循环气压缩机防喘振控制

循环气压缩机防喘振控制摘要：本文系统介绍TRICON系统在循环气压缩机机组防喘振控制的应用及控制原理。重点介绍防喘振系统的功能模块的构建，同时简述机组运行故障时的检修方法与分析思路。关键词定义：喘振机理喘振线防喘振控制安全裕量盘旋设定点1、前言：大型离心式压缩机组由于其高效，经济，在现代企业中应用广泛，成为工艺连续运行的“心脏”。但是由于其造价相对于往复式压缩机而言要高很多，控制系统复杂，而且占用的空间大等缺点，对于工艺成熟的企业一般不设置备用机组。喘振是离心式压缩机固有的特性，每一台离心式压缩机都有它一定的喘振区，因此只能采取相应的防喘振调节方案以防止喘振的发生。本文以天利高新技术公司醇酮厂的循环气压缩机C41101（SVK1-H型）为例，详细介绍TRICON三重化控制系统如何构建机组防喘振系统，并简述防喘振仪表常见故障的处理方法。2、离心式压缩机喘振机理：离心式压缩机的特性曲线与喘振离心式压缩机的特性曲线是指压缩机的出口压力与入口压力之比(或称压缩比)与进口体积流量之间的关系曲线P2/P1～Q的关系，其压缩比是指绝对压力之比，特性曲线如图所示：图2.1离心式压缩机喘振曲线由图2.1可见,其特性曲线随着转速不同而上下移动，组成一组特性曲线，而且每一条特性曲线都有一个最高点。如果把各条曲线最高点联接起来得到一条表征喘振的极限曲线，如图中虚线。所以，图中还有阴影部分称为喘振(或飞动)区；在虚线的右侧为正常工作区。实线与虚线之间是临界区，压缩机可以运行，但太靠近喘振区，应尽量避免长期工作。P2/P10QACBD图2.2固定转速机下的特性曲线图2.2是一条某一固定转速机下的特性曲线,喘振时工作点由A-B-C-D-A反复迅速的突变。喘振是一种危险现象，发生喘振时，可发现在入口管线上的压力表指针大幅度摆动，流量指示仪表也发生大幅度的摆动.喘振现象会损坏压缩机的各部件，轴承和密封也将受到严重损害，严重时造成轴向窜动，甚至打碎叶轮，烧轴，使压缩机遭受破坏。喘振是离心式压缩机固有的特性，每一台都有它一定的喘振区，因此只能采取相应的防喘振调节方案以防喘振的发生。3、工艺流程简介：醇酮装置是利用环己烷（C6H12）在铁系催化剂的催化作用下与贫氧空气（氧含量：10%）中的氧组分发生氧化反应，生成环己醇（分子式：C6H11OOH）、环己酮（分子式：C6H10O）、还己基过氧化物（可分解为环己醇、环己酮）,前两者合称醇酮。另外，由于反应温度、氧气含量的不同，会产生甲酸、二元酸等付产品。循环气压缩机组是用于反应尾气的重复利用，与来自新鲜空气压缩机C41102的新鲜空气配制贫氧空气（氧含量：10%）。循环气机组部分的实时工艺流程如图3.1，流程说明如下：4.5MPa中压蒸汽自管网来，经过减温减压后至4.1MPa，用于驱动汽轮机（杭汽大陆产：B0.3-4.1/1.1型）C41101/2，蒸汽凝结水直接排入地沟。汽轮机通过齿轮变速箱升速后驱动贫氧空气压缩机C41101/1，使之达到18831r/min。经过醇酮反应器贫氧催化反应消耗掉贫氧空气中氧组分的尾气，通过洗涤工艺后主要成分为氮气（N2：95.52%），氧气(O2:3.44%)、微量CO、CO2、环己烷蒸汽等。经过贫氧空气压缩机入口气液分离器分离出凝结液体后进入压缩机升压，经出口气液分离后进入气气混合器R41103，与来自新鲜空气压缩机的新鲜空气混合调配成氧含量为不大于10%的贫氧空气，送往醇酮反应器进行贫氧催化反应。