田海，劉澄樹

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

多臺壓縮機防喘振系統(tǒng)控制方法的研究

田海，劉澄樹

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

針對包鋼燃氣廠煤氣加壓站2臺并聯(lián)運行的離心式壓縮機易發(fā)生喘振的問題，根據(jù)防喘振控制系統(tǒng)原理，對原有防喘振控制系統(tǒng)進行改進。2臺壓縮機由原來一臺工頻、另一臺變頻改為2臺同步變頻的運行方式。在流量接近防喘振線時采取變頻恒壓逼近的控制策略，能有效地減少回流閥的開啟次數(shù)和入口的回流流量。在回流閥開度的控制方法上采取Fuzzy-PI雙模控制，使系統(tǒng)獲得較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，并通過Matlab/Simulink仿真證明了其控制的有效性。

離心式壓縮機；喘振；同步變頻；雙?？刂疲籑atlab仿真

喘振是離心式壓縮機或特性曲線呈駝峰狀的大型離心式風(fēng)機在小流量條件下工作時，在葉輪和擴壓器中產(chǎn)生劇烈的氣流分離導(dǎo)致的［1］。喘振時離心壓縮機出口的氣體壓力和流量發(fā)生周期性的劇烈振蕩，造成氣體反向流動，機身連同管網(wǎng)系統(tǒng)也會隨之產(chǎn)生強烈振動，發(fā)生低頻率、高振幅的振蕩現(xiàn)象。喘振會破壞工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時使離心壓縮機自身性能嚴重惡化。喘振會使離心壓縮機振動時損壞零部件，尤其是其軸承、密封環(huán)等；同時還可能使油膜密封的油氣壓差失調(diào)，破壞油膜密封系統(tǒng)。喘振會破壞離心壓縮機機組原有設(shè)計的安裝質(zhì)量，使機組各部件間隙發(fā)生變化，還會使流道系統(tǒng)上的壓力表和入口處流量表示數(shù)發(fā)生大幅度的擺動或使部分儀表失靈。

1 離心壓縮機喘振特性

1.1 喘振的產(chǎn)生

喘振的影響因素較為復(fù)雜。誘發(fā)喘振的直接原因是機組及管網(wǎng)系統(tǒng)的動力學(xué)不穩(wěn)定造成的，包括內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素與離心壓縮機葉輪或擴壓器的氣流分離及旋轉(zhuǎn)失速有關(guān)。當離心壓縮機的入口流量減少到一定程度時，其內(nèi)部氣體的流動情況因失速區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)展而引起喘振［2］。外部因素主要與離心壓縮機的入口流量和管網(wǎng)系統(tǒng)的負荷有關(guān)，同時還與壓縮機的轉(zhuǎn)速、被加壓氣體的溫度、壓力、氣體分子量以及管網(wǎng)阻力和管網(wǎng)容量有直接關(guān)系。當管網(wǎng)壓力大于壓縮機的排氣壓力，會造成氣體從管網(wǎng)倒流回離心壓縮機，并產(chǎn)生周期性的低頻率、大幅度的氣流脈動。誘發(fā)喘振的因素很多，喘振的發(fā)生經(jīng)常是多種因素綜合作用的結(jié)果［3］。

1.2 防喘振控制工藝

包頭鋼鐵公司燃氣廠煤氣加壓站2臺煤氣壓縮機，每臺配接電機功率315 kW，采用2臺變頻器驅(qū)動。運行方式采用一臺工頻恒速運行，另一臺根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的輸出值變頻恒壓運行。防喘振控制策略采取固定極限流量法。防喘振閥（回流閥）的開度控制采用常規(guī)PI控制方法。機組實際運行中喘振的發(fā)生較為頻繁，危害嚴重，甚至發(fā)生煤氣外泄等惡性事故［4］。在對目前國內(nèi)外主流的防喘振控制技術(shù)進行深入研究和借鑒的基礎(chǔ)上，2臺離心壓縮機的防喘振控制方法采用同步變頻恒壓逼近的控制策略；在防喘振閥開度的控制策略上構(gòu)造Fuzzy-PI雙模控制器。

2 壓縮機防喘振控制系統(tǒng)原理

2.1 主動控制方式

主動控制技術(shù)是直接從誘發(fā)喘振的旋轉(zhuǎn)失速和系統(tǒng)失穩(wěn)等內(nèi)部因素著眼，采取措施來抑制誘發(fā)喘振的各種因素［5］。主動控制技術(shù)充分發(fā)揮了離心壓縮機的性能，拓寬了系統(tǒng)穩(wěn)定運行范疇。

