壓縮機防喘振控制策略綜述

陳 欣

(中國石化洛陽石化工程公司儀電室,河南洛陽 471003)

壓縮機防喘振控制策略綜述

陳 欣

(中國石化洛陽石化工程公司儀電室,河南洛陽 471003)

壓縮機是煉油化工企業(yè)的重要用能設(shè)備,安全與節(jié)能是壓縮機控制的首要任務(wù)。針對透平式壓縮機的專有控制技術(shù)——防喘振控制(ASC),不同專用系統(tǒng)各具特點,但其核心內(nèi)容和控制理念是一致的,即在安全的保障下最大化節(jié)能。介紹了防喘振控制中幾個關(guān)鍵問題,對于喘振線的傳統(tǒng)算法和通用算法進(jìn)行了對比性說明。列舉了為實現(xiàn)壓縮機安全與節(jié)能所采取的主要控制策略,通過生產(chǎn)實踐,得知這些策略的應(yīng)用是成功的,是利用控制手段實現(xiàn)安全與節(jié)能的成功范例。

壓縮機;防喘振控制;安全;節(jié)能;能量頭

0 引 言

在石化生產(chǎn)裝置中,透平壓縮機(包括離心式和軸流式)被廣泛用于氣體壓縮及輸送,從催化裂化裝置主風(fēng)機、富氣壓縮機到大型的空分壓縮機,出于離心式壓縮機防喘振保護(hù)的要求,壓縮機出口放空閥或回流閥是必要的控制手段,但一旦這種手段付諸實施,也意味著壓縮機同時在耗費寶貴的能源。如何在節(jié)能與安全之間尋求最佳平衡點,已成為當(dāng)今離心式(包括軸流式)壓縮機的一項基本控制任務(wù)。

1 透平壓縮機防喘振控制要素

1.1 控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)

當(dāng)前,PLC之所以成為主流壓縮機控制系統(tǒng),除了具有高可靠性的軟硬件之外(如 TS3000的三重化冗余結(jié)構(gòu)),其快速的實時響應(yīng)和處理能力無疑是另一重要因素。

從現(xiàn)場信號采集—程序執(zhí)行—輸出(即一個掃描周期,嚴(yán)格說掃描周期還應(yīng)包括自診斷、通信時間),這一計算機處理過程可以用一個時間概念全過程執(zhí)行時間(T PET)來表征。用于一般過程控制的DCS,其 T PET往往大于100 ms,而PLC的 T PET至多不應(yīng)大于50 ms。試比較,假如防喘振閥的全行程時間是3 s,當(dāng)壓縮機進(jìn)入緊急安全運行狀態(tài)時(可能是下游裝置啟動自動保護(hù),緊急切斷供風(fēng)),防喘振閥應(yīng)迅速完全打開,那么50 ms的控制器應(yīng)當(dāng)使閥門提前打開1.7%,防喘振閥特性一般為線性,說明閥門的放空量(或返回量)同樣相差1.7%。喘振線與控制線之間的安全距離通常不超過10%(流量),1.7%的提前量對機組安全無疑是一個有意義的數(shù)字。即使某些防喘振控制仍由DCS實行,那么也需要DCS提供專用控制器,以及信號采集/輸出的獨立I/O通道,以滿足快速響應(yīng)要求。

1.2 建立喘振線數(shù)學(xué)模型

1.2.1 傳統(tǒng)模型

防喘振線的計算公式有多種,傳統(tǒng)方式中多采用壓縮比/入口體積流量“(pd/ps)/qV”坐標(biāo)系,溯其原因,可能是壓縮機制造廠提供的性能曲線圖通常采用這種坐標(biāo),也稱參數(shù)法。喘振線以參數(shù)方程表示為

式中 a,b——壓縮機特性常數(shù);pd/ps——出口壓力/入口壓力;qVs——入口流量,m3/h;Ts——入口溫度,K;R——氣體通用常數(shù),R=8 314/Mr (Mr為氣體相對分子質(zhì)量);K——氣體絕熱指數(shù); g——重力加速度,9.806 m/s2。

