李曉冬,郭建嶺

(中國天辰工程有限公司 儀表電氣部，天津 300400)

壓縮機是石油化工裝置的重要設(shè)備，其中離心壓縮機具有體積小、流量大、質(zhì)量輕、運行效率高、供氣均勻、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點，在石油化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。然而，它也存在一些缺陷，比如易發(fā)生喘振，對氣體的壓力、溫度、流量變化較敏感，工藝過程控制和喘振控制容易耦合、互相干擾等，具有較大的危害。因此，對離心壓縮機的分析及采用先進(jìn)控制技術(shù)顯得尤為重要。

某項目中，冰機裝置制冷劑丙烯氣壓縮采用了二段離心式壓縮機。本文簡要介紹了該套壓縮機控制系統(tǒng)的控制方案及其特點。

1 壓縮機主要控制方案

該丙烯氣壓縮機為兩段離心式壓縮機組，主要控制方案如圖1所示。主要考慮了壓縮機的防喘振控制、壓縮機性能控制、性能-喘振解耦控制，以及壓縮機主電機限電流控制。

圖1中，ps壓縮機入口壓力；ps1為一段壓縮機出口壓力，同時也是二段壓縮機入口壓力；pD為壓縮機出口壓力；pT-4為入口緩沖罐壓力；II-1為壓縮機主電機電流。

1.1 壓縮機防喘振控制

喘振是離心式壓縮機的一種固有特性： 在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓縮機的入口流量小于最小流量時，壓縮機排氣管的壓力比壓縮機內(nèi)部的壓力高，導(dǎo)致氣體瞬時倒流，繼而使壓縮機排出側(cè)的氣體壓力降低，機組內(nèi)部壓力升高，使氣體流量恢復(fù)，直到壓縮機出口壓力再次升高；之后重復(fù)上述過程，周而復(fù)始。盡管壓縮機喘振對下游生產(chǎn)以及壓縮機本身都有較大的破壞作用，但可以通過科學(xué)的防喘振控制技術(shù)，準(zhǔn)確快速地預(yù)測喘振的發(fā)生，并提高壓縮機的工作效率。壓縮機防喘振控制原理如圖2所示，圖2中，橫坐標(biāo)表征喘振流量，由壓縮機入口差壓法流量計測出的差壓值Δp，經(jīng)過溫壓補償和運算后與ps之比。喘振線為壓縮機廠家根據(jù)實驗得出，喘振點即根據(jù)出入口壓力比從曲線中得到的流量，工作點根據(jù)壓縮機出入口壓力比以及流量不同，位于不同的位置，當(dāng)工作點向左側(cè)移動進(jìn)入到喘振線左側(cè)時，喘振控制器將檢測為已發(fā)生喘振，喘振點和工作點之間的距離為喘振裕度。

圖1 壓縮機控制方案示意

圖2 壓縮機防喘振控制原理示意

防喘振控制就是為了確保在當(dāng)前運行條件下保證壓縮機的吸入流量大于最小流量, 阻止喘振的發(fā)生。

該套壓縮機組的防喘振控制的控制功能包括： 兩段壓縮機喘振PID控制，一段壓縮機喘振超馳控制，二段壓縮機補充流量超馳控制，喘振安全裕度校正，以及自動/部分手動/全手動控制。

1.1.1喘振PID控制

兩段壓縮機的喘振PID控制類似，因此以分析一段壓縮機喘振PID控制為例。

喘振PID控制實際上就是喘振裕度的PID控制。喘振PID控制器的測量值(PV)為經(jīng)過溫壓補償?shù)娜肟隗w積流量，減去喘振點對應(yīng)流量；喘振PID控制器的設(shè)定點(SV)并不是一個固定值，它被設(shè)定在防喘振控制線與設(shè)定點徘徊線之間，設(shè)定點徘徊線設(shè)定為控制線加20%，根據(jù)壓縮機工作點所在區(qū)域不同而變化。

壓縮機工作點根據(jù)所設(shè)定區(qū)域范圍不同，采取措施包括以下幾個方面：

1)當(dāng)工作點在設(shè)定點徘徊線右側(cè)且與設(shè)定點距離超過一個預(yù)先設(shè)定值，設(shè)定為5%時，防喘振控制器的設(shè)定點被固定在設(shè)定點徘徊線上，此時防喘振控制器的輸出為零，關(guān)閉防喘振控制閥。

