這時防喘振閥關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組聯(lián)鎖停車時，電磁閥失電，閥門氣缸中的儀表空氣迅速放空，防喘振閥快速打開，避免機(jī)組開、停車時發(fā)生喘振。

3.4傳統(tǒng)壓縮機(jī)防喘振控制存在的問題

1) 由于壓縮機(jī)廠商給出的預(yù)期性能曲線是根據(jù)設(shè)計院給出的pin，Tin，M繪制的，它們均為定值，在開車階段或生產(chǎn)階段，無論pin，Tin，M怎樣變化，喘振線和防喘振線的形狀和位置始終固定不變，不能有效補(bǔ)償這3個參數(shù)變化對喘振線、防喘振線和運(yùn)行點(diǎn)造成的影響。

2) 由于喘振曲線不準(zhǔn)確，實(shí)際還未達(dá)到喘振點(diǎn)，但根據(jù)喘振曲線已經(jīng)把防喘振閥門打開，導(dǎo)致防喘振閥門長期回流或放空，造成工藝流程的波動，增加了壓縮機(jī)的能耗，給工廠造成了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3.5防喘振控制方案的改進(jìn)措施

針對傳統(tǒng)壓縮機(jī)防喘振控制存在的問題，有以下改進(jìn)措施：

1) 在開車階段實(shí)測壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)，繪制出喘振曲線，保證壓縮機(jī)的性能。這樣做雖然能得到較好的壓縮機(jī)喘振曲線，但有一定的風(fēng)險，需要壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家配合完成。

改變算法之后，喘振點(diǎn)只與同類型信號的比值有關(guān)，且比值為無量綱，僅需要5個測點(diǎn)信號： Δpin，pin，pout，Tin，Tout，有利于壓縮機(jī)防喘振的精確控制。

3) 增加解耦控制算法。1臺壓縮機(jī)如果有多個防喘振閥，閥門間的動作會相互影響。所以通過解耦控制算法實(shí)現(xiàn)1個閥門動作，同時讓其他閥做出響應(yīng)；否則1個閥動作，所有閥門都動作，將會導(dǎo)致防喘振系統(tǒng)的混亂。

4) 增加微分作用。防喘振的微分作用是為了響應(yīng)工作點(diǎn)的快速變化，微分不是直接作用在PID的輸出上，而是作用在增加防喘振線的安全裕量上，微分響應(yīng)的前提是工作點(diǎn)在安全區(qū)之內(nèi)。

5) 增加工況選擇按鈕。烯烴分離裝置中壓縮機(jī)的設(shè)計工況有很多種，在保證壓縮機(jī)運(yùn)行效率的同時，防止不必要的能源損耗，可以增加工況選擇按鈕，在不同工況時，選用當(dāng)下的防喘振曲線，保證了壓縮機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

文中針對壓縮機(jī)防喘振方案計算方法加以細(xì)化推導(dǎo)，并根據(jù)現(xiàn)有的壓縮機(jī)防喘振控制方案提出了改進(jìn)措施，為下一步的壓縮機(jī)性能提升打下了良好的基礎(chǔ)。

該煤基新材料項目烯烴分離裝置于2016年9月29日一次性開車成功，產(chǎn)品氣壓縮機(jī)和丙烯氣壓縮機(jī)運(yùn)行良好，性能考核之后可以針對壓縮機(jī)的防喘振控制方案加以改進(jìn)。

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ResearchonAnti-surgeControlBasedonMTOOlefinsSeparationUnitforCompressor

Bai Shuo,Wang Xuemei, Zhang Yanjun, Pang Yi

(China Huanqiu Constructing&Engineering Co. Ltd., Beijing, 100012, China)

Centrifugal compressor is an important equipment in petrochemical industry. The product gas compressors of olefins separation unit are introduced. The process of compressor is expounded, the hazards of surge are introduced. The control system selection, anti-surge control scheme of compressor are analyzed and studied, which include the confirmation of the surge curve of product gas compressor and setting of anti-surge curve, the improvement measures of anti-surge control curve are described in detail through actual case. A feasible scheme for the follow-up anti-surge scheme optimization is provided.

olefins separation; centrifugal compressor; anti-surge control; performance curve

TP273

B

1007-7324(2017)05-0025-04

稿件收到日期： 2017-06-08，修改稿收到日期2017-07-30。

白碩(1984—)，男，2010年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國寰球工程有限公司，從事石油化工自動化工程設(shè)計工作，任工程師。