王春 楊武華 伍元?jiǎng)?李楠 顏興

中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057

膨脹壓縮機(jī)是天然氣制冷單元的核心，防喘振控制系統(tǒng)是膨脹壓縮機(jī)的重要組成部分，對(duì)保護(hù)膨脹壓縮的安全運(yùn)行有著舉足輕重的作用。膨脹壓縮機(jī)配置的Foxboro控制器是90年代產(chǎn)品，隨著時(shí)代和技術(shù)的進(jìn)步，其綜合性能已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際要求。為解決原控制器的老化和綜合性能落后的問(wèn)題，該油氣終端裝置通過(guò)大量的調(diào)研和試驗(yàn)，決定采用Logix5000 PLC替代原來(lái)的FoxBoro控制器。

1 膨脹壓縮機(jī)工藝流程設(shè)計(jì)流程與防喘振系統(tǒng)組成

1.1 膨脹壓縮機(jī)工藝流程

壓力1.83MPa，溫度-60℃的天然氣進(jìn)入膨脹端的進(jìn)口，通過(guò)膨脹端膨脹做功后，得到壓力0.3MPa、溫度-105℃的低溫干氣，低溫干氣去一級(jí)冷箱和二級(jí)冷箱冷卻未分離的天然氣，以分離出乙烷以上的較重組分，得到甲烷為主的天然氣干氣，再度進(jìn)入膨脹端的進(jìn)口，以此循環(huán)冷卻。膨脹端會(huì)做功帶動(dòng)壓縮端壓縮之前換熱升溫后的干氣去下游用戶(hù)。由于其本身固有物理特性，天然氣干氣在壓縮端壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，因此需要安裝防喘振控制系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到抑制防喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生。文章將就如何控制防喘振現(xiàn)象展開(kāi)探討。

1.2 反喘振控制器控制框圖

FOXBORO邏輯控制器（FIC-B440）通過(guò)控制壓縮端進(jìn)出口的旁通控制閥FV-B440達(dá)到防喘振的目的；壓縮端進(jìn)出口差壓變送器PDT-B440測(cè)量壓縮端進(jìn)出口的差壓，并將信號(hào)傳送到 FIC-B44O；同時(shí)流量變送器（FT-B440）檢測(cè)壓縮端進(jìn)口流體的流量，也將信號(hào)傳送至FIC-B440?？刂破鱂IC-B440對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并通過(guò)輸出一個(gè)信號(hào)控制旁通控制閥FV-B440的開(kāi)度將此比率保持在預(yù)設(shè)定的范圍內(nèi)，從而避免壓縮端進(jìn)口流量過(guò)低，達(dá)到防止喘振的目的，見(jiàn)圖1。

圖1 防喘振控制器控制框圖

2 離心式壓縮端喘振產(chǎn)生機(jī)理

一般而言，壓縮端和設(shè)備之間存在制約關(guān)系，當(dāng)流量變大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，氣流傳輸脫離實(shí)際運(yùn)行模式，增壓輪內(nèi)部會(huì)持續(xù)進(jìn)行做攻運(yùn)動(dòng)，提升旋轉(zhuǎn)速度，但由于在運(yùn)行中，損耗大量能力，使得機(jī)身內(nèi)壓力降低，導(dǎo)致機(jī)器的端口部位壓力降低，管網(wǎng)的網(wǎng)容量比較大，壓力引起反應(yīng)比較小，而且還會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，當(dāng)管網(wǎng)系統(tǒng)壓力數(shù)值過(guò)高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣體倒流問(wèn)題。使得增壓端壓力逐漸上升，再次出現(xiàn)氣流倒流現(xiàn)象，最終停止倒流，為了保障機(jī)器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，增壓透平膨脹機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行供氣，這時(shí)管網(wǎng)內(nèi)的氣流會(huì)逐漸增加，會(huì)發(fā)出喘氣的聲音，不斷增加端口壓力時(shí)，該機(jī)器會(huì)逐漸振動(dòng)起來(lái)，對(duì)設(shè)備造成極大損傷，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為喘振現(xiàn)象。

