利用動態分程調節實現離心壓縮機組的解耦控制

劉子云 潘靜萍

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

在工業生產過程中，系統間的變量或多或少地存在耦合現象[1～4]，這對系統的穩定性有一定影響。解除這種耦合關系的過程即為解耦控制。目前絕大部分離心壓縮機組的性能控制與防喘振控制是相互獨立設置的，其性能控制與防喘振控制之間存在著耦合關系，只有采用解耦控制才能實現離心壓縮機組的高質量控制。筆者將詳細介紹利用動態分程調節實現離心壓縮機組解耦控制的原理和動作過程。

離心壓縮機性能控制的任務是滿足生產工藝對氣體介質流量或壓力的要求，可采用壓縮機出口節流調節法、壓縮機入口節流調節法、壓縮機進口導葉調節法和改變壓縮機轉速調節法[1]來實現。

轉速是離心壓縮機的重要性能參數，改變轉速是改變壓縮機性能的有效措施，由于壓縮機的轉速調節不需要在其出口或入口安裝調節閥，無節流損耗，壓縮機的轉速調節運行效率比其他性能調節的運行效率要高。

離心壓縮機的特性曲線如圖1所示，即離心壓縮機的出入口壓力比(pd/ps)與進口體積流量Q之間的關系曲線，其中ni(i=1，2，3)是離心壓縮機的轉速，Qp是臨界流量。轉速調節的實質是利用壓縮機轉速的改變移動壓縮機的特性曲線，從而改變工況點的位置，最終實現氣體介質參數的調節。對于汽輪機驅動的壓縮機來說，非常容易實現變轉速調節，是一種理想的壓縮機性能調節方法。

圖1 離心壓縮機特性曲線

壓縮機的性能控制原理如圖2所示，壓縮機組按預定的升速曲線進入機組運行區域，此時壓縮機轉速調節器(SIC)的設定值被限定在其運行所要求的最大轉速(Max)與最小轉速(Min)之間；工藝操作人員可改變轉速調節器的輸出值，使汽輪機的主蒸汽調節門(GV)開度發生變化，繼而壓縮機轉速變化，壓縮機入口壓力調節器(PIC)與轉速調節器構成串級回路，轉速調節器的設定值來自壓縮機入口壓力調節器的輸出。在轉速調節器處于串級狀態，壓縮機入口壓力調節器處于手動狀態時，操作人員可手動改變壓縮機入口壓力調節器的輸出，使轉速調節器的設定值發生變化，進而轉速調節器的輸出發生變化，改變汽輪機主蒸汽門的開度，使壓縮機的轉速隨之改變。當壓縮機入口壓力調節器處于自動狀態，如果壓縮機的入口壓力增高，則壓縮機入口壓力調節器的輸出增大導致轉速調節器的設定值增加，進而使轉速調節器的輸出增加，導致汽輪機主蒸汽調節門的開度增大，壓縮機的轉速隨之增加，壓縮機的轉速增加可導致壓縮機的入口壓力下降，從而達到壓縮機性能調節的目的。當壓縮機的入口壓力減小，通過上述壓縮機入口壓力調節器與轉速調節器的串級調節回路可使壓縮機的轉速下降，導致其入口壓力升高，同樣也達到了壓縮機性能調節的目的。當轉速調節器不在串級狀態時，程序使壓縮機入口壓力調節器的輸出跟蹤轉速調節器的設定值，避免轉速調節器切換到串級時性能控制系統產生波動。

圖2 壓縮機性能控制原理示意圖

2 離心壓縮機組的防喘振控制

喘振是離心壓縮機的一種特殊現象：在一定轉速下，當壓縮機的入口流量小于最小流量(圖1中的Qp)時，壓縮機排氣管的壓力比壓縮機組內部的壓力高，導致氣體瞬時倒流，繼而使壓縮機排出側的氣體壓力降低，機組內部壓力升高，使氣體流量恢復，直到壓縮機出口壓力再次升高；之后重復上述過程，周而復始。壓縮機的喘振對與壓縮機相連接的管網和壓縮機本身都有很強的破壞作用[5～9]，在壓縮機運行時必須要避免喘振的發生。

如圖1所示，喘振線的左側為喘振區(不穩定區)；喘振線的右側為穩定工作區，喘振線上的壓力比最大，即當壓縮機的工作點在喘振線上時，壓縮機的工作效率最高。

防喘振控制就是保證壓縮機的吸入量大于臨界吸入量Qp，使壓縮機在任何時候都工作在穩定區。為此，在生產負荷降低時，必須將部分出口氣體經旁路返回到壓縮機入口，或將部分出口氣體放空。 壓縮機的防喘振控制方法有固定極限流量法和可變極限流量法兩種[10～13]。

