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(tái)壓縮機(jī)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(duì)包鋼燃?xì)鈴S煤氣加壓站2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的離心式壓縮機(jī)易發(fā)生喘振的問(wèn)題，根據(jù)防喘振控制系統(tǒng)原理，對(duì)原有防喘振控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。2臺(tái)壓縮機(jī)由原來(lái)一臺(tái)工頻、另一臺(tái)變頻改為2臺(tái)同步變頻的運(yùn)行方式。在流量接近防喘振線時(shí)采取變頻恒壓逼近的控制策略，能有效地減少回流閥的開(kāi)啟次數(shù)和入口的回流流量。在回流閥開(kāi)度的控制方法上采取Fuzzy-PI雙?？刂?，使系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，并通過(guò)Matlab/Simulink仿真證明了其控制的有效性。

離心式壓縮機(jī)；喘振；同步變頻；雙模控制；Matlab仿真

喘振是離心式壓縮機(jī)或特性曲線呈駝峰狀的大型離心式風(fēng)機(jī)在小流量條件下工作時(shí)，在葉輪和擴(kuò)壓器中產(chǎn)生劇烈的氣流分離導(dǎo)致的［1］。喘振時(shí)離心壓縮機(jī)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(dòng)，機(jī)身連同管網(wǎng)系統(tǒng)也會(huì)隨之產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，發(fā)生低頻率、高振幅的振蕩現(xiàn)象。喘振會(huì)破壞工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)使離心壓縮機(jī)自身性能嚴(yán)重惡化。喘振會(huì)使離心壓縮機(jī)振動(dòng)時(shí)損壞零部件，尤其是其軸承、密封環(huán)等；同時(shí)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(huì)破壞離心壓縮機(jī)機(jī)組原有設(shè)計(jì)的安裝質(zhì)量，使機(jī)組各部件間隙發(fā)生變化，還會(huì)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(dòng)或使部分儀表失靈。

1 離心壓縮機(jī)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(jī)組及管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)葉輪或擴(kuò)壓器的氣流分離及旋轉(zhuǎn)失速有關(guān)。當(dāng)離心壓縮機(jī)的入口流量減少到一定程度時(shí)，其內(nèi)部氣體的流動(dòng)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(jī)的入口流量和管網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷有關(guān)，同時(shí)還與壓縮機(jī)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(dāng)管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)的排氣壓力，會(huì)造成氣體從管網(wǎng)倒流回離心壓縮機(jī)，并產(chǎn)生周期性的低頻率、大幅度的氣流脈動(dòng)。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?xì)鈴S煤氣加壓站2臺(tái)煤氣壓縮機(jī)，每臺(tái)配接電機(jī)功率315 kW，采用2臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行方式采用一臺(tái)工頻恒速運(yùn)行，另一臺(tái)根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的輸出值變頻恒壓運(yùn)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(kāi)度控制采用常規(guī)PI控制方法。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中喘振的發(fā)生較為頻繁，危害嚴(yán)重，甚至發(fā)生煤氣外泄等惡性事故［4］。在對(duì)目前國(guó)內(nèi)外主流的防喘振控制技術(shù)進(jìn)行深入研究和借鑒的基礎(chǔ)上，2臺(tái)離心壓縮機(jī)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(kāi)度的控制策略上構(gòu)造Fuzzy-PI雙?？刂破鳌?/p>

2 壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)原理

2.1 主動(dòng)控制方式

主動(dòng)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(lái)抑制誘發(fā)喘振的各種因素［5］。主動(dòng)控制技術(shù)充分發(fā)揮了離心壓縮機(jī)的性能，拓寬了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行范疇。

現(xiàn)在防喘振主動(dòng)控制方法大都采用PID模型，使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多，如返回閥、放風(fēng)閥、回流閥、開(kāi)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(jī)PID控制器的數(shù)學(xué)模型難以構(gòu)建，只有采用先進(jìn)控制技術(shù)，才能更加準(zhǔn)確地避免喘振發(fā)生［6］。壓縮機(jī)的主動(dòng)控制方式雖然是目前研究的潮流，但是其真正的實(shí)踐應(yīng)用卻尚未普及，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

