離心式空壓機防喘振優化

李亞倫，李 偉，孫建平

（華北電力大學自動化系，河北保定 071003）

離心式空壓機防喘振優化

李亞倫，李 偉，孫建平

（華北電力大學自動化系，河北保定 071003）

針對火電廠離心式空壓機的喘振預防及控制策略的優化進行分析；喘振是離心式空壓機的固有現象，預防喘振需要找到空壓機的空氣流量和出口壓力的喘振曲線，根據喘振曲線設計變極限流量控制方案；控制策略采用模糊PID控制，針對不同的壓力偏差區間找到合適的控制器參數，實現了空壓機組適應負荷變化的快速性和穩定性。

離心式空壓機；防喘振；模糊控制；優化

離心式空壓機是工業生產中的重要設備，廣泛應用于鋼鐵、化工、電力等行業。離心式空壓機具有壓縮效率高、供氣均勻、排氣壓力高等優點。在電力行業中，空壓機主要提供高壓力的壓縮空氣作為空氣閥門的動力，是必不可少的工業設備。如果空壓機發生故障，會直接造成整個機組的停機，導致嚴重的設備故障和經濟損失。空壓機發生故障的主要原因是發生喘振現象，喘振現象嚴重威脅離心式空壓機系統的安全，對離心轉子及壓縮機級間的間隙有嚴重破壞。喘振現象是離心式空壓機的固有特性，所以要做到主動預防與控制，才能保證空壓機的安全穩定運行。

在項目中，有5臺英格索蘭CENTAC離心式無油二級空壓機，這5臺空壓機通過管道串聯一起向母管供氣，設定離母管最近的空壓機為1＃，其他為2＃，3＃，4＃，5＃。為了保證生產的安全穩定，其中的3臺空壓機正常工作，其余2臺備用。這5臺空壓機的控制系統是英格索蘭廠家20世紀90年代生產的，控制設備落后，操作不便，經常發生喘振現象，嚴重影響了安全生產。為了提高控制水平，決定采用先進控制策略優化控制系統。新控制設備采用OMRON的CJ系列PLC及EB 8000觸摸屏，通過MODBUS協議和上位機DCS通信，對重要參數指標進行實時顯示，如排氣壓力、系統壓力、入口門開度、旁路門開度、電機電流等數據。上位機能夠實現遠程啟、停，改變設定壓力和控制器參數的功能。

筆者提出一種基于變極限流量防喘振結合模糊PID的控制策略：首先找到機組自身的喘振曲線，針對喘振曲線設計極限流量；在保證安全運行的基礎上運用模糊控制來提高空壓機對壓力響應的效率，在特殊情況下能夠保證機組快速達到設定的壓力負荷。

1 離心式空壓機的喘振

1.1 喘振產生的原因

空氣進入空壓機后，經過離心葉片的壓縮，產生一個壓縮空氣流量，隨著空氣流量的逐漸增長，空壓機出口壓力也不斷升高。離心式空壓機的喘振現象是空壓機內部氣體周期性振蕩，同時發出類似“哮喘”的吼聲，這種現象就是喘振。產生喘振現象的原因是出口壓力上升而空壓機的空氣流量不能隨著壓力而增加，導致氣流在離心式空壓機葉片進口處與葉片發生沖擊，使葉片一側氣流邊界層嚴重分離，出現漩渦區，導致旋轉脫離或旋轉失速［1］。

1.2 喘振曲線

離心式空壓機的喘振曲線是以橫坐標為壓縮空氣流量及縱坐標為出口壓力的平滑曲線。在喘振曲線左側的區域為喘振區域，當運行在這個區域時，極有可能出現喘振現象。要保證空壓機安全運行，必須在喘振曲線右側保持一定穩定裕度的工作區域上運行［2］。實踐中通過不同出口壓力下的喘振實驗來獲得一條精確的喘振曲線，只要找到了穩定運行區域就可以有效避免喘振現象的發生。