3 防喘振曲線(xiàn)分析

喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，產(chǎn)生喘振的原因必須得從特性上找。如圖2中可見(jiàn)壓縮機(jī)的壓縮比P2/P1與流量Q的曲線(xiàn)上都有一個(gè)P2/P1比值的最高點(diǎn)。在最高點(diǎn)右面的曲線(xiàn)上面工作，壓縮機(jī)是穩(wěn)定的。在曲線(xiàn)左面低流量范圍內(nèi)，由于氣體的壓縮范圍較大，產(chǎn)生了一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)流量逐漸減小到喘振線(xiàn)時(shí)，一旦壓縮比下降，使流量進(jìn)一步減小，由于輸出管線(xiàn)中氣體壓力高于壓縮機(jī)出口壓力，被壓縮了的氣體很快倒流入壓縮機(jī)，待管線(xiàn)中壓力下降后，氣體流動(dòng)方向又反過(guò)來(lái)，周而復(fù)始便產(chǎn)生喘振。如果喘振強(qiáng)烈時(shí)，壓縮機(jī)將會(huì)嚴(yán)重破壞。

圖2 喘振曲線(xiàn)圖

4 防喘振自控系統(tǒng)的可行性分析

要使壓縮機(jī)能夠保持安全有效地運(yùn)行，在負(fù)荷較低下時(shí)，其氣量應(yīng)始終保持在喘振區(qū)右邊并留有一定的安全裕量，只要保證壓縮機(jī)吸人流量大于臨界吸入量QP，系統(tǒng)就會(huì)工作在穩(wěn)定區(qū)，不會(huì)發(fā)生喘振。因此須將部分出口氣體，經(jīng)出口旁路閥放空，但是如果旁通回路倒回入進(jìn)口的氣體越多越能避免喘振發(fā)生，但是這樣出口增壓的效率會(huì)降低，而且回流越多，效率越低，違背了增壓的初衷，因此保證需要既防止喘振，又保證增壓效率，必須使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定區(qū)，并且需要根據(jù)實(shí)際計(jì)算出最佳方案即防喘振算法。

5 防喘振的實(shí)現(xiàn)方法

一般使用兩類(lèi)防喘振方法，即固定極限流量法與可變極限流量法。

5.1 固定極限流量法

固定極限流量的防喘振控制系統(tǒng)，就是使壓縮機(jī)的出口流量保持大于一定值流量（圖2中的QP），避免進(jìn)入喘振區(qū)導(dǎo)致曲線(xiàn)振動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，回路控制部件少。缺點(diǎn)是當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，處在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，防喘振控制系統(tǒng)投用過(guò)早，回流量較大，能耗較大，效率降低。

5.2 可變極限流量法

在壓縮機(jī)負(fù)荷通過(guò)調(diào)速來(lái)改變的場(chǎng)合，因?yàn)椴煌D(zhuǎn)速工況下，極限喘振流量是一個(gè)變量，它隨轉(zhuǎn)速的下降而變小，所以此時(shí)防喘振控制方法，應(yīng)是留有一定的安全裕量，使防喘振調(diào)節(jié)器的輸出值沿著喘振極限流量曲線(xiàn)右側(cè)的一條安全控制線(xiàn)工作。

6 基于Logix5000 的防喘振控制器的解決方案

6.1 Logix5000 防喘振控制的主要機(jī)制

喘振圖說(shuō)明：

（1）喘振圖中縱坐標(biāo)為壓比，橫坐標(biāo)為入口壓力補(bǔ)償后的流量差壓。

（2）紅色線(xiàn)是喘振線(xiàn)，綠色是控制線(xiàn)。

（3）綠色十字點(diǎn)表示實(shí)際工作點(diǎn)，隨實(shí)際的流量壓差及出入口壓比而移動(dòng)。

（4）黃色十字點(diǎn)表示盤(pán)旋控制點(diǎn)。

a）控制線(xiàn)移位

如果系統(tǒng)檢測(cè)到工作點(diǎn)越過(guò)喘振線(xiàn)，說(shuō)明已經(jīng)發(fā)生喘振，喘振控制線(xiàn)將被自動(dòng)右移一個(gè)校準(zhǔn)量。系統(tǒng)可設(shè)置校準(zhǔn)量為一個(gè)固定值或一個(gè)比值。

b）PI控制

最基本的防喘振控制采用PI控制，它將所測(cè)得的實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行比較后，使用比例積分方法控制。

c）設(shè)定點(diǎn)跟蹤

當(dāng)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在喘振控制線(xiàn)右方（安全區(qū)域）時(shí)，防喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)位于實(shí)際工作點(diǎn)的左側(cè)，并與實(shí)際工作點(diǎn)保持一定的跟蹤距離。

d）非對(duì)稱(chēng)響應(yīng)

