陳 健，于忠健，梁建偉

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

1 氮氣壓縮機防喘振控制系統(tǒng)簡介

中國石油寧夏石化分公司老化肥裝置氮氣壓縮機組為德國德馬克公司制造的離心式壓縮機，壓縮機的型號為08MH6C+06MY6B。該機組采用雙缸無端結(jié)構(gòu)形式，低壓缸為水平剖分結(jié)構(gòu)，高壓缸為筒形結(jié)構(gòu)。高、低壓缸均由六級葉輪組成（共十二級），共分為5 段，低壓缸為3 段，高壓缸為2 段。該機組的防喘振控制系統(tǒng)原在DCS 中實現(xiàn)。壓縮機組在歷年的使用中多次出現(xiàn)喘振，同時因喘振造成振動高停車，給安全生產(chǎn)帶來嚴重隱患。

2 存在的問題

原防喘振控制是在DCS 中實現(xiàn)的。氮氣壓縮機的防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩個回路組成。1～4 段和5 段各設(shè)有一個防喘振回路（兩個回路的原理和結(jié)構(gòu)相同），該系統(tǒng)的控制方式為Q入≥αP出/P入·Q出，根據(jù)機組的入口質(zhì)量流量和出口質(zhì)量流量相等，以及氣態(tài)狀態(tài)方程、流量測量公式得到控制線的方程（壓縮機的入口溫度和出口溫度基本恒定，視為常數(shù)）≥αP出/P入±β，其中為調(diào)節(jié)器的測量值（KΔP 為入口差壓變送器的流量信號），αP出/P入±β 為調(diào)節(jié)器的給定值，通過調(diào)節(jié)器對防喘振閥進行調(diào)節(jié)和控制。

存在的問題如下：

（1）防喘振控制采用DCS 的PID 控制，控制策略簡單，且不能隨著入口工況的不同而變化。壓縮機的性能曲線是壓縮機入口流量、壓力、溫度、相對分子質(zhì)量等多個變量的有機結(jié)合，它實際不是一條固定不變的曲線，它是根據(jù)入口工況的不同而隨時改變，因此PID控制不能滿足動態(tài)的防喘振控制要求。

（2）DCS 系統(tǒng)控制不能滿足快速的防喘振控制要求。該DCS 系統(tǒng)的運行周期最快為500 ms，而壓縮機由于運轉(zhuǎn)速度很高，導(dǎo)致喘振重復(fù)循環(huán)發(fā)生的時間（喘振周期）很短，初始喘振只有幾十毫秒，故采用DCS 控制不能及時發(fā)現(xiàn)和阻止初始喘振，導(dǎo)致喘振嚴重時，才開始動作。

（3）正常運行時，防喘振閥不能全關(guān)，能耗高。原性能曲線不能在線試驗，為廠家提供的理論曲線，故不能滿足實際工況，從而導(dǎo)致防喘振閥在正常運行時不能全關(guān)，造成功率浪費，經(jīng)濟性降低。

（4）原控制系統(tǒng)在氫壓機跳車時，控制不及時，極易造成氮壓機喘振。因高壓缸質(zhì)量較輕，喘振極易導(dǎo)致其振動快速升高，造成聯(lián)鎖停車。

針對以上問題，為了確保機組的安全穩(wěn)定運行，2017 年大修期間，對氮壓機防喘振控制系統(tǒng)進行了改造，采用了CCC 3++控制系統(tǒng)，解決了原防喘振控制系統(tǒng)所存在的問題[1，2]。

3 CCC 3++控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 防喘振控制器

CCC 3++控制系統(tǒng)采用專用的防喘振控制器，通過專門的防喘振控制算法，根據(jù)入口實際工況，時時對喘振線自動調(diào)整。

該項目設(shè)置的防喘振、性能系統(tǒng)是由兩對冗余防喘振控制器和一對冗余性能控制器組成。兩對防喘振控制器分別用于機組的兩路防喘振回路，控制1～4 段和5 段的防喘振閥，1～4 段設(shè)置兩個四回一防喘振閥（FCV-20011 和FCV-20011），采用分程控制，其目的是為了提高調(diào)節(jié)精度，5 段設(shè)置了五回五防喘振閥（FCV-2002）；性能冗余控制器為放空閥FCV-4 控制。每對控制器均為一備一用，現(xiàn)場信號通過一入兩出安全柵分別進入主、備用控制器，備用控制器的輸出始終跟蹤主控制器，并設(shè)置一入兩出的輸出安全柵，可靠性高。一旦主控制器故障或接入該控制器的信號（回路）故障，自動切換到備用控制器，兩控制器的切換時間僅為5 ms，還可通過冗余控制選擇器或操作畫面的軟切換開關(guān)進行手動切換。

防喘振控制器的采樣周期是5 ms，循環(huán)掃描周期為40 ms（相當于是采八次樣，取平均值后，執(zhí)行一次掃描，執(zhí)行一次程序和一次輸出），能夠及時地采到初始喘振信息，提前動作，避免喘振發(fā)生。