2)當(dāng)工作點在控制線與設(shè)定點徘徊線之間時，防喘振控制器的設(shè)定點低于工作點并以預(yù)先設(shè)定值5%來跟蹤工作點。當(dāng)工作點向左移動時，設(shè)定點并不是立即左移，而是按照程序給定的跟蹤速率(默認(rèn)為1.0%/s)向左移動。如果工作點的移動速率大于設(shè)定點的下降速率且工作點到了設(shè)定點左側(cè)，盡管工作點還沒有到達(dá)控制線，但此時防喘振控制器也將產(chǎn)生輸出，打開防喘振閥，使壓縮機工作點向右移動以避免喘振；而當(dāng)工作點右移到設(shè)定點右側(cè)時，防喘振控制器的輸出減小，防喘振控制閥關(guān)閉，防喘振控制器設(shè)定點則維持設(shè)定值5%跟蹤工作點。

3)當(dāng)工作點移動到防喘振控制線左側(cè)時，防喘振控制器的設(shè)定點被固定在控制線上，工作點低于設(shè)定點，防喘振控制器增大輸出，打開防喘振控制閥以防止喘振發(fā)生。

1.1.2一段喘振超馳控制

壓縮機超馳控制原理示意如圖3所示。當(dāng)一段壓縮機工作點進(jìn)入喘振超馳線左側(cè)時喘振超馳線設(shè)定為安全裕度70%處，壓縮機即將發(fā)生喘振，這時正常的PID控制無法提供足夠快的響應(yīng)，超馳控制開始起作用。超馳控制實際上就是純比例控制，即當(dāng)工作點在喘振超馳線上或右側(cè)時，比例控制器輸出為0，一段壓縮機防喘振閥按照1.1.1節(jié)描述的喘振PID控制方案控制；當(dāng)工作點在喘振線上，比例控制器的輸出為100%；當(dāng)工作點在超馳控制區(qū)域中某一點時，比例控制器的輸出正比于壓縮機工作點跨過喘振超馳線的距離。

圖3 壓縮機超馳控制原理示意

1.1.3二段壓縮補充流量超馳控制

如圖1所示，二段壓縮防喘振控制時，如果二段壓縮機防喘振閥全開但二段壓縮機工作點仍然在喘振控制線左側(cè)，二段壓縮補充流量超馳控制器將打開一段壓縮機防喘振閥對二段壓縮機提供補充流量，使二段壓縮機工作點右移，避免喘振。

二段壓縮補充流量超馳控制就是二段防喘振PID控制器輸出的分程控制原理如圖4所示。分程點設(shè)在二段防喘振PID控制器輸出的80%處。當(dāng)在分程點左邊時，如果二段壓縮機工作點持續(xù)左移，二段防喘振PID控制器通過打開二段防喘振控制閥進(jìn)行二段壓縮機的防喘振PID控制；當(dāng)二段PID控制器輸出達(dá)到分程點時，二段防喘振控制閥全開，此時如果二段壓縮機工作點仍然在喘振控制線左側(cè)，則二段PID控制器輸出繼續(xù)增加，開始打開一段防喘振控制閥，為二段壓縮機提供補充流量，阻止工作點繼續(xù)左移而發(fā)生喘振。

圖4 二段壓縮補充流量超馳控制原理示意

1.1.4安全裕度校正

安全裕度初始設(shè)置為10%。當(dāng)工作點向左移動進(jìn)入喘振線左側(cè)時，喘振控制器將檢測為已發(fā)生喘振，此時需要增加安全裕度，盡早使防喘振控制發(fā)揮作用，避免壓縮機再次產(chǎn)生喘振。當(dāng)系統(tǒng)檢測到第1次喘振，喘振控制線右移2%，安全裕度由原來的10%變成12%；以此類推，如果檢測到第5次喘振，控制線累計右移10%，安全裕度變?yōu)?0%，如果該過程中沒有將喘振計數(shù)器復(fù)位，喘振累計達(dá)到5次后，壓縮機將聯(lián)鎖停機。聯(lián)鎖復(fù)位后，或者在喘振發(fā)生已經(jīng)查明喘振原因后，必須將喘振計數(shù)器復(fù)位，使安全裕度重新回到初始值。