通常采用這種方法時,將 Ts設(shè)為常數(shù),這樣參數(shù)獲取少,儀表設(shè)置少,容易實現(xiàn),但不適于壓縮機入口條件變化較大的情況。壓縮機入口條件變化的影響有以下幾種。

a)入口壓力。入口壓力越低,越容易發(fā)生喘振。從喘振的機理來看,入口壓力低,氣體密度小,即使在相同入口流量時,小密度氣體更容易脫離葉輪,這正是喘振發(fā)生的起因。所以當(dāng)風(fēng)機入口過濾器差壓大時,應(yīng)及時更換濾網(wǎng)。

b)入口溫度。入口溫度高,氣體密度小,容易發(fā)生喘振。因此夏季比冬季更要注意防喘振控制。

c)相對分子質(zhì)量。相對分子質(zhì)量小,在相同溫度和壓力下的氣體密度也小,當(dāng)然更容易發(fā)生喘振,這也是離心式壓縮機不適于相對分子質(zhì)量低的氣體壓縮的一個原因。

由于壓縮機入口條件變化,需要對喘振線進(jìn)行修正,即所謂“隨動控制”,或稱可變極限流量法。另一種較為保守方式相應(yīng)稱作“定值控制”,也稱固定極限流量法。

依靠計算機系統(tǒng)豐富的軟件功能,喘振線可進(jìn)行離線或在線整定,“隨動控制”也因此被廣泛采用,TS3000系統(tǒng)提供的正是這種方法。TS3000防喘振線有(pd/ps)/(h/ps)或Δp/h坐標(biāo)系(Δp為出、入口差壓)兩種模式,防喘振線為固定斜率的直線,但是如果入口條件如相對分子質(zhì)量變化時,直線變?yōu)槎喽握劬€。“隨動控制”需要根據(jù)入口條件不斷修正喘振線,或者說由于多條喘振線的并存,使控制的精度和品質(zhì)受到影響。而曾經(jīng)在模擬單回路調(diào)節(jié)器中使用的“定值控制”法,盡管對壓縮機提供了最大安全保障,其代價是縮小了壓縮機安全區(qū)域,造成不必要的放空(或返回),不僅影響壓縮機的經(jīng)濟(jì)運行,甚至給裝置生產(chǎn)帶來影響。

傳統(tǒng)的防喘振控制固然有一定局限性,仍可滿足大多數(shù)壓縮機喘振控制的要求。而對于某些特殊應(yīng)用,就必須對喘振線模型進(jìn)行改進(jìn),適應(yīng)入口參數(shù)多變的工況。

1.2.2 改進(jìn)模型

為解決喘振線修正問題,在20世紀(jì)80年代“能量頭”作為壓縮機的一個重要特征參數(shù)被引入防喘振控制算法中。

壓縮機通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,經(jīng)葉輪將機械能傳遞給流經(jīng)葉輪通道的氣體,并變?yōu)闅怏w之內(nèi)能。內(nèi)能形式可表達(dá)為每公斤氣體所獲得的能量,稱為能量頭,即氣體焓值。

氣體壓縮有三種過程:等溫壓縮、絕熱壓縮、多變壓縮。前二者只存在于理論當(dāng)中,實際上所有壓縮過程都伴隨不同程度的能量散失,所以氣體壓縮均屬于多變壓縮。

在多變壓縮中,氣體獲得的能量頭表示為

式中 hp——多變能量頭,kJ/kg;m——氣體多變指數(shù)。

以能量頭作為喘振線的改進(jìn)模型,從根本上解決了入口條件變化所產(chǎn)生的影響。從圖1可以看出,采用hp/qVs坐標(biāo)系,對于特定的壓縮機,喘振線是惟一的,不因入口溫度、壓力和相對分子質(zhì)量變化而改變,且由于對qVs采取了入口條件修正(qVs= C(ΔphTs/ps)1/2,相當(dāng)于質(zhì)量流量;Δph為入口節(jié)流裝置壓差(mmH2O);C為節(jié)流裝置流量系數(shù))。壓縮機性能曲線在定轉(zhuǎn)速下也是惟一的。這樣喘振坐標(biāo)系變得簡單清晰,使復(fù)雜的喘振控制易于執(zhí)行。

圖1 壓縮機防喘振控制示意

由于消除了入口條件的影響,以多變能量頭建立的防喘振數(shù)學(xué)模型也稱“通用性能曲線法”。通用是對特定壓縮機而言,對于變轉(zhuǎn)速壓縮機,或機械特性可變的壓縮機,如軸流壓縮機靜葉可調(diào),性能曲線會隨之變化。