3.2 喘振發(fā)生的直接原因

壓縮機特性決定了在轉(zhuǎn)速一定的條件下，一定的流量對應(yīng)于-定的出口壓力或升壓比，并且在一定的轉(zhuǎn)速下存在一個極限流量—喘振流量。當壓縮機運行中實際流量低于這個喘振流量時，就會發(fā)生喘振，此時流量和壓力劇烈波動，機組強烈振動并伴有間斷的低沉的吼聲，壓縮機不能穩(wěn)定運行，輕則停機，重則設(shè)備損毀。

這些流量、出口壓力、轉(zhuǎn)速和喘振流量的綜合關(guān)系構(gòu)成了壓縮機的特性線，也叫性能曲線。將各轉(zhuǎn)速下特性曲線上所有的喘振點連接起來，就可以得到一條曲線，即為壓縮機的喘振線SLL。壓縮同樣體積流量的氣體時，壓縮機的轉(zhuǎn)速降低、進氣溫度升高、氣體相對分子質(zhì)量減小或進氣壓力降低，都會造成其出口壓力降低，壓縮機的性能曲線就下移，反之，性能曲線上移。凡是能造成壓縮機的工作點落在喘振區(qū)內(nèi)的因素都是發(fā)生喘振的原因。

只要保持在一定轉(zhuǎn)速下流量大于喘振流量就不會發(fā)生喘振。

3.3 防喘振控制器的作用

防喘振控制器的作用是保證操作點在喘振線的右邊，通過打開防喘振閥使足夠的氣體返回到入口，以維持所需的最小的流量?？刂破鞔蜷_控制閥的這一點就叫做喘振控制點。所有這些點匯集起來叫作喘振控制線SCL。無論什么時候，當運行點位于SCL 的左側(cè)時，防喘振閥的開度一定增加。

3.4 防喘振調(diào)節(jié)

CCC 3++控制系統(tǒng)采用PI 調(diào)節(jié)，專門的微分響應(yīng)、RTL 響應(yīng)和SOL 響應(yīng)等來實現(xiàn)防喘振調(diào)節(jié)（見圖1）。

圖1 壓縮機喘振控制曲線圖

（1）SLL：代表喘振發(fā)生點的曲線（喘振線）。當運行點位于SLL 左側(cè)時，壓縮機就會喘振。

（2）SCL：在壓縮機性能曲線圖上DEV 為零的曲線（喘振控制線）。防喘振算法在SLL 右邊設(shè)置了一個可變的安全裕度（總b 值），當運行點到達SCL 而未達到SLL 時，打開防喘振閥，防止喘振。即：如果運行點位于SCL 的左側(cè)，防喘振閥打開；如果運行點位于SCL 右側(cè)，防喘振閥關(guān)閉。

（3）SOL：防喘振控制器確認喘振發(fā)生，并觸發(fā)安全響應(yīng)的曲線（安全響應(yīng)線）。即規(guī)定一個運行極限，當超過這個運行極限，表明喘振已經(jīng)發(fā)生，且觸發(fā)了安全響應(yīng)，將增加SCL 的安全裕度,從而迅速制止喘振（SOL位于SLL 左邊，它們之間的距離為安全響應(yīng)偏置SO）。

（4）RTL：觸發(fā)階梯響應(yīng)的曲線（階梯響應(yīng)線）。

（5）DEV 偏差：喘振控制線SCL 與工作點的距離。偏差為正值說明運行點位于SCL 的右側(cè)，偏差為負值說明運行點位于SCL 的左側(cè)。

（6）b1：初始安全裕度。SCL 和SLL 之間的最小距離。

（7）b2：安全響應(yīng)參數(shù)。每次檢測到喘振時，SCL 右移的距離。

（8）PI 調(diào)節(jié)：防喘振控制器調(diào)節(jié)防喘振閥的基于DEV 偏差值的比例積分閉環(huán)控制響應(yīng)。

（9）微分響應(yīng)（b3）：此響應(yīng)可使SCL 移向壓縮機運行點，其移動距離取決于運行點靠近防喘振控制線的斜率與b3 的乘積。而RTL 保持不變。

使用PI 算法而不使用PID 的算法，是因為即使沒有喘振的風(fēng)險，當壓縮機朝喘振線移動時，微分響應(yīng)也會打開防喘振閥。這樣會引起不必要的回流能量損失。

當出現(xiàn)快速擾動時，通過增加安全裕度，而不會去打開防喘振閥。只有當運行點接近或位于SCL時，才會加大控制響應(yīng)，增加回流流量。這樣，既可以保持工藝穩(wěn)定又能防止喘振發(fā)生。

（10）階梯響應(yīng)（RTL 響應(yīng)）：當PI 響應(yīng)和微分響應(yīng)不能使壓縮機運行點保持在SCL 線的右邊而是運行點瞬間越過了SCL 左邊的RTL 后，則開環(huán)響應(yīng)使防喘振閥以快速階梯的形式迅速打開，從而使運行點重新回到SCL 上，避免了喘振。

