ITCC防喘振控制系統在離心式壓縮機中的運用

毛大軍

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021506)

離心式壓縮機是速度型壓縮機的一種，是生產裝置上的核心設備，具有處理量大、體積小、結構簡單、運轉平穩、維修量小等特點，在生產過程中起著舉足輕重的作用。利用高速旋轉的葉輪帶動氣體一起旋轉從而產生離心力，將能量傳遞給氣體，使氣體壓力升高，速度增大，氣體獲得了壓力能和動能。在葉輪后部設置有通流截面逐漸擴大的擴壓元件(擴壓器)，從葉輪流出的高速氣體在擴壓器內進行降速增壓，使氣體的部分動能轉變為壓力能，從而提高壓縮氣體的壓力。離心式壓縮機的壓縮過程主要是在葉輪和擴壓器內完成。

當離心式壓縮機運行的工況偏離設計工況時，如果氣體流量減少，進入葉輪或擴壓器的氣流方向就會發生變化。當流量減少到臨界點時，由于葉輪的連續旋轉和氣流的連續性，使這種邊界層分離現象擴大到整個流道，氣流分離沿著葉輪旋轉的反方向擴展，使葉道中形成氣流漩渦，再從葉輪外圓折回到葉輪內圓，發生旋轉脫離，出現離心式壓縮機的“喘振”現象。

喘振是離心式壓縮機的固有特性，喘振現象對壓縮機十分有害，必須加以控制。防喘振的方式很多，如增設入口壓力、流量低聯鎖報警；在壓縮機出口管路上設置防喘振自動調節裝置，采用防喘振閥控制；在壓縮機出口管路上增設放空安全閥，并定期調校安全閥；定期檢查、調試防喘振調節閥、壓力及流量聯鎖儀表，確保其整定值準確，動作靈敏；做好壓縮機前、后系統的平穩操作，減少工況的波動；壓縮機啟動前要做好各項檢查，啟動后的升壓操作要緩慢、平穩。對于來自空壓機、氮壓機、二氧化碳壓縮機等的無毒、無污染性氣體，開車時可以將部分壓縮機出口氣體通過放空閥放空降低出口壓力；對于不允許放空的氣體，可以將出口部分氣體通過旁路返回壓縮機的入口。本文以二氧化碳離心式壓縮機為例來說明ITCC防喘振控制系統的運用。

1 設計理念

ITCC(Integrated Turbine and Compressor Control)簡稱壓縮機/透平綜合控制系統。當工況條件改變時，它能夠平穩地過渡到另一種設定工況，選用國際先進的Tricon TS3000對壓縮機進行控制和保護。TRICON控制系統硬件由美國TRICONEX公司生產，它具有三重冗余結構(TMR)和冗錯能力。從主處理器到輸入、輸出模件完全三重化的容錯控制系統，突出了“故障安全”功能，當系統出現故障時，輸出保持原值不動，在異常情況時，將機組控制在一個安全狀態。

Tricon系統下位機的編程由Tristation 1131完成，Tristation 1131是基于Windows環境開發的、針對Tricon系統的組態軟件，除自身帶有大量常用功能塊外，還允許用戶根據需要編制自定義功能塊。Tristation 1131具有SOE(Sequence Of Events)事件記錄功能，所有輸入、輸出和內存點都可以通過SOE記錄下來。該系統的SOE可以精確到毫秒級，為事故追憶及分析提供了可靠的保證。上位機的組態軟件由Intouch完成，與下位機的數據進行連接，為工藝提供了良好的數據采集、監控和操作功能。

機組控制系統的防喘振技術優良，執行速度快(周期100ms以內)，能有效應用復雜的控制算法，且能在系統內部實現速度控制與喘振控制之間的耦合控制，提高系統的響應速度及穩定性。系統通過Pd/Ps、h/Ps算法，確定機組的喘振線和防喘振控制線。

2 設計基礎

離心式壓縮機的特性曲線，通常是指出口絕壓P2與入口絕壓P1之比(或稱壓縮比)和入口體積流量的關系曲線、效率和流量或功率和流量之間的關系曲線。對于控制系統的設計而言，則主要用到壓縮比和入口體積流量的特性曲線。離心式壓縮機的喘振曲線見圖1。

圖1 離心式壓縮機的喘振曲線

從圖中可以看出，隨著流量的增加，壓比下降，功率和效率隨著流量的增加而增加。當流量到達某一個值后，隨著流量的繼續增加，功率和效率又會逐漸降低，最終出現阻塞工況。即流量已經達到最大值，任憑背壓如何降低，流量也不會再升高；或者壓縮機內流動損失很大，能提供的排氣壓力很小，僅能用來克服排氣管線的流動阻力以維持這樣大的流量。反之，當流量減小到一定程度后，工況將不再穩定，非常容易發生喘振。

