基于Logix5000的膨脹壓縮機防喘振控制淺析

王春 楊武華 伍元剛 李楠 顏興

中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057

膨脹壓縮機是天然氣制冷單元的核心，防喘振控制系統是膨脹壓縮機的重要組成部分，對保護膨脹壓縮的安全運行有著舉足輕重的作用。膨脹壓縮機配置的Foxboro控制器是90年代產品，隨著時代和技術的進步，其綜合性能已經越來越不能滿足現場生產實際要求。為解決原控制器的老化和綜合性能落后的問題，該油氣終端裝置通過大量的調研和試驗，決定采用Logix5000 PLC替代原來的FoxBoro控制器。

1 膨脹壓縮機工藝流程設計流程與防喘振系統組成

1.1 膨脹壓縮機工藝流程

壓力1.83MPa，溫度-60℃的天然氣進入膨脹端的進口，通過膨脹端膨脹做功后，得到壓力0.3MPa、溫度-105℃的低溫干氣，低溫干氣去一級冷箱和二級冷箱冷卻未分離的天然氣，以分離出乙烷以上的較重組分，得到甲烷為主的天然氣干氣，再度進入膨脹端的進口，以此循環冷卻。膨脹端會做功帶動壓縮端壓縮之前換熱升溫后的干氣去下游用戶。由于其本身固有物理特性，天然氣干氣在壓縮端壓縮過程中會產生喘振現象，對設備產生嚴重破壞，因此需要安裝防喘振控制系統，來達到抑制防喘振現象的產生。文章將就如何控制防喘振現象展開探討。

1.2 反喘振控制器控制框圖

FOXBORO邏輯控制器（FIC-B440）通過控制壓縮端進出口的旁通控制閥FV-B440達到防喘振的目的；壓縮端進出口差壓變送器PDT-B440測量壓縮端進出口的差壓，并將信號傳送到 FIC-B44O；同時流量變送器（FT-B440）檢測壓縮端進口流體的流量，也將信號傳送至FIC-B440。控制器FIC-B440對這兩個輸入信號進行比較，并通過輸出一個信號控制旁通控制閥FV-B440的開度將此比率保持在預設定的范圍內，從而避免壓縮端進口流量過低，達到防止喘振的目的，見圖1。

圖1 防喘振控制器控制框圖

2 離心式壓縮端喘振產生機理

一般而言，壓縮端和設備之間存在制約關系，當流量變大時，會出現波動現象，氣流傳輸脫離實際運行模式，增壓輪內部會持續進行做攻運動，提升旋轉速度，但由于在運行中，損耗大量能力，使得機身內壓力降低，導致機器的端口部位壓力降低，管網的網容量比較大，壓力引起反應比較小，而且還會出現滯后現象，當管網系統壓力數值過高時，會出現氣體倒流問題。使得增壓端壓力逐漸上升，再次出現氣流倒流現象，最終停止倒流，為了保障機器內部運行狀態，增壓透平膨脹機會自動進行供氣，這時管網內的氣流會逐漸增加，會發出喘氣的聲音，不斷增加端口壓力時，該機器會逐漸振動起來，對設備造成極大損傷，這種現象被稱為喘振現象。

3 防喘振曲線分析

喘振是離心式壓縮機的固有特性，產生喘振的原因必須得從特性上找。如圖2中可見壓縮機的壓縮比P2/P1與流量Q的曲線上都有一個P2/P1比值的最高點。在最高點右面的曲線上面工作，壓縮機是穩定的。在曲線左面低流量范圍內，由于氣體的壓縮范圍較大，產生了一個不穩定狀態。當流量逐漸減小到喘振線時，一旦壓縮比下降，使流量進一步減小，由于輸出管線中氣體壓力高于壓縮機出口壓力，被壓縮了的氣體很快倒流入壓縮機，待管線中壓力下降后，氣體流動方向又反過來，周而復始便產生喘振。如果喘振強烈時，壓縮機將會嚴重破壞。

圖2 喘振曲線圖

4 防喘振自控系統的可行性分析

要使壓縮機能夠保持安全有效地運行，在負荷較低下時，其氣量應始終保持在喘振區右邊并留有一定的安全裕量，只要保證壓縮機吸人流量大于臨界吸入量QP，系統就會工作在穩定區，不會發生喘振。因此須將部分出口氣體，經出口旁路閥放空，但是如果旁通回路倒回入進口的氣體越多越能避免喘振發生，但是這樣出口增壓的效率會降低，而且回流越多，效率越低，違背了增壓的初衷，因此保證需要既防止喘振，又保證增壓效率，必須使系統工作在穩定區，并且需要根據實際計算出最佳方案即防喘振算法。