1.3 防喘振控制原理

離心式空壓機安全穩定的必要條件是使空壓機運行的空氣流量大于出口壓力下對應的最小空氣流量，只要保證了這個條件就可以避免喘振現象的發生。保證流量的防喘振控制方案有2種：一是固定極限流量法，首先選定極限的出口壓力，找到極限出口壓力相對應的極限流量。只要限制最高出口壓力并且保證空壓機運行時的空氣流量一直保持在極限流量之上，就可避免喘振的發生；二是變極限流量法，根據不同的出口壓力對應的空氣流量，設定不同的極限流量。從節能的角度看，變極限流量法能根據喘振曲線不停地調整極限流量，變極限流量法比固定極限流量法能夠節省許多不必要的能量損失。但從安全穩定的角度看，固定極限流量法更加安全穩定，能夠使運行的安全區域保持較大的穩定裕度，而且設計簡單實用。設計采用兩者結合的方法預防喘振，既達到了安全穩定的目的，又實現了節能的效果［3－5］。

2 離心式空壓機防喘振設計

2.1 硬件設計

設計使用5臺OMRON的CJ系列PLC，其中每臺PLC設計模擬量輸入、輸出12點，數字量輸入、輸出22點，需要一個通信模塊、電源和變壓器。控制電源后接直流繼電器，設計目的是防止控制電源切換時空壓機控制器失電，造成空壓機停機的事故。5臺PLC和上位機DCS采用MODBUS通信，把節點并聯在一條通信線上，由于傳輸距離比較遠，使用RS485的通信端口完成，選擇半雙工的通信方式，實現上位機遠程控制和監視的功能［6］。

2.2 喘振曲線

喘振曲線是根據出口壓力找到不同壓力值對應的極限空氣流量，但依據實際情況，當出口壓力小于實際的系統壓力時壓縮空氣無法打開逆止門，所以不需要把全部曲線繪出，只找到從系統壓力附近開始到最大出力的喘振曲線即可。

防喘振方程可表示為

式中：a，b分別為與壓縮機性能相關的常數；k為氣體絕熱指數；g為重力加速度；p1為進氣壓力；p2為出氣壓力；T為進氣溫度；QV為空壓機進氣流量；R為特定氣體常數。根據式（1）可以得出，如果要避免喘振的發生就要控制流量和壓力的關系，這個關系曲線為一個拋物線。想要得到這條曲線就必須進行喘振實驗，再根據實驗得到的喘振數據進行擬合，最終得到比較精確的二次曲線。實際應用中，由于流量計算比較復雜，在保持出口壓力不變的情況下，如果空壓機電機電流越高則進氣量越大，證明可以用電機電流來近似表示進氣流量。進氣壓力主要受到濾網壓差的影響，但一般進氣濾網都會定期更換，能夠保持進氣壓力穩定，所以主要壓力變化在于出口壓力。喘振曲線可以簡化成關于電機電流和出口壓力的二次關系曲線，根據實驗數據得到喘振曲線如圖1所示。

圖1 喘振曲線Fig.1 Surge curve

2.3 離心式空壓機控制策略

離心式空壓機控制策略的設計是根據其運行特點把空壓機運行情況進行分段，不同的運行情況采用不同的控制策略，分段設計是根據出口壓力的壓力等級分成啟動段和運行段。啟動段主要的任務就是在負荷突然出現下降時，為了快速增加負荷，需要快速啟動，所以可以采用固定極限流量法來實現，雖然能量有一些損失，但提高了啟動效率和穩定性［7］。空壓機進入運行階段時，控制策略采用模糊PID控制，根據實際壓力值和壓力設定值的偏差e，設定不同控制區間，運用多個不同的PID參數進行控制。

根據偏差設定控制區間：小偏差區間（0～7 k Pa）、中間偏差區間（＞7～14 k Pa）、大偏差區間（＞14 kPa）。進入運行階段時根據偏差大小選擇不同的控制器，其調度策略見表1。