由能量頭衍生的通用喘振線不一一論述。壓縮機制造商,同時也是壓縮機控制系統(tǒng)供應(yīng)商Dresser-rand提出的當(dāng)量流量法,坐標(biāo)系為(pd/ps)/[qm(R TsZ)1/2/ps](qms為壓縮機質(zhì)量流量;Z為氣體壓縮機系數(shù)),可以看作能量頭法的一種演變。利用qm(R TsZ)1/2/ps=(h/ps)1/2,可以簡化測量系統(tǒng),降低對測量儀表的依賴,不失為一種實用方法。

相比二種傳統(tǒng)的喘振算法和基于能量頭的通用算法,應(yīng)視實際情況應(yīng)用。一般的空壓機、氮壓機工況簡單,完全可以采用定值防喘振控制;催化裂化主風(fēng)機流量大,下游管網(wǎng)情況復(fù)雜,宜采用隨動防喘振控制;而乙烯裝置的裂解氣壓縮機,受裝置操作影響,入口參數(shù)常有變化,應(yīng)當(dāng)采用通用喘振線模型。

1.3 設(shè)立防喘振線

防喘振線在喘振線右側(cè)并與之平行。壓縮機運行在控制線上時,防喘振閥全開,所以控制線也稱放空線。喘振線與控制線之間的水平間距通常稱為安全裕度,范圍一般在5%～10%之間。過大的安全裕度,可能產(chǎn)生頻繁而盲目的喘振控制,無謂地打開放空閥(或返回閥),結(jié)果必然造成浪費。反之,安全裕度過小,也可能造成喘振調(diào)節(jié)滯后或失敗,帶來災(zāi)難性后果。

1.4 喘振控制算法

判斷壓縮機安全狀態(tài)不僅根據(jù)工作點與喘振線之間的距離,還要計算工作點向喘振線方向移動的速度,兩者綜合比較。例如,TS3000的設(shè)定點浮動線功能具有設(shè)定點“盤旋”特點(HOVER),當(dāng)工作點右移時,喘振PI控制器的設(shè)定點以同樣速率跟隨工作點,兩者間保持一個“工作裕度”,而工作點向喘振線方向移動時,工作裕度不再保持一定,而是取決于 HOVER模塊的增量設(shè)置。這使得喘振控制設(shè)定點的變化速率能及時隨工作點不斷進(jìn)行調(diào)整,并且與控制線上相對固定的設(shè)定點比較,兩者取低值。

當(dāng)控制線處于喘振線和控制線之間時,控制器必須提供足夠快的響應(yīng),此時正常的PI控制器已無法做到這一點,因此在該階段,一個特殊的比例控制器將比例輸出疊加在原PI控制輸出上,加快防喘振閥開啟速度。比例控制器的增益與工作點的移動速度有關(guān),因此這是一種浮動比例控制,受特殊微分(ds/dt)作用的影響。同樣對于CCC控制器,在控制線和喘振線之間還設(shè)置一條RTL防線(Recycle Trip Line)。如果發(fā)生較大擾動,正常PI調(diào)節(jié)器已不能阻止工作點的左移而抵達(dá)RTL, RTL控制器將輸出階躍信號疊加在PI控制器輸出上,迅速打開防喘振閥。而CCC控制器也有一個特殊微分作用,與 TS3000類似的是兩者的“特殊微分”都不是直接控制輸出,CCC的微分作用于加大防喘振控制安全裕度。這樣操作點在向喘振方向移動,但沒有實質(zhì)喘振危險時,不會將防喘振閥打開,只有在操作點接近喘振控制線時,才通過ds/dt的移動速度加大安全裕度,使壓縮機及時進(jìn)入喘振控制。