現(xiàn)在防喘振主動控制方法大都采用PID模型，使用的執(zhí)行機構(gòu)較多，如返回閥、放風(fēng)閥、回流閥、開度閥等。采用傳統(tǒng)的PID控制算法，需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，鑒于離心式壓縮機PID控制器的數(shù)學(xué)模型難以構(gòu)建，只有采用先進控制技術(shù)，才能更加準確地避免喘振發(fā)生［6］。壓縮機的主動控制方式雖然是目前研究的潮流，但是其真正的實踐應(yīng)用卻尚未普及，仍處于實驗室研究階段。

2.2 被動控制方式

在大型系統(tǒng)的壓縮機防喘振控制方式中，目前均采取被動控制方法。常用的被動控制方法分為固定極限流量法與可變極限流量法2種［7］。

1）固定極限流量法就是使離心式壓縮機的入口流量始終控制在大于某一個定值流量，如圖1中的Q1，從而避免壓縮機進入喘振線左側(cè)區(qū)域（喘振區(qū)）運行。固定極限流量法控制方法簡單，一般適用于固定轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)。缺點是當壓縮機在轉(zhuǎn)速較低的范圍內(nèi)運行時，會造成防喘振閥過早打開且打開次數(shù)增加。這種現(xiàn)象造成不必要的回流循環(huán)，能量浪費嚴重。

圖1 固定極限流量法原理圖Fig.1 Principle diagram of fixed limit flow method

2）可變極限流量法是通過調(diào)速來改變的，因為不同轉(zhuǎn)速工況下其極限喘振流量是1個變數(shù)，它隨轉(zhuǎn)速的下降而變小，通常留有一定安全裕量S，使防喘振調(diào)節(jié)器沿著控制線工作，其防喘振原理如圖2所示。

圖2 可變極限流量法原理圖Fig.2 Principle diagram of variable limit flow method

3 壓縮機防喘振控制系統(tǒng)的改進

同步變頻保持恒壓狀態(tài)的防喘振控制特性曲線如圖3所示。圖3中的n1～n4性能曲線是2臺離心壓縮機并聯(lián)運行、同步變頻的性能曲線。

3.1 同步變頻恒壓逼近喘振線的控制策略

圖3中的喘振線是2臺離心壓縮機在不同轉(zhuǎn)速下同步運行的喘振線。橫坐標為壓縮機的出口流量Q，縱坐標為壓縮機的出口壓力與入口壓力的比值P1/P2。壓縮機正常應(yīng)該運行在喘振線的右側(cè)區(qū)域（穩(wěn)定區(qū)），采用2臺變頻器同步變頻調(diào)速控制方式，并保持恒壓狀態(tài)。若按照可變極限流量法進行控制，當壓縮機以最低轉(zhuǎn)速n4運行到警報線A點，并繼續(xù)向B點移動時，此時安全裕量S=AC。防喘振控制系統(tǒng)改進后，沿著恒壓狀態(tài)線P由A點向D點運行，此時安全裕量S=AD。按照與警報線安全裕量相同的原則進行改進，采用同步變頻恒壓逼近喘振線的控制策略，喘振安全裕量S=DE=AC，其工作點由A點向左移動到E點（AE=CD）時防喘振閥才應(yīng)動作。這樣形成了1條新的變頻恒壓防喘振控制線，改進后2臺離心壓縮機的穩(wěn)定區(qū)較之前有了進一步的擴大，離心壓縮機的性能和效率大大提高。

圖3 同步變頻恒壓逼近的防喘振控制特性曲線Fig.3 The anti-surge characteristic curves of synchronous frequency conversion and constant pressure approximation

3.2 回流閥開度控制的Fuzzy-PI雙?？刂撇呗?/h3>

對于單純的PI控制器系統(tǒng)，在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，2臺壓縮機的同步性較差，控制的超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間較長，控制效果不夠理想。通常的二維模糊控制器具有良好的動態(tài)性能、魯棒性強，但存在著穩(wěn)態(tài)誤差無法消除的缺點。因此，可以將PI控制器與模糊控制器結(jié)合起來構(gòu)成雙?？刂破鳎捎玫腇uzzy-PI雙?？刂仆瑫r具備PI控制的穩(wěn)態(tài)性能和模糊控制的動態(tài)性能，起到良好的控制效果［8］。

將模糊控制器FC和PI控制器并聯(lián)起來，并由控制開關(guān)根據(jù)壓縮機的實際運行狀態(tài)進行模式選擇，其結(jié)構(gòu)如圖4所示［9］。

圖4 模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Fuzzy-PI dual-mode control system

無論是PI控制還是模糊控制，都是進入E點以內(nèi)才開始控制離心壓縮機的回流閥開度，當壓縮機運行區(qū)域進入E點較多，即偏差較大時采用模糊控制調(diào)節(jié)回流閥開度，模糊控制的動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，但是穩(wěn)態(tài)精度低；進入E點較小時，即偏差較小時采用PI控制調(diào)節(jié)回流閥開度，PI控制的特性是穩(wěn)態(tài)精度好，但是動態(tài)響應(yīng)慢。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