1.1.5防喘振控制器控制模式

防喘振控制器可分為自動/部分手動/全手動控制模式。在自動模式下，二段防喘振控制閥接受的信號為二段防喘振PID控制器輸出經(jīng)過補充流量超馳控制器分程后的輸出(輸入0～80%，輸出0～100%)；一段防喘振控制閥接受的信號為一段防喘振PID控制器輸出，一段喘振超馳控制器輸出，解耦控制器輸出和二段防喘振PID控制器輸出經(jīng)過補充流量超馳控制器分程后輸出(輸入80%～100%，輸出0～100%)的高選。為防止壓縮機波動，當(dāng)一段喘振超馳控制器的輸出高于一段喘振PID 控制器的輸出時，PID 控制器的輸出跟蹤比例控制器的輸出。全手動模式時，輸出選擇模塊選擇手動輸入值作為防喘振閥的開度；半手動模式時，輸出選擇模塊選擇自動控制輸出和手動輸入值的高值作為防喘振閥的開度。

2 壓縮機性能控制

冰機裝置是通過壓縮機壓縮制冷劑丙烯氣，控制冰機出口冷凍水溫度到設(shè)定值，供工藝裝置使用。因此，壓縮機性能控制實質(zhì)上就是冰機出口冷凍水溫度控制。

壓縮機性能控制原理如圖1所示。冰機出口冷凍水溫度控制器TIC-4和壓縮機入口緩沖罐壓力控制器PIC-4構(gòu)成了串級回路，溫度控制器的輸出作為壓力控制器的設(shè)定值，通過壓力控制器的輸出控制壓縮機入口節(jié)流閥的開度，從而實現(xiàn)壓縮機性能控制。

如果冰機出口冷凍水溫度比設(shè)定值高時， TIC-4降低PIC-4的設(shè)定值，PIC-4通過增加入口節(jié)流閥開度，降低入口緩沖罐壓力，從而降低冰機出口冷凍水溫度；如果冰機出口冷凍水溫度比設(shè)定值低時，TIC-4提高PIC-4的設(shè)定值， PIC-4通過降低入口節(jié)流閥開度，增加入口緩沖罐壓力，從而提高冰機出口冷凍水溫度。

2.1 壓縮機性能控制和喘振解耦控制

2.1.1性能控制與防喘振控制的耦合關(guān)系

當(dāng)壓縮機組的性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)獨立設(shè)置時，它們之間就存在耦合關(guān)系。

如上所述，壓縮機組的性能控制是通過冰機出口冷凍水溫度和入口罐壓力構(gòu)成的串級控制實現(xiàn)的。壓縮機入口壓力的變化，通過壓縮機的氣體流量發(fā)生變化，也就使壓縮機的工作點在防喘振控制原理圖上的位置發(fā)生變化，壓縮機工作點的改變，通過防喘振控制器使防喘振控制閥的開度發(fā)生變化，防喘振控制閥的開度變化反過來又會導(dǎo)致壓縮機組的入口壓力發(fā)生變化?？梢姡x心壓縮機組的性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)之間相互影響，存在著很強的耦合關(guān)系。這會使壓縮機組的性能控制系統(tǒng)和防喘振控制系統(tǒng)都不能正常發(fā)揮作用，為此必須對壓縮機組進(jìn)行解耦控制才能使壓縮機組正常、穩(wěn)定地運行。

2.1.2解耦控制

由上述可知，壓縮機耦合現(xiàn)象就是因為在調(diào)整冰機出口溫度以保證壓縮機性能的同時，又改變了防喘振閥的開度防止壓縮機喘振造成的。歸根到底，壓縮機組耦合是因為壓縮機組性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)獨立設(shè)置造成的，解除壓縮機組的耦合就是要將壓縮機的性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)整合為一個解耦控制系統(tǒng)，其目的是防止防喘振控制器的PV低于防喘振控制器的設(shè)定值，避免由防喘振控制器控制防喘振控制閥，而改由解耦控制系統(tǒng)控制防喘振控制閥，這樣就避免了性能控制與防喘振控制同時進(jìn)行，達(dá)到解耦控制的目的。

解耦控制器即可以實現(xiàn)壓縮機的性能控制又可進(jìn)行防喘振控制，并且使性能控制和防喘振控制不能同時進(jìn)行。壓縮機解耦控制原理如圖5所示，解耦控制器實質(zhì)就是動態(tài)分程控制。動態(tài)分程控制的主控變量為壓縮機入口罐壓力，利用壓縮機入口罐壓力控制器的輸出調(diào)整入口節(jié)流閥和防喘振閥開度，既使得壓縮機入口罐壓力既滿足性能控制要求，又避免了壓縮機產(chǎn)生喘振。將壓力控制器控制入口節(jié)流閥開度切換到控制防喘振控制閥開度的切換點稱為動態(tài)分程點(DBP)。當(dāng)壓縮機正常運行時，動態(tài)分程點跟蹤壓力控制器輸出，并保持低于壓力控制器輸出一個給定的裕度，這個裕度稱為跟蹤裕度(一般設(shè)為壓力控制器輸出的1.5%)。動態(tài)分程點是不斷移動的，其移動速率取決于壓縮機的工作點在防喘振控制原理圖上的位置，如圖6所示。