表1 調度策略Tab.1 Scheduling strategy

在運行段內，采用變極限防喘振控制，根據實驗得到的喘振曲線，找到曲線中各出口壓力下的防喘振極限流量所對應的電機電流，再加上一定的穩定裕度，最終找到極限電流值。把設定的極限電流值分為2類：一類穩定裕度比較大，相對比較安全，設為極限電流值1；另一類穩定裕度比較小，比較容易發生喘振，設為極限電流值2。如果在運行中出現低于極限電流值1的情況，立刻切除模糊PID控制器，按設定的斜坡速率打開入口門，來增加空氣流量避免空壓機喘振的發生，直到電機電流穩定在安全區域后再切回模糊PID控制器；如果在運行中出現低于極限電流值2的情況，立刻切除模糊PID控制器，按設定的斜坡速率打開旁路門，來迅速增加空氣流量避免空壓機喘振的發生，直到電機電流穩定在安全區域后再切回模糊PID控制器。這樣當出現電機電流低時先打開入口門，不僅可以進一步增加空氣流量，而且進一步增加出口壓力，避免直接打開旁路門，防止降低出口壓力造成的能源浪費。

模糊PID控制器采用T－S模型模糊控制器對單元機組負荷進行隸屬度函數分析，隸屬度規則為

式中：e為壓力差值；n為規則條數；m為變量相對應的模糊集合；M i為第i個控制器；Aij為功率的模糊集。其隸屬度函數見圖2。

圖2 隸屬度函數Fig.2 Membership function

模糊PID參數的設置規則如下。

1）當｜e｜較大時，取較大的KP和較小的KD（使系統響應速度加快）且使KI＝0（避免過大超調）；

2）當｜e｜中等時，取較小的KP（使系統響應具有小的超調）；

3）當｜e｜較小時，取較大的KP，KI（使系統具有良好的穩定性能）。

3 運行效果

經過系統設計和安裝調試，5臺離心式空壓機的PLC對DCS的MODBUS通信，實現了遠程控制與監視，方便了運行人員及時控制負荷，同時實現了負荷報警自啟動備用空壓機的目標。空壓機技改項目完成后要經過168 h安全穩定運行的檢驗，其中包括對空壓機的快速啟動、負荷的躍動、故障時備用空壓機聯起等功能的檢測。空壓機安全穩定運行168 h，防喘振的功能也得到了驗證，喘振現象并沒有發生，在出現極限電機電流時能夠及時采取措施防止喘振。到目前為止，該系統運行穩定可靠，驗證了所采取的措施和控制策略是有效的。

4 結 語

根據空壓機喘振曲線應用變極限電流法，能夠有效防止喘振，同時達到提高電能利用率的效果。在防喘振措施中，把旁路門與入口門開度相結合，不僅能夠有效提高空氣流量，而且能夠有效維持出口壓力，保障負荷的穩定。控制器采用模糊PID控制策略能夠更好地實現對目標負荷的快速跟蹤，最終達到離心式空壓機防喘振與控制策略優化的目的。

［1］王銀燕，楊傳雷，馮永明，等.離心式壓氣機喘振主動控制硬件在環仿真［J］.系統仿真學報，2011，23（6）：1 141－1 145.

［2］張國華，李 偉，崔洪偉，等.大型離心式壓縮機性能曲線的修正與降負荷運行［J］.化肥設計，2011，49（1）：33－34.

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［5］劉 超.模糊理論在壓縮機喘振控制上的應用研究［J］.廣東化工，2011，38（3）：170－171.

［6］張成寶.離心式壓縮機的喘振分析與控制［J］.壓縮機技術，2002（6）：4－8.

［7］王志標，張早校，姜培正.壓縮機動態防喘振控制策略進展分析［J］.風機技術，2003（4）：39－42.

Anti－surge optimization of centrifugal compressor

LI Ya－lun，LI Wei，SUN Jian－ping
（Automation Department，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China）

The optimization of surge prevention and control strategies of centrifugal air compressor in power plant is studied.Surge is an inherent phenomenon of centrifugal air compressor，and to prevent the surge needs to find out the surge curvet for the air flow and outlet pressure，which are used to design the change limit flow control.Fuzzy PID control is used for different pressure deviation range to find suitable controller parameters，making the unit adaptable to the load change.

centrifugal air compressor；anti－surge；fuzzy control；optimization

TP273＋.4；TH452

A

1008－1534（2012）04－221－03

2012－04－24

陳書欣

李亞倫（1987－），男，河北滄州人，碩士研究生，主要從事協調控制優化方面的研究。