防喘振控制系統(tǒng)為了適應(yīng)各種層次工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)的不同需要，控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系大體分為3個層次：設(shè)備層、監(jiān)控層和信息處理層。圖5所示為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系示意圖。

圖5 控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The network structure of the control system

當今企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)以現(xiàn)場總線為主流控制技術(shù)，設(shè)備層的功能是將現(xiàn)場設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的形式掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上，傳送監(jiān)控中心的命令進行操作［10］。由于本項目是一個改進項目，大量底層設(shè)備需要利舊，設(shè)備層大致分為3類，分別是：支持Profibus-DP設(shè)備、支持Modbus協(xié)議和非DP設(shè)備，設(shè)備層作為DP從站集成到控制系統(tǒng)中。Profibus-DP現(xiàn)場總線作為監(jiān)控系統(tǒng)的主干控制網(wǎng)絡(luò)，原有支持Modbus協(xié)議的設(shè)備通過PBM協(xié)議轉(zhuǎn)換傳送到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，非DP設(shè)備通過西門子ET200M+I/O擴展模塊集成到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)控層的主要任務(wù)是完成設(shè)備層的信息采集和控制、對PLC進行本地監(jiān)控以及完成對控制系統(tǒng)功能設(shè)定、報警和打印等功能。控制主站選擇西門子PLC（programmer logic controller），具體型號為CPU412-3H。PLC作為監(jiān)視主站，使用Profibus-DP協(xié)議總線主要完成各工藝環(huán)節(jié)程序的運行、對Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)各DP從站數(shù)據(jù)的實時采集和控制。

信息處理層是通過給CPU412-3H配置專用的以太網(wǎng)通信處理器CP443-1，將CPU412-3H主站內(nèi)的監(jiān)控數(shù)據(jù)有選擇性的集成到企業(yè)局域網(wǎng)中。使管理層能夠?qū)崟r地實現(xiàn)遠程的監(jiān)控、調(diào)度和管理任務(wù)。

在系統(tǒng)正常運行時，閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)根據(jù)下游用戶工藝的變化，及時調(diào)節(jié)管網(wǎng)中的煤氣流量保持恒壓狀態(tài)，以滿足用戶的實際需求。在控制主站S7-400 PLC中設(shè)置PI參數(shù)，PI控制模塊的輸出信號傳送給2臺G120變頻器，使其對2臺并聯(lián)運行的離心式壓縮機的轉(zhuǎn)速同時進行控制。

在整個控制系統(tǒng)中存在著許多物理量，如溫度、壓力、靜葉角、流量以及電機的轉(zhuǎn)速［11］。為了滿足企業(yè)管控一體的任務(wù)需求，煤氣加壓站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息必須能夠無縫地融合到先期建成的企業(yè)局域網(wǎng)，并且通過工業(yè)以太網(wǎng)將系統(tǒng)處理過的實時信息無縫連接到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，以形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。

5 模糊-PI雙?？刂破鞯脑O(shè)計與實現(xiàn)

5.1 模糊-PI雙?？刂破鞯臉?gòu)造

防喘振閥開度模糊-PI雙?？刂破饔蒔I控制器和模糊控制器2部分組成，二者由控制算法切換開關(guān)轉(zhuǎn)換，PI調(diào)節(jié)器和模糊控制器都是通過PLC編程來實現(xiàn)，這樣極大提高了系統(tǒng)的可靠性，能獲得良好的控制效果，模糊-PI雙?？刂破髟斫Y(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 模糊-PI雙?？刂破髟斫Y(jié)構(gòu)框圖Fig.6 The block diagram of the fuzzy-PI dual-mode controller

模糊控制器采用二維結(jié)構(gòu)，反饋流量值與給定流量值的偏差e和偏差的變化率ec作為模糊推理部分的2個輸入信號，通過模糊化、模糊邏輯推理、去模糊化等一系列工作操作，最終得到模糊控制器輸出信號u。模糊推理部分的輸入變量e和ec，模糊論域為［-6，6］，選取三角形為隸屬度函數(shù)曲線。輸出變量為u，模糊論域為［-10，10］。輸入變量e選取6個模糊子集{負大，負中，負小，正小，正中，正大}，相應(yīng)表示為{NB NM NS PS PM PB}；將輸入變量ec選取5個模糊子集{負大，負小，零，正小，正大}，相應(yīng)表示為{NB NS ZO PS PB}；輸出變量u選取7個模糊子集{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，相應(yīng)表示為{NB NM NS ZO PS PM PB}。