此外,幾乎所有防喘振控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)都采取自適應(yīng)調(diào)整,PI控制器的比例增益和積分時間會根據(jù)動態(tài)的喘振控制過程(包括喘振點的位置、移動趨勢和速率等因素)進(jìn)行自整定。對于程度不同的喘振趨勢,控制強度也是不同的。參數(shù)自整定的優(yōu)點是當(dāng)有輕微喘振趨勢時,避免由于大的增益而造成控制不穩(wěn)定,而當(dāng)喘振跡象進(jìn)一步發(fā)展時,又能以大增益進(jìn)行及時抑制。如果不采取特殊措施,喘振控制器的積分作用會由于防喘振閥的長期關(guān)閉而進(jìn)入積分飽和狀態(tài)。解決方案可以采用數(shù)字調(diào)節(jié)器常用的增量式算法,算法產(chǎn)生積分作用卻沒有積分項。或者根據(jù)防喘振調(diào)節(jié)閥閥位反饋信號,控制器輸出鉗位,避免進(jìn)入飽和狀態(tài)。

防喘振控制系統(tǒng)都具有“快開慢關(guān)”功能。當(dāng)工作點在控制線上運行時,穩(wěn)定是這種工況下的主要控制目的。大增益值會使得工作點在控制線左右大幅震蕩。調(diào)節(jié)器的可變增益此時可以發(fā)揮作用,另一個解決辦法,即在調(diào)節(jié)器輸出前將信號進(jìn)行斜坡處理。當(dāng)輸出使防喘振閥關(guān)閉時,控制輸出的變化率依斜坡斜率小于5%,那么閥門會慢速關(guān)閉,速度小于5%。而對于使閥門開啟的信號則不加限制,閥門將以最快速度打開。

1.5 附加功能

a)控制器強制輸出“DO”為“0”,直接控制電磁閥以最快速度打開防喘振閥。DO為零的前提是“喘振”的確定。多數(shù)防喘振控制系統(tǒng)在喘振線和放空線之間還設(shè)置一道關(guān)口——安全線,一旦被觸及(或多次觸及),喘振即被確認(rèn),防喘振閥即刻在開關(guān)量(DO)和模擬輸出的雙重作用下快速打開。這類似于CCC的RTL線,但RTL并不作為喘振判斷線,也不產(chǎn)生DO輸出。TS3000沒有安全線設(shè)置,而是以工作點向左方的特定竄動為判斷依據(jù)(例如流量變化速率或輸出信號變化率大于20%),喘振確認(rèn)后產(chǎn)生DO輸出。

b)手動開關(guān)控制。TS3000的手動控制、浮動比例控制、防喘振PI控制器三者進(jìn)行高值選擇,這種手動模式稱為部分手動模式(軟手動),在手動操作的同時仍收到自動控制的監(jiān)控和保護(hù)。另外一種完全手動模式(硬手動),在這種方式下,即使發(fā)生喘振,控制器也無權(quán)干預(yù)。兩者中部分手動模式常被用于人工設(shè)定喘振線。

c)對于有性能控制的壓縮機組,通常會通過調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速或入口閥門(靜葉角度)來滿足工藝要求,即調(diào)整性能曲線。例如催化裂化主風(fēng)機往往通過出口流量控制入口調(diào)節(jié)閥,當(dāng)主風(fēng)需求量高于設(shè)定值時,需要減少入口流量,而此時如果壓縮機正在進(jìn)行喘振調(diào)節(jié),性能控制和喘振控制作用相反,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,使機組更接近喘振。針對這種情況,CCC控制器和TS3000系統(tǒng)通過關(guān)系解耦使兩個控制協(xié)調(diào)動作,穩(wěn)定系統(tǒng)。

d)在多臺壓縮機并聯(lián)運行條件下,控制器將性能控制、轉(zhuǎn)速控制與喘振控制結(jié)合,實現(xiàn)在最小轉(zhuǎn)速下將單臺壓縮機并入系統(tǒng)管網(wǎng)。并且在性能控制的配合下,能使多臺并聯(lián)/串聯(lián)運行的壓縮機工作點與控制線保持相同距離,實現(xiàn)負(fù)荷平衡分配。

2 儀表檢測和控制設(shè)備

如果防喘振控制系統(tǒng)是喘振控制的核心,變送器和防喘振閥就是信息反饋者和指令執(zhí)行者。尤其采用能量頭法建立通用喘振線模型時,需要來自各種變送器過程數(shù)據(jù)(至少包括入口壓力變送器、入口差壓變送器、入口溫度變送器、出口壓力變送器及閥位變送器),因此對變送器的依賴性更強,變送器的可靠性和快速性在防喘振控制中也顯得尤為重要。正如前文所述,快速的響應(yīng)對于防喘振控制效果影響顯著,并且這種速度的要求是對于整個控制回路的要求,不僅僅針對控制系統(tǒng),也包括變送器和調(diào)節(jié)閥。