5 防喘振的實現方法

一般使用兩類防喘振方法，即固定極限流量法與可變極限流量法。

5.1 固定極限流量法

固定極限流量的防喘振控制系統，就是使壓縮機的出口流量保持大于一定值流量（圖2中的QP），避免進入喘振區導致曲線振動。其優點是控制系統簡單，回路控制部件少。缺點是當壓縮機轉速降低，處在低負荷運行時，防喘振控制系統投用過早，回流量較大，能耗較大，效率降低。

5.2 可變極限流量法

在壓縮機負荷通過調速來改變的場合，因為不同轉速工況下，極限喘振流量是一個變量，它隨轉速的下降而變小，所以此時防喘振控制方法，應是留有一定的安全裕量，使防喘振調節器的輸出值沿著喘振極限流量曲線右側的一條安全控制線工作。

6 基于Logix5000 的防喘振控制器的解決方案

6.1 Logix5000 防喘振控制的主要機制

喘振圖說明：

（1）喘振圖中縱坐標為壓比，橫坐標為入口壓力補償后的流量差壓。

（2）紅色線是喘振線，綠色是控制線。

（3）綠色十字點表示實際工作點，隨實際的流量壓差及出入口壓比而移動。

（4）黃色十字點表示盤旋控制點。

a）控制線移位

如果系統檢測到工作點越過喘振線，說明已經發生喘振，喘振控制線將被自動右移一個校準量。系統可設置校準量為一個固定值或一個比值。

b）PI控制

最基本的防喘振控制采用PI控制，它將所測得的實際值與設定值進行比較后，使用比例積分方法控制。

c）設定點跟蹤

當壓縮機的工作點在喘振控制線右方（安全區域）時，防喘振控制器的設定點位于實際工作點的左側，并與實際工作點保持一定的跟蹤距離。

d）非對稱響應

防喘振調節閥的過快關閉容易使壓縮機進入喘振，為了消除這種工況，控制器中有一個閥門關閉速率限制器，在開閥時則沒有這一限制，使防喘振閥達到快開慢關的目的。

6.2 Logix5000 防喘振控制模式

PLC Logix5000控制系統同通過控制壓縮端進出口的旁通控制閥FV-B440，達到防喘振的目的。PLC系統采集壓縮端進出口差壓變送器PDT-B440的差壓、采集壓縮端進口流量變送器（FT-B440）檢測的流量，PLC的PID回路FIC-B440對兩個輸入信號進行比較，并按一定算法運算，運算值去控制旁通閥FV-B440的開度，以達到壓差與流量的關系在規定的范圍，最終達到防止喘振的目的。

6.2.1 自動控制模式下的算法

算法是自動控制模式的核心，此控制系統在自動模式下，壓縮端旁通閥開度控制由PLC的PID回路（FIC-B440）根據壓縮端進出口壓差與壓縮端進口流量的關系決定。此關系為整個控制系統的核心算法，是通過大量工程試驗得出的常數和彼此之間的關系，要防止膨脹機喘振，壓差與流量的關系應滿足以下的算法關系（該算法是通過實驗得出膨脹機本身固有的特性）：

其中：

FT-B440為壓縮端進口流量；

PDT-B440為壓縮端進出口壓差；

C1為常數因子，經驗值為1.3，可通過觸摸屏界面設置；

K1為比例因子，經驗值為62.2，可通過觸摸屏界面設置。

從上述算法的關系式中可以得出：只要FTB440足夠大（相比PDT-B440而言），膨脹機就可以避免膨脹機發生喘振現象，但通過打開壓縮端旁通閥FV-B440的開度來增大壓縮端進出口流量雖然可以避免喘振，但過多的氣體回流也降低了膨脹機的工作效率，所以需要將FV-B440調節到一個合適的開度。

6.2.2 手動模式的控制

手動模式可分為兩種，第一種為全手動控制，它允許忽略喘振控制器的作用而關閉防喘振閥。這種方法在起步和測試階段很有用，但不能作為常規操作。如果系統被置于全手動操作，喘振控制器將無法開閥來避免喘振，只能通過改變手動操作值來操作。第二種為限權手動控制（部分手動），至閥門的最終輸出是由手動操作值與控制器的輸出值進行高選后得出。

在手動控制時，若要關閥，輸出值會以一定的斜率（2%/s）變化至手動操作值，即在手動狀態下也要實現閥門的快開慢關。在全手動時，防喘振控制的輸出會跟蹤最終輸出值，以便實現手/自動無擾動切換。

手動模式下，操作員可直接旁通閥FV-B440的開度進行調節。調節方式通過觸摸屏界面中手動設定進行。

7 結束語

防喘振控制系統是膨脹壓縮機的重要組成部分，關系到整個膨脹壓縮機安全運行。FoxBord控制器升級為Logix5000控制器后，大大增加了系統的可靠性和可維護性，人機界面更加友好，更加方便操作人員和維護人員的操作、維護。