V-2V-3E-1E-2FICSA2171TISA2104PI2152电磁阀FSCV2171防喘阀FCV2171V-5C41101汽轮机变速箱循环气压缩机出口分液器入口分液器图3.1循环气压缩机简易工艺流程图4、循环气压缩机防喘振系统的构成：4.1、机组及控制系统概述：循环气压缩机C41101是天利高新技术公司52500T/h醇酮生产装置的核心设备。循环气压缩机使用由沈阳鼓风机厂设计制造的单级悬臂高速型离心压缩机（SVK1-H），压缩机入口压力是高压型。原动机采用杭汽大陆生产的B0.3-4.1/1.1蒸汽轮机。压缩机SVK1-H技术参数如下：正常质量流量10441kg/h；轴功率：229kW；原动机功率：300kW；出口温度：81.6℃；入口温度：28℃；出口压力：2.1MPa；入口压力：1.6MPa；工作转速：18831r/min；一阶临界转速：8912r/min；二阶临界转速：40383r/min。机组监控系统采用三重化控制系统（软件版本为：TriStation1131.4.1）作现场控制系统，用监控软件（INTOUCH9.5）作上位监控。4.2、循环气压缩机防喘振控制系统功能设计：4.2.1、防喘振控制阀“快开慢关”。要求防喘振控制阀能够平稳调节，在异常工况时能够快速打开4.2.2、由于不能全范围做喘振实验，理论计算不能绝对准确，制作的喘振线采用插补运算所得，所以需要设置一条防喘振控制线，使两线之间有一定的安全裕量。4.2.3、喘振控制器设置为随动调节系统，其给定值通过盘旋给定控制器计算，实时跟踪操作裕量；对于偏差的调节采用PI调节功能；根据偏差大小的范围使用不同的PI控制参数，即要求PI控制有自适应能力。4.2.4、发生“喘振”后，无论是否真实，为了防止机组再次达到喘振组态，设置累计安全裕量调整偏置；在确认为虚假喘振后，可以对喘振计数器，安全裕量调整偏置复位。4.2.5、在喘振控制器调节作用之前的异常工况，设置喘振超驰控制、过程超驰控制通过选高控制，阻止机组进入喘振区；当以上控制产生效果前，设置独立的跳车控制保护机组。4.2.6、根据操作需要设置3种操作方式：自动、半手动（安全运行）和全手动控制。在机组停止状态时调试的需要设置实验方式。4.3、控制方案说明：4.3.1、通常采用孔板、阿牛巴等测量元件测量差压的方式测量压缩机输出流量。对于输出的气体体积流量，由于不同工况时温度压力不同，需要根据理想气体状态方程，进行温度压力补偿，计算出标准状态下的体积流量，以满足防喘振控制的需要。4.3.2、根据机组喘振实验所得喘振点参数或根据机组生产厂方提供的喘振点（一般不大于5点）参数，采用插补运算的方法，制作“压比（y轴）—出口流量（x轴）”喘振线。当实际操作的工作点（实际操作压比，实际操作流量）在喘振线的右边时，机组处于安全工作区；当实际操作的工作点因压比、流量或出口温度的变化导致向喘振线方向移动，接近喘振线时，机组处于临界喘振状态；继续朝喘振线的左边移动时，机组进入喘振区。4.3.3、为了控制机组工作点在所以防喘振系统需要设置一条实际防喘振控制线（见图4.1），与喘振线之间留有安全控制裕量，包括以下两项：可以预置的裕量偏差常量、喘振点的比率值。可以表达为下式：rSAFETY_OP=ConstantMargin+ProportionalMargin×rSULIN/100其中：rSULIN为喘振线上的各喘振点；计算由功能块SAFETY_MAR实现。ControlLine(SAFETY_OP)图4.1防喘振控制线理论图图4.2线间关系图4.3.4、机组在正常运行过程中，不宜大幅度调整喘振阀门的开度，而且防喘振控制线与喘振线之间可以调节的空间小，所以系统设计一条盘旋线（见图4.2），使之实时跟踪机组运行工作点，并使实际工作点围绕盘旋线小范围（HoverSetting）调节。