2.2 被動(dòng)控制方式

在大型系統(tǒng)的壓縮機(jī)防喘振控制方式中，目前均采取被動(dòng)控制方法。常用的被動(dòng)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(jī)的入口流量始終控制在大于某一個(gè)定值流量，如圖1中的Q1，從而避免壓縮機(jī)進(jìn)入喘振線左側(cè)區(qū)域（喘振區(qū)）運(yùn)行。固定極限流量法控制方法簡(jiǎn)單，一般適用于固定轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是當(dāng)壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速較低的范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成防喘振閥過(guò)早打開(kāi)且打開(kāi)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(fèi)嚴(yán)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(guò)調(diào)速來(lái)改變的，因?yàn)椴煌D(zhuǎn)速工況下其極限喘振流量是1個(gè)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(jī)防喘振控制系統(tǒng)的改進(jìn)

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(tái)離心壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)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(tái)離心壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下同步運(yùn)行的喘振線。橫坐標(biāo)為壓縮機(jī)的出口流量Q，縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)的出口壓力與入口壓力的比值P1/P2。壓縮機(jī)正常應(yīng)該運(yùn)行在喘振線的右側(cè)區(qū)域（穩(wěn)定區(qū)），采用2臺(tái)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(jìn)行控制，當(dāng)壓縮機(jī)以最低轉(zhuǎn)速n4運(yùn)行到警報(bào)線A點(diǎn)，并繼續(xù)向B點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，此時(shí)安全裕量S=AC。防喘振控制系統(tǒng)改進(jìn)后，沿著恒壓狀態(tài)線P由A點(diǎn)向D點(diǎn)運(yùn)行，此時(shí)安全裕量S=AD。按照與警報(bào)線安全裕量相同的原則進(jìn)行改進(jìn)，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(diǎn)由A點(diǎn)向左移動(dòng)到E點(diǎn)（AE=CD）時(shí)防喘振閥才應(yīng)動(dòng)作。這樣形成了1條新的變頻恒壓防喘振控制線，改進(jìn)后2臺(tái)離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定區(qū)較之前有了進(jìn)一步的擴(kuò)大，離心壓縮機(jī)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(kāi)度控制的Fuzzy-PI雙?？刂撇呗?/h3>

對(duì)于單純的PI控制器系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)壓縮機(jī)的同步性較差，控制的超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，控制效果不夠理想。通常的二維模糊控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能、魯棒性強(qiáng)，但存在著穩(wěn)態(tài)誤差無(wú)法消除的缺點(diǎn)。因此，可以將PI控制器與模糊控制器結(jié)合起來(lái)構(gòu)成雙?？刂破鳎捎玫腇uzzy-PI雙?？刂仆瑫r(shí)具備PI控制的穩(wěn)態(tài)性能和模糊控制的動(dòng)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(lái)，并由控制開(kāi)關(guān)根據(jù)壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模式選擇，其結(jié)構(gòu)如圖4所示［9］。

圖4 模糊-PI雙模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Fuzzy-PI dual-mode control system

無(wú)論是PI控制還是模糊控制，都是進(jìn)入E點(diǎn)以內(nèi)才開(kāi)始控制離心壓縮機(jī)的回流閥開(kāi)度，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行區(qū)域進(jìn)入E點(diǎn)較多，即偏差較大時(shí)采用模糊控制調(diào)節(jié)回流閥開(kāi)度，模糊控制的動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，但是穩(wěn)態(tài)精度低；進(jìn)入E點(diǎn)較小時(shí)，即偏差較小時(shí)采用PI控制調(diào)節(jié)回流閥開(kāi)度，PI控制的特性是穩(wěn)態(tài)精度好，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

防喘振控制系統(tǒng)為了適應(yīng)各種層次工業(yè)自動(dòng)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(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5 The network structure of the control system