固定極限流量(也稱最小流量控制法)防喘振控制系統是使壓縮機流量始終大于某一定值，保證壓縮機工作在穩定區。優點是控制系統簡單，可靠性高，投資少；缺點是當壓縮機處于低負荷運行時，回流量裕度大，能耗高，使壓縮機的效率降低。

可變極限流量法適用于壓縮機可通過調速改變性能的場合。在不同的轉速工況下，極限喘振流量是個變量，它隨壓縮機的轉速下降而變小，所以最合理的控制方法是留有適當的安全裕度，使防喘振調節器沿著留有一定安全裕度的壓縮機喘振線右側的防喘振控制線工作，保證壓縮機始終工作在穩定工作區內(圖1)。隨著計算機技術的發展，現多采用防喘振控制線的數學表達式實現壓縮機的防喘振控制[14]。

圖2中，防喘振控制器(ASC)是與防喘振控制線相關聯的數學函數，也即利用壓縮機控制系統所編制的與壓縮機防喘振控制線相關聯的防喘振控制系統軟件包。防喘振控制器的控制功能包括PID控制功能、比例控制功能和喘振監測與退喘功能。

2.1 PID控制功能

如圖3所示，基于實際喘振線(ASL)設置一條防喘振控制線(SCL)，防喘振控制線相對于實際喘振線留有一定的安全裕度，防喘振控制線與壓縮機性能曲線的交點即為防喘振控制點。防喘振控制器的設定點(SP)被限制在防喘振控制線與設定點徘徊線(SHL)之間，當壓縮機的工作點(OP)移動到防喘振控制線的左側時， 防喘振控制器的設定點被嵌位在防喘振控制線上，即此時的防喘振控制器的設定點與防喘振控制線的橫坐標相等；如果壓縮機工作點向左移動低于防喘振控制器的設定點(即設定值SV<0)，防喘振控制器將產生輸出，打開防喘振控制閥(ASV)以防止壓縮機產生喘振。當壓縮機的工作點在防喘振控制線與設定點徘徊線之間時，防喘振控制器的設定點以預先設定的一個防喘振控制器的設定值來跟蹤壓縮機工作點，當壓縮機的工作點向左移動時，防喘振控制器的設定點也以預先設定的速率隨之向左移動，當壓縮機的工作點向左移動的速率大于控制器設定點的下降速率且使防喘振控制器的設定值小于0時，盡管壓縮機的工作點還沒有到達防喘振控制線，但此時防喘振控制器也產生輸出，打開防喘振控制閥，使壓縮機的工作點向右移動，避免壓縮機產生喘振；當壓縮機工作點移動到防喘振控制器設定點的右側時，防喘振控制器的輸出減小，使防喘振控制器的設定值維持在預先的設定值。當壓縮機的工作點在防喘振控制器設定點徘徊線的右側且防喘振控制器的設定點大于預先的設定值時，防喘振控制器的設定點被嵌位在防喘振控制器設定點徘徊線上，即防喘振控制器的設定點與防喘振控制器設定點徘徊線的橫坐標相等，此時防喘振控制器的設定值會始終大于零，防喘振控制器的輸出為零，關閉防喘振控制閥。

圖3 壓縮機防喘振控制原理

2.2 比例控制功能

在實際喘振線與防喘振控制器的設定點徘徊線間設置一條比例快開線(POL)，實際喘振線與比例快開線之間稱為比例控制區。當壓縮機的工作點到達比例快開線上時，比例控制器的輸出為0%；當壓縮機的工作點到達實際喘振線上時，比例控制器的輸出為100%；當壓縮機的工作點在比例控制區中的某一點時，比例控制器的輸出正比于壓縮機的工作點跨過比例快開線的距離，即比例控制器的輸出取決于壓縮機的工作點在比例控制區的相對位置。

防喘振控制閥接收的信號為PID控制器輸出、比例控制器的輸出和解耦控制器輸出的高選。為防止壓縮機波動，當比例控制器的輸出高于PID調節器的輸出時，PID調節器的輸出跟蹤比例控制器的輸出。

2.3 喘振監測與退喘功能

當以上功能未能阻止壓縮機的工作點向喘振區移動而出現壓縮機喘振時，將防喘振控制線和設定點徘徊線以預先設定的幅度向右側移動，增加壓縮機的安全裕度，當壓縮機的工作點向左移動時盡早使防喘振控制器的PID控制功能或比例控制功能發揮作用，避免壓縮機再次產生喘振。