（11）本項目中采用的CCC 3++喘振曲線的算法：

CCC 3++系統(tǒng)的防喘振控制是監(jiān)測壓縮機的運行點到喘振線的距離Ss：

當Ss＜1 時，運行點在安全區(qū)域，當Ss＞1 時，進入喘振區(qū)域，Ss=1 時，運行點在SLL 上。

式中：ΔP0，d-計算流量測量值；f1（Rc） -Rc 的特征函數(shù)；f5（U5）-一般的特征函數(shù)（這里是一個常數(shù)）；k-喘振線的斜率；Pd-出口壓力（絕壓）；Ps-入口壓力（絕壓）；Rc-壓縮機壓比=Pd/Ps；Td-出口溫度（絕對溫度）；Ts-入口溫度（絕對溫度）。

3.5 控制策略

（1）針對原控制系統(tǒng)在氫壓機跳車時，控制不及時，易造成氮壓機喘振的情況，利用防喘振控制器出口壓力high Limit 控制策略和入口壓力low Limit 控制策略，通過對最大出口壓力和最小入口壓力的極限控制，來控制整個系統(tǒng)，避免喘振。

（2）四段出口放空控制：對四段出口放空閥設(shè)定壓力高限，當壓力高，則開閥；設(shè)定流量值，當流量低于設(shè)定值，則關(guān)閥。

（3）解耦控制:就是兩個控制器之間進行數(shù)據(jù)交換，可以相互協(xié)調(diào)工作。

包括：（a）FIC-2001 與FIC-2002 之間的解耦。

當5 段發(fā)生防喘振保護，F(xiàn)CV-2002 打開時，會將信息傳給FIC-2001 控制器，F(xiàn)IC-2001 控制器預(yù)測到將要發(fā)生喘振，則提前打開FCV-2001。反之，也一樣。兩個閥門互相影響，當一個閥門開度增大，另一個閥門開度也會增大。

（b）FIC-2002 與FIC-4 之間的解耦。同上所述，當放空閥FCV-4 打開或開大時，F(xiàn)CV-2002 也會打開或開大。

通過以上解耦控制，使這幾個控制回路可以互相協(xié)調(diào)，迅速動作，從而穩(wěn)定系統(tǒng)。

3.6 開工前，在現(xiàn)場進行喘振實測，重新計算氮氣壓縮機喘振線

（1）喘振試驗需在空氣工況和氮氣工況兩種工況下測試，當壓縮機轉(zhuǎn)速達到最小操作轉(zhuǎn)速9 500 r/min時進行。

（2）在四個轉(zhuǎn)速下，即9 500 r/min、10 000 r/min、10 800 r/min、11 300 r/min 下分別實測出壓縮機低壓缸和高壓缸的初始喘振點。試驗前先將防喘振閥全開。在對應(yīng)的轉(zhuǎn)速下，緩慢的減小k（喘振線斜率）、b1 值，逐漸關(guān)小防喘振閥開度。在試驗過程中，密切監(jiān)視壓縮機的運行狀態(tài)，包括軸振動和軸位移情況。當壓縮機振動達到報警值時，立即終止壓縮機喘振試驗，并將振動出現(xiàn)報警時的運行點作為此轉(zhuǎn)速下壓縮機低壓缸或高壓缸的初始喘振點。當壓縮機高、低壓缸達到初始喘振狀態(tài)時，CCC 防喘振控制器會通過階梯響應(yīng)RT 功能自動打開防喘振閥，使壓縮機迅速脫離初始喘振狀態(tài)。

（3）若試驗的過程中，低壓缸壓力達到7.9 MPa（g）（安全閥壓力設(shè)定值8.67 MPa）或高壓缸壓力達到12.26 MPa（g）（安全閥壓力設(shè)定值13.26 MPa（g））時，停止后續(xù)轉(zhuǎn)速的測試。

（4）當實測出全部4 個壓縮機轉(zhuǎn)速下壓縮機低壓缸和高壓缸的初始喘振點后，需對全部初始喘振點進行計算,分別描繪出壓縮機低壓缸和高壓缸的實測喘振線，并輸入至CCC 3++系列防喘振控制系統(tǒng)。

（5）在壓縮機的調(diào)速范圍內(nèi)（9 500～11 800 r/min），對全部控制回路進行精調(diào)工作，包括防喘振系統(tǒng)的階梯（RT）響應(yīng)測試，所有回路PID 整定等。使所有回路均實現(xiàn)全自動運行。

（6）轉(zhuǎn)換到氮氣工況后，按照上述步驟進行氮氣工況的喘振測試。最后進行兩種工況下的喘振線擬合。

4 系統(tǒng)改造達到的效果

（1）采用CCC 3++控制系統(tǒng)，防喘振控制實現(xiàn)了全自動，防喘振控制閥實現(xiàn)了全關(guān)，經(jīng)濟效益顯著。消除了原控制系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)上的缺陷。

（2）減小了操作人員的工作量。

（3）實現(xiàn)了對機組的優(yōu)化控制。自系統(tǒng)改造后，機組未發(fā)生因喘振而發(fā)生的事故。