蒸汽壓縮機(jī)控制優(yōu)化方案

蔡翠平

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

蒸汽壓縮機(jī)控制優(yōu)化方案

蔡翠平

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

針對(duì)壓縮機(jī)工作區(qū)域窄，容易出現(xiàn)喘振、液擊和跳車(chē)等情況，采用了入口導(dǎo)葉開(kāi)度、出入口壓力、入口溫度的多參數(shù)防喘振控制方案；在壓縮機(jī)出口增加回流管線(xiàn)，通過(guò)過(guò)熱蒸汽回流控制方案，避免了液擊的發(fā)生。并對(duì)開(kāi)停車(chē)聯(lián)鎖進(jìn)行了改造，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)及開(kāi)車(chē)證明： 修改后的方案邏輯嚴(yán)密,壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

蒸汽壓縮機(jī) 防喘振控制 過(guò)熱蒸汽 性能曲線(xiàn)

蒸汽壓縮機(jī)是熱回收系統(tǒng)提高蒸汽壓力的關(guān)鍵設(shè)備，具有流量大、體積小、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，蒸汽壓縮機(jī)也存在一些缺陷，例如穩(wěn)定工作區(qū)域窄，容易發(fā)生喘振；蒸汽易液化，含水氣流對(duì)葉輪沖擊較大。針對(duì)壓縮機(jī)容易出現(xiàn)喘振的情況，不同于傳統(tǒng)的流量單參數(shù)控制系統(tǒng)，優(yōu)化方案中的蒸汽壓縮機(jī)控制系統(tǒng)采用入口導(dǎo)葉開(kāi)度、出入口壓力、入口溫度等多參數(shù)進(jìn)行防喘振控制，規(guī)避了流量對(duì)前后直管段要求高、測(cè)量精度低的問(wèn)題，改善了防喘振品質(zhì)，節(jié)省了成本和調(diào)節(jié)空間。針對(duì)液擊現(xiàn)象，在壓縮機(jī)出口增加1條回流管線(xiàn)，通過(guò)過(guò)熱蒸汽回流控制方案，使進(jìn)入葉輪的氣體為干飽和蒸汽，避免了液擊的發(fā)生。另外，該蒸汽壓縮機(jī)形成了一套完善的開(kāi)停車(chē)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組的有效、協(xié)調(diào)控制。

1 壓縮機(jī)組的基本組成及檢測(cè)保護(hù)

某天然堿項(xiàng)目蒸汽壓縮機(jī)入口流量為117 t/h， 主要為汽提濃縮裝置提供生產(chǎn)過(guò)程所需的蒸汽，壓縮機(jī)工藝流程如圖1所示。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由蒸汽系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、密封系統(tǒng)四個(gè)單元組成，主要設(shè)備有壓縮機(jī)、主電機(jī)、齒輪箱、輔助油泵、油加熱器、油過(guò)濾器等。

為保證壓縮機(jī)組的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，在關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置了檢測(cè)和保護(hù)。比較典型的需要檢測(cè)和保護(hù)的工藝環(huán)節(jié)如下：

1) 氣路系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制。如入口蒸汽溫度(t1)、入口蒸汽壓力(p1)、蒸汽回流溫度(t11)、出口蒸汽壓力(p2)的報(bào)警和聯(lián)鎖，防喘振閥(ASCV)、過(guò)熱蒸汽控制閥(SHS)及入口導(dǎo)葉閥(IGV)的控制和檢測(cè)。

2) 離心壓縮機(jī)組的機(jī)械保護(hù)。如軸向位移、機(jī)械振動(dòng)、軸承溫度的監(jiān)測(cè)及保護(hù)。

3) 離心機(jī)組的溫度保護(hù)。如供油壓力控制報(bào)警、供油溫度控制報(bào)警、過(guò)濾器壓差報(bào)警、油箱油溫控制。

2 壓縮機(jī)防喘振控制

2.1 喘振產(chǎn)生的原因

喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，即當(dāng)壓縮機(jī)的入口流量小于極限流量時(shí)，氣體的輸送將出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，帶動(dòng)壓縮機(jī)機(jī)身強(qiáng)烈振蕩，嚴(yán)重的可能造成事故。防喘振的效果直接影響了壓縮機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。

圖1 壓縮機(jī)工藝流程示意

2.2 防喘振的幾種實(shí)現(xiàn)方法

防喘振的常規(guī)做法主要包括：

1) 打開(kāi)放空管線(xiàn)上的放空閥將壓縮機(jī)出口氣體排向大氣。

2) 打開(kāi)回流管線(xiàn)上防喘振閥讓壓縮機(jī)出口氣體回流。

相比而言，采用回流閥的控制方案，在降低出口管線(xiàn)壓力的同時(shí)，增大了壓縮機(jī)的入口流量，避免喘振發(fā)生的同時(shí)也避免了能量浪費(fèi)，是離心式壓縮機(jī)防喘振控制的推薦方案。