5.2 模糊規(guī)則設(shè)計

模糊規(guī)則中蘊含著人類大腦模糊的、豐富的經(jīng)驗判斷，一組好的控制規(guī)則決定了模糊控制器的性能。根據(jù)偏差和偏差變化率的不同狀態(tài)、工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗進行修正，建立合適的模糊規(guī)則表，最終獲取的模糊控制規(guī)則如表1所示［12］。

表1 模糊-PI雙?？刂破鞯哪：刂埔?guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table of Fuzzy-PI dual-mode controller

5.3 模糊-PI控制算法的PLC實現(xiàn)

在模糊-PI控制器的設(shè)計上，是不需要增加另外的硬件和軟件開銷，PI控制器和模糊控制器均是直接采用Profibus-DP現(xiàn)場總線上的CPU412-3H PLC實現(xiàn)其控制功能，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性，同時節(jié)約開發(fā)成本。CPU412-3H內(nèi)集成有多個PID模塊，可通過PID編程向?qū)Щ蛑苯佣x和填寫PID控制回路參數(shù)表，就可以快速地為防喘振閥開度控制設(shè)計1個PI控制器。

為提高系統(tǒng)的實時性，減少PLC算法的程序量，首先借助于Matlab提供的模糊邏輯工具箱直接獲取模糊控制查詢表（模糊控制的輸出結(jié)果），并將該表存儲于PLC的DB數(shù)據(jù)塊內(nèi)，當壓縮機運行區(qū)域進入E點以內(nèi)時，PLC根據(jù)模糊控制器開始動作的流量值（圖3 E點對應(yīng)的流量Q2）再利用事先編好的模糊控制規(guī)則表，經(jīng)過去模糊化直接獲得模糊推理部分最終的輸出值u。

6 防喘振控制系統(tǒng)的對比仿真

在Matlab中用Simulink進行仿真，分別采集PI控制器和模糊-PI雙模控制器對相同的被控對象進行了對比。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)運行過程中受到流量變化信號的干擾，模糊-PI雙模要比PI控制效果更加理想。得出的仿真波形如圖7所示，其中實線為模糊-PI雙?？刂破鞣抡嫦到y(tǒng)結(jié)果，虛線為PI控制階躍響應(yīng)曲線。

圖7 模糊-PI雙模與PI的階躍響應(yīng)曲線Fig.7 Step response curves of Fuzzy-PI dual-mode and PI control

改進的防喘振控制系統(tǒng)投入運行后，生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2臺壓縮機的喘振次數(shù)由每個月平均15次減少到平均1次，機組的安全運行工作區(qū)間和時間大為增加，工作效率全面提升。每個月機組通過防喘振閥的入口回流流量平均降低了91%，節(jié)約了大量的能源，經(jīng)濟效益顯著提高。

7 結(jié)論

2臺同步變頻并聯(lián)運行的壓縮機，較之前的運行方式極大地避免了在低頻小流量情況下喘振的發(fā)生。在接近防喘振控制線采用同步變頻恒壓逼近的控制策略，與固定極限流量法和可變極限流量法相比，進一步擴大了機組的穩(wěn)定運行區(qū)，提高了壓縮機的性能和效率。在回流閥開度的控制方法上采取模糊-PI雙?？刂撇呗?，將模糊控制動態(tài)響應(yīng)速度快和常規(guī)PI控制精度高的優(yōu)點得以完美結(jié)合。與常規(guī)PI控制器相比，模糊-PI雙?？刂破髂芎芎玫亟鉀Q前者上升時間長、超調(diào)量大的缺點，在發(fā)生喘振時對回流閥的控制在實時性、可靠性、自動化水平上均得到較大的改善。

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Research on Control Method of Anti-surge System for Multiple Compressors

TIAN Hai，LIU Chengshu
（Information Engineering College，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Nei Monggol，China）

In view of the problem that two centrifugal compressors running in parallel are easy to surge in a gas pressure station of baotou steel corp，the improvement was done for the original anti-surge control system，according to the anti-surge control system principle.The two compressors had been changed from the working mode that one works on power frequency and the other works on variable frequency to the new working mode that both work on synchronous frequency conversion.In the flow of anti-surge line，the control strategy of variable frequency constant pressure approximation was adopt，operating frequencies of the anti-surge valve were reduced effectively and reflux flow inlet was also reduced.For control method of opening of the anti-surge valve，the Fuzzy-PI dual-mode control was adopted，and the dynamic performance and steady state performance of the system were obtained.The effectiveness of the control is proved by comparing the simulation results.

centrifugalcompressor；surge；synchronousfrequencyconversion；dual-modecontrol；Matlabsimulation

TP273

A

10.19457/j.1001-2095.20171013

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助（2017MS0603）

田海（1968-），男，碩士，副教授，Email：tian680125@163.com

2016-10-24

修改稿日期：2017-01-11