3 性能控制與防喘振控制的耦合關系

當離心壓縮機組的性能控制系統與防喘振控制系統獨立設置時，它們之間就存在耦合關系。如上所述，離心壓縮機組的性能控制是當壓縮機的入口壓力升高時，提高離心壓縮機組的轉速；當離心壓縮機組的入口壓力降低時，則降低壓縮機組的轉速。壓縮機組的轉速變化，意味著壓縮機組的入口壓力和通過壓縮機的氣體流量發生變化，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生變化，防喘振調節閥的開度變化反過來又會導致壓縮機組的入口壓力發生變化，壓縮機的入口壓力的改變通過壓縮機組的性能調節系統(壓縮機入口壓力調節器與轉速調節器組成的串級調節回路)又使壓縮機的轉速發生變化。可見，離心壓縮機組的性能控制系統與防喘振控制系統之間相互影響，存在著很強的耦合關系。這會使壓縮機組的性能控制系統和防喘振控制系統都不能正常發揮作用，為此必須對壓縮機組進行解耦控制才能使壓縮機組正常、穩定地運行。

4 解耦控制

離心壓縮機耦合現象的產生就是因為在調整壓縮機的轉速以保證壓縮機性能的同時又改變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與防喘振控制系統獨立設置造成的，解除壓縮機組的耦合就是要將壓縮機的性能控制系統與防喘振控制系統整合為一個解耦控制系統，其目的是防止防喘振調節器的實際值(PV)低于防喘振控制器的設定值，避免由防喘振調節器控制防喘振調節閥，而改由解耦控制系統控制防喘振調節閥，這樣就避免了壓縮機的轉速調節與防喘振控制同時進行，達到解耦控制的目的。

如圖4所示，解耦控制器(P/SDC)是利用壓縮機控制系統所編制的既可以實現壓縮機的性能控制又可進行防喘振控制，并且使其性能控制與防喘振控制不能同時進行的控制軟件包，其實質是利用動態分程調節系統實現離心壓縮機組的解耦控制。動態分程調節系統的主控變量為壓縮機入口壓力，利用壓縮機壓縮機入口壓力調節器的輸出調整壓縮機轉速或壓縮機的防喘振調節閥開度，使壓縮機入口壓力滿足要求，在此前提下避免壓縮機產生喘振。將壓力調節器控制壓縮機轉速切換到控制防喘振調節閥開度之間的切換點稱為動態分程點(DBP)。壓縮機正常運行時，動態分程控制系統的動態分程點為壓縮機的工作點減去分程點的徘徊裕度(一般為壓力調節器輸出的1.5%左右)。動態分程點的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5所示。

圖4 解耦控制系統示意圖

圖5 動態分程點位置移動速率設置

如果壓縮機工作點在分程點最大區域線(DMABL)右側且在分程點快速線(DFBL)左側時，設定動態分程點下降的移動速率較慢。這是由于這一區域與喘振控制線較近，在不發生喘振的前提下壓縮機的轉速下調余量較小，當壓縮機工作點以較快速率向左移動且低于動態分程點時，解耦控制系統停止繼續降低壓縮機轉速，而是通過開大防喘振調節閥來維持壓縮機入口壓力的穩定；如果壓縮機工作點在動態分程點快速線右側，設定動態分程點的下降速率較快，這是因為在這一工作區域，壓縮機可以降低較多轉速而不使壓縮機喘振；當壓縮機工作點在最小區域線(DMIBL)的左側時，設定解耦控制系統的動態分程點以較慢速率上升，這是因為這一工作區域與喘振控制線非常接近，為使壓縮機不發生喘振，解耦控制系統增加壓縮機轉速，增加壓縮機的轉速可以提高壓縮機的氣體流量，由于壓縮機的轉速增加，使壓縮入口壓力下降，則解耦控制系統的壓力調節器(壓縮機入口壓力調節器)輸出下降，開大防喘振調節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離防喘振控制線；如果壓縮機工作點在最大區域線與最小區域線之間，則設定壓縮機動態分程點的位置不動，等待壓縮機的工作點進入到其他工作區域。

將動態分程調節系統的分程點限定在壓力調節器輸出的50%～100%之間，當解耦控制系統壓力調節器的輸出在動態分程點時，解耦控制系統使防喘振閥全關(0%)；當壓力調節器的輸出在動態分程點減去50%時，解耦控制系統使防喘振閥全開(100%)。