ITCC控制系統也是基于這種特性曲線來設計的，喘振控制器有適配增益和快開、慢關功能，允許防喘振控制閥快速打開，防止喘振。當工作點接近防喘振控制線左邊的某一設定范圍時，開始打開防喘振控制閥；當工作點達到喘振線時，防喘振控制閥全開。如果發生喘振，防喘振安全線自動重新調整，防喘振控制線右移，每一次喘振被記錄后，安全邊界向右增加2%，此時，新生成的安全線成為當前的防喘振安全線。當工作點在防喘振控制線右側安全區域時，防喘振控制閥按照一個固定的、緩慢的速率關閉，此時可重新調整轉速，以形成新的工況。

在實際生產中，有些工藝變量的控制受到多種條件的約束和限制，因此，必須根據不同的條件進行控制。一般情況就是在一個調節系統中有兩個調節器(或兩個以上的變送器)，通過高低值選擇能適應生產安全狀況的控制信號，該自動調節系統稱為超馳控制系統，也就是選擇性控制系統，在生產中有著廣泛的應用。

超馳控制就是為實現軟保護而設計的控制系統，當參數達到極限時報警，設法排除故障，同時改變操作方式，按使參數脫離極限值為主要控制目標進行操作，以防該參數進一步超限。這種方式一般會使原有的控制質量降低，但能維持生產的繼續運轉，避免了停車。

3 設計方法

離心式壓縮機使用Triconex綜合控制系統，用于控制出口壓力，通過壓縮機壓縮氣體和防喘振閥控制出口壓力達到控制的要求，而單純的壓力控制器最終會導致壓縮機運行不穩定。為了避免這種情況，Triconex使用了段間壓力調節/防喘振控制。防喘振閥控制器使壓縮機出口的防喘振閥在入口流量低時自動打開，通過打開防喘振閥，工藝氣體帶回壓縮機出口流量和一段壓縮的壓力就會降低，但壓縮機的一段入口流量會增加。這樣，壓力控制器可以通過防喘振控制閥來控制入口流量，從而改變出口壓力的大小。

下位機中的防喘振控制程序，設置了自動、半自動、手動控制。防喘振控制應用能夠通過單個模塊有效地執行復雜運算的需要，產生一個不易出錯的控制程序，以確保回路閥門能及時動作防止喘振，也便于故障診斷和易于理解。

在防喘振控制器中包含一個標準的防喘控制設備(Pd/Ps與修正元素dp (hc)算法)。在啟動過程中，操作員將不能設置所需的防喘振閥的位置，防喘振閥處于全開位置(100%)。當操作模式到達正常運行模式時，操作員將能夠自己選擇“自動”和“半自動”兩種控制方式，全手動模式只能在流量傳感器故障的情況下有效。

(1)自動。自動情況下不允許操作員設置所需的防喘振閥的位置，只能被防喘振控制器控制。上位機操作按鈕上，將“手動控制”按鈕打到“半”位置，將“喘振控制”按鈕打到“自動”位置，即可形成全自動控制。一般情況下，不建議將操作模式切到“全自動”。

(2)半自動。半自動允許操作員設置一個所需的防喘振閥的位置，操作員可以打開或關閉防喘振閥，但喘振控制器會基于喘振控制的設定點進行閥位調整，不接受操作員給定的危險閥位操作。在上位機操作按鈕上，將“手動控制”按鈕打到“半”位置，將“喘振控制”按鈕打到“手動”位置，即可形成半自動控制。通常情況下都采用“半自動”來控制。

(3)全手動。全手動允許操作員設定一個所需的防喘振控制閥門的位置，操作員可以打開或關閉防喘振閥。在正常開車的情況下，為了安全起見，一般不允許打到全手動模式。因為人的反應不及時，也不可長時間目不轉睛地盯著實際工作點，機組一旦接近或者已經進入喘振，很難及時快速調整，所以正常情況下操作員是不能切到全手動模式的，只有當流量變送器FT5712A/B或FT5732A/B的兩只變送器的讀數都降到3.6mA以下，或上升到20.8mA以上，系統才會切到全手動狀態，閥門輸出將保持在目前的位置。如果它的讀數上升到3.8mA以上或20.4mA以下，傳感器被視為恢復正常，系統自身將會切到半自動狀態。上位機操作按鈕上，全手動的組合鍵是將“手動控制”按鈕打到“全”的位置，將“喘振控制”按鈕打到“手動”的位置。