圖5 壓縮機解耦控制原理示意

圖6 動態(tài)分程點位置移動示意

動態(tài)分程點根據(jù)不同區(qū)域所體現(xiàn)位置、措施包括以下幾方面：

1)如果壓縮機工作點在動態(tài)分程點快速線右側(cè)，設(shè)定動態(tài)分程點的下降速率較快，這是因為在這一工作區(qū)域，可以使入口節(jié)流閥開度降低較多而不使壓縮機喘振。

2)如果壓縮機工作點在分程點最大區(qū)域線右側(cè)且在分程點快速線左側(cè)時，設(shè)定動態(tài)分程點下降的移動速率較慢。這是由于這一區(qū)域與喘振控制線較近，在不發(fā)生喘振的前提下壓縮機入口節(jié)流閥開度下調(diào)余量較小，當(dāng)壓縮機工作點以較快速率向左移動且低于動態(tài)分程點時，解耦控制系統(tǒng)停止繼續(xù)減小節(jié)流閥開度，而是通過開大防喘振控制閥開度來維持壓縮機入口罐壓力的穩(wěn)定。

3)如果壓縮機工作點在最大區(qū)域線與最小區(qū)域線之間，則設(shè)定壓縮機動態(tài)分程點的位置不動，等待壓縮機的工作點進(jìn)入到其他工作區(qū)域。

4)當(dāng)壓縮機工作點在最小區(qū)域線的左側(cè)時，設(shè)定解耦控制系統(tǒng)的動態(tài)分程點以較慢速率上升，這是因為這一工作區(qū)域與喘振控制線非常接近，為使壓縮機不發(fā)生喘振，解耦控制系統(tǒng)增加壓縮機入口節(jié)流閥開度，從而提高進(jìn)壓縮機的氣體流量，由于壓縮機入口節(jié)流閥開度增加，使壓縮機入口罐壓力下降，則解耦控制系統(tǒng)的壓縮機入口罐壓力控制器輸出下降，開大防喘振控制閥可使壓縮入口壓力提高，如此可使壓縮機的工作點向右遠(yuǎn)離防喘振控制線。

將動態(tài)分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分程點限定在壓力控制器輸出的50%～100%，當(dāng)解耦控制系統(tǒng)壓力控制器的輸出在動態(tài)分程點時，解耦控制系統(tǒng)使防喘振閥全關(guān)(0)；當(dāng)壓力控制器的輸出在動態(tài)分程點減去50%時，解耦控制系統(tǒng)使防喘振閥全開(100%)。

解耦控制系統(tǒng)的動作過程： 當(dāng)壓縮機的入口罐壓力降低時，壓力控制器的輸出降低，使壓縮機入口節(jié)流閥開度減小，以升高壓縮機的入口罐壓力，當(dāng)入口節(jié)流閥開度減小到即將引起壓縮機喘振時，在利用防喘振控制器控制防喘振控制閥之前，解耦控制器就停止繼續(xù)減小節(jié)流閥開度，而是開啟防喘振控制閥來維持壓縮機入口罐壓力穩(wěn)定，避免在調(diào)整壓縮機轉(zhuǎn)速的同時又調(diào)整防喘振控制閥，這樣就達(dá)到了使壓縮機既能滿足性能要求又使壓縮機不發(fā)生喘振的目的。

3 壓縮機主電機限電流控制

如圖1所示，壓縮機主電機限電流控制為標(biāo)準(zhǔn)PID控制，它通過調(diào)節(jié)入口節(jié)流閥開度防止壓縮機主電機過電流。

壓縮機入口節(jié)流閥接受的信號為解耦控制器輸出和壓縮機主電機限電流控制器輸出的低選。

4 結(jié)束語

本文分析了某項目冰機裝置用離心壓縮機的主要控制方案。應(yīng)用這些控制方案既滿足了壓縮機在各種工藝條件下的性能控制要求，又保證了壓縮機安全穩(wěn)定的運行。