一般智能變送器的響應(yīng)時間為400 ms,響應(yīng)最快者為100 ms(包括死區(qū)時間40 ms),但前提是采用 HART型數(shù)字信號。需要說明響應(yīng)時間并非指由過程變化產(chǎn)生的一次性即時響應(yīng),而是信號從4～20 mA的全程變化時間。如果信號在4～12 mA變化時,理論上響應(yīng)時間應(yīng)為50 ms。對于防喘振控制系統(tǒng)的供應(yīng)商來說,100 ms的時間仍無法令人滿意,因此建議采用非智能型的模擬變送器。因為不需要模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換,響應(yīng)時間大為縮短,應(yīng)在10 ms以內(nèi)。

防喘振調(diào)節(jié)閥的選擇是另一個關(guān)注點。在模擬信號控制下,防喘振控制閥全開時間一般要求為2～3 s,全關(guān)時間為3～5 s;而開關(guān)量控制下的全開時間可以縮短至1.5 s。為達(dá)到這一目的,可以加大調(diào)節(jié)閥供風(fēng)管尺寸,或者設(shè)置氣體增壓器。通過調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)時間可以相反估算出防喘振控制回路的響應(yīng)時間,即從喘振發(fā)生到調(diào)節(jié)閥開始動作(包括定位器的死區(qū)時間)。如果防喘振閥全開時間快達(dá)2 000 ms,300 ms的回路響應(yīng)時間應(yīng)該能夠滿足控制要求,所以快速的調(diào)節(jié)閥響應(yīng)放寬了對系統(tǒng)響應(yīng)時間的約束。對于大負(fù)荷壓縮機,可以并列安裝2臺或3臺防喘振閥,可能個別設(shè)計中將這些調(diào)節(jié)閥設(shè)為分程控制,實際上分程控制相當(dāng)于疊加了幾個閥的全行程時間,無疑不利于防喘振控制。相反,如果幾個閥門同步動作,則效果等同于加大控制器增益。而在調(diào)節(jié)閥上加大增益的好處是不會將控制器輸入信號的干擾一同放大,不會因此降低控制的穩(wěn)定性。幾個閥門同步動作也保證了大放空量閥門的行程時間在要求的3 s之內(nèi)。

3 結(jié)束語

在各種類型的生產(chǎn)裝置中,壓縮機都是一個大的耗能單位,在保障壓縮機穩(wěn)定、安全運行的同時盡可能節(jié)能,是近年來壓縮機控制系統(tǒng)發(fā)展的重要指導(dǎo)理念,在這種理念下,各種控制方法和策略逐漸產(chǎn)生并成熟。該文通過對 TRICON,CCC, Dresser-rand及GHH提供的防喘振控制資料的綜合對比,并不針對某個專用系統(tǒng)進(jìn)行詳盡闡述,而是總結(jié)當(dāng)前主流系統(tǒng)的一些共同點,在喘振與控制、控制與安全、安全與節(jié)能之間建立定性的關(guān)聯(lián),在基礎(chǔ)概念的理解上對喘振控制的意義有更廣泛的認(rèn)識。

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The Strategies Summary on Compressor Anti-Surge Control

Chen Xin
(Sinopec Luoyang Petrochemi.Eng.Corp.,Luoyang,471003,China)

Compressors are important energy consumption devices in refineries and petrochemical plants, safety and energy saving are primary task of compressor control.Regarding the special control technology of centrifugal compressor:Anti-Surge Control(ASC),different ASC system has different characteristics but has same content and control theory:i.e.maximizing energy conservation while safety is ensured.Several key points of ASC are introduced,a comparative specification between traditional algorithm and advanced algorithm for ASC is presented.Main compressor control strategies for safety&energy conservation are presented.Those have been successfully applied in production.

compressor;ASC;safety;energy conservation;head

TP273

B

1007-7324(2011)01-0047-04

2010-11-29(修改稿)。

陳 欣(1966—),女,1989畢業(yè)于中國廣播電視大學(xué)電氣自動化專業(yè),大專學(xué)歷,1989年進(jìn)入中國石化洛陽石化工程公司儀電室工作至今,任工程師。