2.3 防喘振控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)做法

防喘振控制的方法就是通過(guò)控制回流閥使壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)在喘振控制線(xiàn)以下，喘振線(xiàn)對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的最小流量極限，為避免出現(xiàn)喘振，將喘振線(xiàn)右移5%～10%，形成喘振控制線(xiàn)。文中壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)是通過(guò)對(duì)同一轉(zhuǎn)速下測(cè)得的不同點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，進(jìn)而得到該轉(zhuǎn)速下的性能曲線(xiàn)。同理，直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得若干喘振點(diǎn)，然后將其擬合為喘振線(xiàn)。

早期的離心式壓縮機(jī)通常采用單參數(shù)控制系

統(tǒng)，防喘振回路由流量指示控制器控制旁通閥，當(dāng)管網(wǎng)流量不大于最低流量時(shí)，開(kāi)啟回流閥，使部分氣體回流到壓縮機(jī)入口管線(xiàn)，增加通過(guò)壓縮機(jī)的流量。該類(lèi)防喘振系統(tǒng)存在兩方面的問(wèn)題： 由于控制回路是簡(jiǎn)單的模擬量回路，有很多因素?zé)o法考慮；流量計(jì)對(duì)前后直管段要求高，因?yàn)榭臻g因素很難滿(mǎn)足，流量測(cè)量存在精度不高的問(wèn)題，所以影響了防喘振效果。

2.4 防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)與進(jìn)口壓力、溫度等因素的關(guān)系，采用數(shù)字多參數(shù)控制系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的防喘振控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要通過(guò)控制出口壓力來(lái)控制喘振，其控制流程如圖2所示。

喘振界限與導(dǎo)葉閥開(kāi)度有直接關(guān)系，采用多項(xiàng)式差值擬合可以近似得出壓縮機(jī)的喘振線(xiàn)，喘振極限的表達(dá)式為

Ymax=Az4+Bz3+Cz2+Dz+E

(1)

式中：Ymax——最大壓縮能量頭，J/kg；z——入口導(dǎo)葉閥開(kāi)度；A，B，C，D，E——參數(shù)。

圖2 防喘振控制流程示意注： t——防喘振控制閥的關(guān)閉時(shí)間

壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)與入口蒸汽溫度t1,p1,p2的表達(dá)式為

(2)

式中：Y——壓縮能量頭，J/kg；T1=t1+273.15， K；K2，EXP——參數(shù)。

利用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，用Matlab編程可以得出喘振線(xiàn)和性能曲線(xiàn)參數(shù)，優(yōu)化后的喘振線(xiàn)如圖3所示。

圖3 喘振臨界曲線(xiàn)示意

實(shí)踐證明： 通過(guò)出入口壓力、入口溫度的多參數(shù)防喘振控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，節(jié)省成本的同時(shí)節(jié)省了空間，大幅提高了防喘振效果。

3 壓縮機(jī)過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)

如果吸入壓縮機(jī)蒸汽溫度過(guò)低，容易產(chǎn)生液滴，對(duì)葉輪造成損壞。過(guò)熱保護(hù)系統(tǒng)主要通過(guò)保證入口蒸汽溫度高于飽和蒸汽溫度3℃，防止吸入壓縮機(jī)的氣體帶液。控制系統(tǒng)采用PID控制，以Δt=t1-ts為被控變量，對(duì)過(guò)熱蒸汽控制閥SHS進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中,ts為入口壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，計(jì)算公式如下：

ts=2.82p1+71.262

啟動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)，SHS閥開(kāi)度設(shè)定在40%；壓縮機(jī)正常運(yùn)行后，過(guò)熱保護(hù)控制投入使用，當(dāng)Δt>3℃時(shí)，回流閥關(guān)閉，當(dāng)Δt≤3℃時(shí)，回流閥打開(kāi)以保證溫差大于3℃。

4 壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停

為了避免誤操作、減少操作強(qiáng)度，該蒸汽壓縮機(jī)采取了自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)組的方式。同時(shí)，為確保機(jī)組故障或者上下游工段異常的情況下，能自動(dòng)安全停車(chē)同時(shí)避免不必要的誤動(dòng)作造成的停車(chē)，設(shè)置了聯(lián)鎖停車(chē)系統(tǒng)。機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)和正常停車(chē)在中心控制室DCS上實(shí)現(xiàn)。

4.1 壓縮機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)

4.1.1 壓縮機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)順序

壓縮機(jī)啟動(dòng)是順序操作過(guò)程，當(dāng)相關(guān)的工藝和機(jī)械條件全部滿(mǎn)足后，機(jī)組允許啟動(dòng)。壓縮機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，輔助油泵和主電機(jī)啟動(dòng)的先后順序、防喘振控制和過(guò)熱蒸汽控制何時(shí)激活、導(dǎo)葉閥的開(kāi)度設(shè)定是關(guān)鍵所在。該蒸汽壓縮機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程如圖4所示。