當(dāng)今企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)以現(xiàn)場(chǎng)總線為主流控制技術(shù)，設(shè)備層的功能是將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上，傳送監(jiān)控中心的命令進(jìn)行操作［10］。由于本項(xiàng)目是一個(gè)改進(jìn)項(xiàng)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(chǎng)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(guò)PBM協(xié)議轉(zhuǎn)換傳送到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，非DP設(shè)備通過(guò)西門子ET200M+I/O擴(kuò)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(duì)PLC進(jìn)行本地監(jiān)控以及完成對(duì)控制系統(tǒng)功能設(shè)定、報(bào)警和打印等功能。控制主站選擇西門子PLC（programmer logic controller），具體型號(hào)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(yùn)行、對(duì)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)各DP從站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制。

信息處理層是通過(guò)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?cái)?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(shí)地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控、調(diào)度和管理任務(wù)。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)根據(jù)下游用戶工藝的變化，及時(shí)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(shí)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(hào)傳送給2臺(tái)G120變頻器，使其對(duì)2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)進(jìn)行控制。

在整個(gè)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(jī)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(wú)縫地融合到先期建成的企業(yè)局域網(wǎng)，并且通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將系統(tǒng)處理過(guò)的實(shí)時(shí)信息無(wú)縫連接到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，以形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)。

5 模糊-PI雙?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 模糊-PI雙?？刂破鞯臉?gòu)造

防喘振閥開(kāi)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，PI調(diào)節(jié)器和模糊控制器都是通過(guò)PLC編程來(lái)實(shí)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雙模控制器原理結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 模糊-PI雙模控制器原理結(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(gè)輸入信號(hào)，通過(guò)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(hào)u。模糊推理部分的輸入變量e和ec，模糊論域?yàn)椋?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?yàn)椋?10，10］。輸入變量e選取6個(gè)模糊子集{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(gè)模糊子集{負(fù)大，負(fù)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(gè)模糊子集{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(jì)

模糊規(guī)則中蘊(yùn)含著人類大腦模糊的、豐富的經(jīng)驗(yàn)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(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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雙模控制器的模糊控制規(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(shí)現(xiàn)

在模糊-PI控制器的設(shè)計(jì)上，是不需要增加另外的硬件和軟件開(kāi)銷，PI控制器和模糊控制器均是直接采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線上的CPU412-3H PLC實(shí)現(xiàn)其控制功能，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。CPU412-3H內(nèi)集成有多個(gè)PID模塊，可通過(guò)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(kāi)度控制設(shè)計(jì)1個(gè)PI控制器。

為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(chǔ)于PLC的DB數(shù)據(jù)塊內(nèi)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行區(qū)域進(jìn)入E點(diǎn)以內(nèi)時(shí)，PLC根據(jù)模糊控制器開(kāi)始動(dòng)作的流量值（圖3 E點(diǎn)對(duì)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(guò)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(duì)比仿真

在Matlab中用Simulink進(jìn)行仿真，分別采集PI控制器和模糊-PI雙?？刂破鲗?duì)相同的被控對(duì)象進(jìn)行了對(duì)比。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受到流量變化信號(hào)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(shí)線為模糊-PI雙模控制器仿真系統(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(jìn)的防喘振控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2臺(tái)壓縮機(jī)的喘振次數(shù)由每個(gè)月平均15次減少到平均1次，機(jī)組的安全運(yùn)行工作區(qū)間和時(shí)間大為增加，工作效率全面提升。每個(gè)月機(jī)組通過(guò)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(jì)效益顯著提高。

7 結(jié)論

2臺(tái)同步變頻并聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)，較之前的運(yùn)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(jìn)一步擴(kuò)大了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，提高了壓縮機(jī)的性能和效率。在回流閥開(kāi)度的控制方法上采取模糊-PI雙模控制策略，將模糊控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和常規(guī)PI控制精度高的優(yōu)點(diǎn)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(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大的缺點(diǎn)，在發(fā)生喘振時(shí)對(duì)回流閥的控制在實(shí)時(shí)性、可靠性、自動(dòng)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