1131程序中，通過0～4 095共計4 096個浮點數，將變送器中4～20mA的電流信號統一轉換成程序中從819～4 095相對應數。Xmin/819=3.6/4得出Xmin=737.1，Xmax/4 095=20.8/20得出Xmax=4 258.8。因此，浮點數≤736或≥4 259時，系統將會自己切到全手動狀態。

3.1 流量補償

管道中壓力和溫度參數參與到了流量的補償中，根據三菱公司提供的質量流量補償公式，可以計算出實際的質量流量。在整個喘振控制的計算中，0.101 3MPa(a)是添加到每個轉換絕壓的測量壓力中，273.15K添加到每個轉換絕對溫度的溫度測量中，該補償質量流量測量的公式為：

(1)

式中：h為壓縮機吸入流量0～100%；MFLOW為壓縮機質量流量補償；MFLOW_max為最大流量，kg/h；P_fo為壓縮機吸入壓力，MPa(g)；T_fo為壓縮機吸入溫度，℃；P_fob為孔板設計壓力條件，MPa(a)；T_fob為孔板設計溫度條件，℃。

現場安裝的流量檢測元件為三菱公司提供的孔板，在1131程序組態中，實際的二氧化碳流量是根據下列公式按體積流量來計算的：

QFLOW=QFLOW_max

(2)

式中：ΔP為孔板產生的差壓；ΔP_max為孔板設計的最大差壓；QFLOW為壓縮機體積流量補償；QFLOWmax為最大體積流量，Nm3/h。

3.2 喘振線的繪制

三菱壓縮機的喘振曲線圖是由壓縮機絕壓比(Pd/Ps)對排氣壓力的補償系數(Hc%)組成的坐標曲線。這些值輸入到標準的喘振控制算法來確定喘振點。可調整的安全系數被添加到喘振控制線中，形成流量設定點。流量和壓力變量用來確定工作點，并與控制線上的設定點進行比較。橫坐標流量補償系數Hc是基于下列式(3)來計算的：

(3)

式中：Hc為喘振控制器操作點橫坐標；Ps為壓縮機吸入壓力，MPa(g)；Ts為壓縮機吸入溫度，℃；Psb為壓縮機基本壓力條件，MPa(a)；Tsb為壓縮機基本溫度條件，℃。

壓縮比是指壓縮機排氣和進氣的絕對壓力之比。計算公式如下：

(4)

式中：PRAT為壓縮機壓縮比；Pd為壓縮機出口壓力,MPa(a)。

3.3 防喘振控制的具體運用

以二氧化碳壓縮機二回一防喘振控制為例，流量檢測元件FE5712的基本設計數據見表1。

表1 FE5712基本數據

在程序組態中，設定了壞值選擇，即一段入口和二段出口的溫度和壓力值如果超出了正常的儀表設定范圍，那么，程序將自動選擇設計工況下的參數值。流量計算選擇兩只差壓流量變送器rFT5712A和rFT5712B中最小的一個值作為實際壓差。

3.4 性能曲線圖

二氧化碳壓縮機二回一的性能曲線見圖2。

圖2 二氧化碳壓縮機二回一的性能曲線

根據圖中對應的比例，可以得到二段出口的絕對壓力，因一段壓縮機抽汽壓力為0.105MPa(a)，從而可以得出二回一的壓比。三菱公司設計二段出口最大流量為59 000 Nm3/h，但從圖中最高轉速對應比例來看，在最高轉速下所對應的最大實際流量比設計值低，假設QFLOW_max流量為壓縮機性能曲線下最高轉速所對應的最大流量，從二回一性能曲線圖得出QFLOW_max/58.554=59 000/60，計算出該性能曲線下的最大實際流量QFLOW_max=57 578Nm3/h。喘振線上的壓比為：

PRAT1=1.1/0.105=10.48

PRAT2=1.79/0.105=17.05

PRAT3=2.52/0.105=24

PRAT4=3.2/0.105=30.48

每個轉速下都會有一個對應的極限流量值，這些不同轉速所對應的極限流量值之間用線連接起來就形成了喘振曲線(見圖3)。其中，紅色曲線表示喘振線，黃色曲線表示控制線。正常情況下，控制線與喘振線之間的水平距離為10%。

圖3 上位機上的喘振曲線

當壓縮機正常運行后，若二段出口溫度TE5712為180℃，二段出口壓力PT5712為2MPa；一段入口溫度TE5701為13℃，一段入口壓力PT5701為0.01MPa，FT5712A/B兩只差壓流量變送器中最小的一個差壓值為5kPa。根據流量和壓比的計算公式，得出實際流量和壓比分別為：