4.1.2 對(duì)壓縮機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)的幾點(diǎn)說(shuō)明

針對(duì)壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中容易反復(fù)跳車(chē)的情況，進(jìn)行了以下優(yōu)化措施：

1) 在啟動(dòng)的過(guò)程中，機(jī)組的振動(dòng)和溫度、入口溫度、蒸汽回流溫度報(bào)警聯(lián)鎖值提高，避免了因?yàn)殚_(kāi)車(chē)過(guò)程中的振動(dòng)和溫度過(guò)高引起的停車(chē)。

2) 主電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，防喘振閥和過(guò)熱控制閥設(shè)定在一定開(kāi)度，主電機(jī)啟動(dòng)之后，防喘振控制和過(guò)熱蒸汽控制開(kāi)始投入使用，這樣既避免了防喘振和過(guò)熱蒸汽過(guò)早啟動(dòng)會(huì)增加能量的消耗，也保證了控制可及時(shí)投入運(yùn)行。

圖4 蒸汽壓縮機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程示意

4.2 壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車(chē)系統(tǒng)

壓縮機(jī)停車(chē)主要有以下幾種情況： 機(jī)組故障觸發(fā)停車(chē)；上下游工段引起的停車(chē)；急停按鈕觸發(fā)停車(chē)；DCS界面點(diǎn)擊停車(chē)按鈕觸發(fā)停車(chē)。壓縮機(jī)的停車(chē)過(guò)程如圖5所示。

圖5 蒸汽壓縮機(jī)的停車(chē)過(guò)程示意

為避免因機(jī)組故障或者急停按鈕引起的停車(chē)，先停主電機(jī)，再進(jìn)行其他操作。急停的情況下，入口導(dǎo)葉閥開(kāi)度保持不變。

5 結(jié)束語(yǔ)

該蒸汽壓縮機(jī)采用出入口壓力、入口溫度的多參數(shù)防喘振控制系統(tǒng)替代流量單參數(shù)控制系統(tǒng)，節(jié)省了成本和空間，提高了防喘振效果；采用過(guò)熱蒸汽控制避免了液擊的發(fā)生；自動(dòng)開(kāi)停車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。對(duì)控制和聯(lián)鎖的優(yōu)化，大幅度提高了蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 趙陽(yáng).大型空分裝置的空氣透平壓縮機(jī)自動(dòng)控制[J].深冷技術(shù),2003,8(01)： 29-34.

[2] 劉天貝,徐繼榮.大型壓縮機(jī)自動(dòng)控制的優(yōu)化[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(06)： 17-20.

[3] 吳佳歡.離心式壓縮機(jī)的防喘振控制設(shè)計(jì)探討[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(05)： 33-36.

[4] 靳伍銀，劉飛躍，剡昌鋒，等.離心壓縮機(jī)的防喘振控制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33(03)： 42-45.

[5] 李剛，徐靜.壓縮機(jī)防喘振的兩種方法[J].設(shè)備管理與維修,2005(04)： 23-24.

[6] 李子源.基于DCS的透平式氧氣壓縮機(jī)控制方案優(yōu)化[J].江西冶金,2016,36(01)： 32-35.

[7] 宋文軍.甲醇空分裝置壓縮機(jī)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].煤化工,2008,36(03)： 28-30.

[8] 周一鳴，丁慧菁.聚乙烯裝置氣體壓縮機(jī)啟動(dòng)及安全停車(chē)聯(lián)鎖與容量控制[J].石油化工自動(dòng)化,2006，42(02)： 14-16.

[9] 張吉園.離心式壓縮機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行故障原因分析與研究[D].蘭州： 蘭州大學(xué),2015.

[10] 趙豐.離心壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)研究[D].大連： 大連理工大學(xué),2006.

[11] 牛大勇,成正朝.蒸汽離心壓縮機(jī)技術(shù)研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2004(01)： 6-7.

[12] 孫培艷.基于模糊控制的離心壓縮機(jī)防喘振控制方案的研究與仿真[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

Optimization Program of Control for Steam Compressor

Cai Cuiping

(China Tianchen Engineering Corporation, Tianjin, 300400, China)

s： Aiming at the problem of narrow stable work area, easy surge,liquid hammer, break-down and other condition of the compressor, multi-parameter anti-surge control is applied to the open of inlet vane, outlet and inlet pressure,inlet temperature. Reflux pipeline is added to the outlet of the compressor to avoid liquid hammer with superheated steam reflux control. Modification of interlock for startup and shutdown is carried out. The modified program is proved logically rigor after repeated testing and startup. The compressor runs stably.

steam compressor; anti-surge control; superheated steam; performance curve

蔡翠平(1986—)，女，山東泰安人，2011年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工過(guò)程信息工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)天辰工程有限公司，從事儀表專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)04-0022-04

稿件收到日期： 2017-04-11。