解耦控制系統的動作過程：當壓縮機的入口壓力降低時，壓力調節器的輸出降低，使壓縮機轉速下降以升高壓縮機的入口壓力，當壓縮機的轉速下降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調節閥之前，解耦控制器就停止繼續降低壓縮機轉速，而是開啟防喘振調節閥來維持壓縮機入口壓力穩定，避免在調整壓縮機轉速的同時又調整防喘振調節閥，這樣就達到了使壓縮機既能滿足性能要求又使壓縮機不發生喘振的目的。

壓縮機解耦控制只有當壓縮機處于運行方式時才起作用，壓縮機的運行方式可分為3個階段：壓縮機加載、加載結束和正常運行。

壓縮機加載階段的解耦控制原理如圖6所示，初始階段，壓縮機的防喘振閥全開(100%)，轉速最低，此時壓縮機入口壓力調節器處于手動狀態。設定壓力調節器輸出的50%為動態分程調節系統的動態分程點，壓縮機入口壓力調節器輸出的0%～50%對應防喘振閥的開度100%～0%。當壓力調節器投自動時，緩慢降低壓縮機入口壓力調節器的設定值，則壓縮機入口壓力調節器的輸出增大(壓縮機入口壓力調節器為正作用)；當壓力調節器投手動時，緩慢增加壓縮機入口壓力調節器的輸出，壓縮機入口壓力調節器的輸出緩慢增大，防喘振閥的開度緩慢減小，當壓縮機入口壓力調節器的輸出達到50%時，防喘振閥全關(0%)，壓縮機加載過程結束。

圖6 加載階段壓縮機解耦控制原理

壓縮機加載結束階段的解耦控制原理如圖7所示，加載結束是壓縮機正常運行的初始，壓力調節器的輸出為50%，防喘振閥全關(0%)，轉速最小。此時如果降低壓縮機負載，由于壓縮機已在最小轉速，則壓縮機入口壓力調節器的輸出降低，開大防喘振閥，壓縮機進入加載階段。如果增加負載，壓力調節器的輸出增大，壓縮機轉速加大，動態分程點隨壓縮機工作點的移動而移動，壓縮機進入正常運行階段。

圖7 加載結束階段壓縮機解耦控制原理

壓縮機正常運行階段的解耦控制原理如圖8所示，壓縮機加載結束后就進入正常運行階段，此階段壓縮機入口壓力是由壓縮機的轉速或防喘振閥的開度來控制的。解耦控制系統的動態分程點隨壓力調節器的輸出變化而移動，其移動速率是由壓縮機的工作點在防喘振控制原理圖中的位置決定的(圖5)。如果壓力調節器輸出的下降速率比動態分程點向左側移動的速率快，當壓力調節器的輸出與動態分程點相等時，解耦控制系統停止降低壓縮機轉速，當壓力調節器的輸出繼續下降時，在防喘振控制系統起作用之前解耦控制系統就開大防喘振調節閥，如圖9所示。如果此時壓縮機的工作點在最大區域線右側，則解耦控制系統的動態分程點會繼續以預先設定的速率向左移動，圖9中的壓縮機喘振閥控制線隨著動態分程點向左移動而移動，此時解耦控制系統會降低壓縮機的轉速，壓縮機轉速下降使得解耦控制系統減小防喘振調節閥的開度，如圖10所示。如此控制就會使壓縮機組在新的工作點達到平衡，即當解耦控制系統的動態分程點以預先設定的徘徊裕度繼續跟蹤壓力調節器的輸出時，壓縮機組的運行趨于穩定。當壓縮機組的工作點在其他工作區域時，解耦控制系統的動態分程點按照預先設定的速率移動，解耦控制系統在壓縮機組防喘振控制系統起作用之前調整控制壓縮機的轉速或控制防喘振調節閥的開度，保證壓縮機組穩定運行。

圖8 正常運行階段壓縮機解耦控制原理

圖9 正常運行階段壓縮機解耦停止降轉速開喘振閥控制原理

圖10 壓縮機解耦控制系統降轉速減小開喘振閥控制原理

5 結束語

在正常情況下，解耦控制系統通過調節壓縮機的轉速使壓縮機的入口壓力維持穩定；在異常情況下，當解耦控制系統在調節壓縮機的轉速即將使壓縮機發生喘振時，則解耦控制系統在壓縮機組防喘振控制系統起作用之前調節防喘振閥的開度來維持壓縮機組入口壓力的穩定。這樣就使壓縮機組的解耦控制系統可以避免壓縮機組的轉速控制系統與壓縮機組的防喘振控制系統同時起作用，也就達到了在不發生喘振的前提下，壓縮機組穩定運行的目的。現場的實際運行情況表明：離心壓縮機組的解耦控制系統可以使壓縮機組達到既降低能耗，又能使壓縮機組平穩運行的目的。

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