QFLOW=QFLOW_max

=36 578.4Nm3/h

因壓縮機在標準工況下設計的一段入口的壓力P_sb為0.105MPa(a)，設計的一段入口溫度T_sb為13.7℃，則實際工作點橫坐標r5OPRPT1為：

下位機中的程序也是基于前面這些公式來計算喘振點的，實際工作點的位置會隨著工況的變化而發生改變。盤旋點也就是常說的設定點，盤旋點的位置會基于實際工作點的變化而發生動態改變。根據前面工況下計算出的相關數據，引入到上位機的操作畫面中，從而得出防喘振控制的實際工作點和設定點的位置關系。

當二段出口溫度TE5712為180℃，二段出口壓力PT5712為2.0MPa；一段入口溫度TE5701為13℃，一段入口壓力PT5701為0.01MPa，FT5712A/B的最小差壓值為8kPa時，實際工作點橫坐標r5OPRPT1為57.3302，盤旋點橫坐標r5HOVPT1為47.145，之間Hc相差10%以上。

在防喘振控制設計中，當實際工作點在控制線右側，且≥20%時，盤旋點將保持在控制線右側10%的位置；當實際工作點在控制線右側，且>10%，<20%時，盤旋點將隨著實際工作點的移動而移動，兩點之間保持10%的水平位移；當實際工作點在控制線右側且<10%，或者實際工作點在控制線左側，盤旋點將處于喘振控制線上。

當盤旋點已經移至喘振控制線上，實際工作點從右向左慢慢靠近盤旋點，只要還未越過盤旋點，防喘振閥FV5712開度仍將保持不變。

當實際工作點已經超過盤旋點時，喘振PID開始起作用，防喘振閥FV5712將會慢慢地自動開大，手動輸出值不再起作用，這就是防喘振控制的關鍵所在，即工況發生變化時，防喘振閥能夠及時地被自動打開，避免離心式壓縮機喘振。在閥門慢慢開大的過程中，只要工作點仍處于盤旋點左側，閥門就會一直開大，直到全開。

當防喘振閥FV5712全開后，實際工作點仍在往左移動。一旦實際工作點移至喘振線左側，進入到喘振區，防喘振控制線將在原來的基礎上自動往右水平移動2%，即控制線與喘振線之間的橫向位移由10%自動調整為12%。工況穩定后，如果實際工作點已經在盤旋點的右側，操作人員可用鼠標點擊畫面上的“自校驗復位”按鈕，控制線將恢復到初始設計位置，即控制線與喘振線之間的橫向位移恢復到初始設計的10%。

在控制設計中，實際工作點只要向左越過喘振線，控制線的位置就會自動往右水平再移2%，但控制線最多只能往右移動10%，即控制線與喘振線之間的橫向位移由10%最大調整為20%。

防喘振控制系統處于全自動模式下的操作，防喘振控制程序不再受工藝人員的干預，如果遇到突發事件或者大的波動，工藝人員都無法操作閥門。所以，防喘振控制系統在全自動模式下是非常危險的，不建議使用。

當FT5712A/B兩只變送器的讀數都降到3.6mA以下或上升到20.8mA以上，不論之前的防喘振操作模式是半自動，還是全自動，系統都會自動切到全手動模式，防喘振閥FV5712的輸出將保持在之前的位置。

4 結語

離心式壓縮機的喘振，要關注的是每一段進出口的壓力比和流量比的關系，保證入口流量，防止出口憋壓。防喘振控制是壓縮機控制的重中之重，是保護壓縮機正常運行的關鍵。一旦喘振發生，將對機組本體以及管網造成巨大的損壞。

儀表自控人員根據設計的相關數據進行組態，仔細核實每一個參數，并在程序組態完成后進行仿真實驗，檢驗是否能達到要求，對存在缺陷的地方及時進行優化。儀表維護人員要對現場的溫度、壓力、流量儀表進行系統地檢查，包括變送器參數設置，特別是防喘振流量檢測的取壓管線，要進行全面的泄漏檢查，這樣就保證了儀表本身的穩定性，減少了因儀表自身缺陷造成的工況不穩定，打消了工藝對儀表問題的后顧之憂。

裝置的穩定運行不僅需要各個專業的密切配合，更需要工藝人員明確操作步驟，提前發現問題并及時調整工況。在離心式壓縮機運行接近喘振點時，最直接有效的方法就是打開防喘振控制閥，進行流量調節，增加壓縮機流量。如果離心式壓縮機的工作點離喘振控制線還有一定的距離，可以根據壓縮機出口壓力進行適當的轉速調節，從而也達到節能降耗的目的。因此，為保證離心式壓縮機長期高效、穩定地運行，必須設置先進的控制算法進行自動控制，最大程度地避免離心式壓縮機發生喘振。