防喘振調(diào)節(jié)閥的過(guò)快關(guān)閉容易使壓縮機(jī)進(jìn)入喘振，為了消除這種工況，控制器中有一個(gè)閥門(mén)關(guān)閉速率限制器，在開(kāi)閥時(shí)則沒(méi)有這一限制，使防喘振閥達(dá)到快開(kāi)慢關(guān)的目的。

6.2 Logix5000 防喘振控制模式

PLC Logix5000控制系統(tǒng)同通過(guò)控制壓縮端進(jìn)出口的旁通控制閥FV-B440，達(dá)到防喘振的目的。PLC系統(tǒng)采集壓縮端進(jìn)出口差壓變送器PDT-B440的差壓、采集壓縮端進(jìn)口流量變送器（FT-B440）檢測(cè)的流量，PLC的PID回路FIC-B440對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并按一定算法運(yùn)算，運(yùn)算值去控制旁通閥FV-B440的開(kāi)度，以達(dá)到壓差與流量的關(guān)系在規(guī)定的范圍，最終達(dá)到防止喘振的目的。

6.2.1 自動(dòng)控制模式下的算法

算法是自動(dòng)控制模式的核心，此控制系統(tǒng)在自動(dòng)模式下，壓縮端旁通閥開(kāi)度控制由PLC的PID回路（FIC-B440）根據(jù)壓縮端進(jìn)出口壓差與壓縮端進(jìn)口流量的關(guān)系決定。此關(guān)系為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心算法，是通過(guò)大量工程試驗(yàn)得出的常數(shù)和彼此之間的關(guān)系，要防止膨脹機(jī)喘振，壓差與流量的關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足以下的算法關(guān)系（該算法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出膨脹機(jī)本身固有的特性）：

其中：

FT-B440為壓縮端進(jìn)口流量；

PDT-B440為壓縮端進(jìn)出口壓差；

C1為常數(shù)因子，經(jīng)驗(yàn)值為1.3，可通過(guò)觸摸屏界面設(shè)置；

K1為比例因子，經(jīng)驗(yàn)值為62.2，可通過(guò)觸摸屏界面設(shè)置。

從上述算法的關(guān)系式中可以得出：只要FTB440足夠大（相比PDT-B440而言），膨脹機(jī)就可以避免膨脹機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象，但通過(guò)打開(kāi)壓縮端旁通閥FV-B440的開(kāi)度來(lái)增大壓縮端進(jìn)出口流量雖然可以避免喘振，但過(guò)多的氣體回流也降低了膨脹機(jī)的工作效率，所以需要將FV-B440調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的開(kāi)度。

6.2.2 手動(dòng)模式的控制

手動(dòng)模式可分為兩種，第一種為全手動(dòng)控制，它允許忽略喘振控制器的作用而關(guān)閉防喘振閥。這種方法在起步和測(cè)試階段很有用，但不能作為常規(guī)操作。如果系統(tǒng)被置于全手動(dòng)操作，喘振控制器將無(wú)法開(kāi)閥來(lái)避免喘振，只能通過(guò)改變手動(dòng)操作值來(lái)操作。第二種為限權(quán)手動(dòng)控制（部分手動(dòng)），至閥門(mén)的最終輸出是由手動(dòng)操作值與控制器的輸出值進(jìn)行高選后得出。

在手動(dòng)控制時(shí)，若要關(guān)閥，輸出值會(huì)以一定的斜率（2%/s）變化至手動(dòng)操作值，即在手動(dòng)狀態(tài)下也要實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的快開(kāi)慢關(guān)。在全手動(dòng)時(shí)，防喘振控制的輸出會(huì)跟蹤最終輸出值，以便實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。

手動(dòng)模式下，操作員可直接旁通閥FV-B440的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式通過(guò)觸摸屏界面中手動(dòng)設(shè)定進(jìn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

防喘振控制系統(tǒng)是膨脹壓縮機(jī)的重要組成部分，關(guān)系到整個(gè)膨脹壓縮機(jī)安全運(yùn)行。FoxBord控制器升級(jí)為L(zhǎng)ogix5000控制器后，大大增加了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，人機(jī)界面更加友好，更加方便操作人員和維護(hù)人員的操作、維護(hù)。