在本例中盘旋线与喘振控制线之间的裕量设置为1800Nm3/h。盘旋给定功能由SP_HOVER功能块实现：当实际操作裕量大于盘旋点时，为实际操作裕量与盘旋点的差值；当实际操作裕量开始减小时，功能块的输出以预设的速率减小；当实际操作裕量不大于盘旋点时，以累计安全裕量做为功能块的输出。其输出作为喘振控制器的给定值。4.3.5、喘振控制器（PID_SRG）依据盘旋给定控制器输出的设定值与实际操作裕量的偏差进行PI控制运算，得到的结果经防喘振阀门控制源判断去调节防喘振阀的开度，从而改变工况，使实际工作点稳定在一个新的安全工况。由于盘旋设定功能块（SP_HOVER）在实际操作裕量减小到时候，其输出以设定点速率减小，对于喘振控制器而言，其给定值是动态的。4.3.6、喘振控制器（PID_SRG）的PI参数由适应性调节参数功能块（Adptv_Tn1）提供：当设定值与实际操作裕量的差值大于设定范围（PK_PT1），提供设定参数TUN1；当实际操作裕量与设定值的差值大于设定范围（PK_PT2），提供设定参数TUN2；当差值在正常范围内或者功能块被禁止时提供设定参数NORMAL。自适应的PI控制参数有利于喘振控制器（PID_SRG）调整控制力度，使机组控制平稳。4.3.7、喘振超驰控制器（SRG_OVRD）是一个纯比例的控制器，在压缩机工作点移动到喘振超驰控制线（喘振线与防喘振控制线之间，安全裕量的7%）开始动作，逐渐打开防喘振控制阀。它是在喘振控制器（PID_SRG）产生控制效果之前，快速将压缩机实际工作点拉回安全区。阀门控制方式选择功能块VALVE_SEL05的作用是实现喘振控制系统的3种操作方式，并在自动控制、半手动控制时选择4.3.8、跳车曲线功能块(DUMPSOLENOID_FUNCTION)的作用是当压缩机实际操作裕量小于累计安全裕量的一个设定倍数（kDUMP,设置为小数）时，产生一个跳车信号，使防喘振电磁阀失电，快速打开防喘振阀，防止机组进入喘振区。跳车曲线功能(DUMPSOLENOID_FUNCTION)也是机组防喘振系统的最后保障。4.4、防喘振控制过程简述（假设压比不变，见图4.3）：当压缩机在实际的工况运行时，如图4.3中的A点，盘旋设定点Av,跟踪A点，喘振控制器输出为0%，此时防喘振阀已经全关。当压缩机因为工艺原因，实际工况到达图4.3中的B′点时，盘旋设定点从Av点以设定速率向Bv′点靠近,同时喘振调节器输出信号增加,防喘振阀门逐渐开启,出口流量增加,将实际运行点拉向A点方向到B′点；直到Bv点移动到B点的左边，防喘振调节器的输出逐渐下降知道0%，此时防喘振阀已经全关。此时压缩机达到一个新的运行点B点，盘旋设定点到达Bv点。当压缩机工作在A点时，工艺原因导致工作点低于实际防喘振控制点,如图中Bv′点,如果不考虑系统反馈作用或者防喘振调节起作用前，盘旋设定点以设定速率递减到Bv′点，但不会低于Bv′点。当压缩机工作在A点，如果实际工况到达了C点，则盘旋设定点及时跟踪到Cv点。当压缩机工作在A点，工艺原因导致运行工作点穿越初始防喘振线，到达D点，喘振超驰开始以比例控制方式控制，保证工作点移动到喘振线时，防喘振阀全开。当工作点移动到E点时，只要不是在全手动运行模式，DUMP跳车功能动作，直接驱动防喘振电磁阀，使防喘振阀门全开，保证机组不进入喘振区。AvBvCBv′CvB′ABDE出口流量压比（出口压力）喘振线初始防喘振线实际防喘振线跳车线（DUMP)盘旋线Hovver喘振超驰使能线SRG_OVRDENABLELINE图4.3压缩机防喘振特性4.5、防喘振系统由下列单元构成：循环气压缩机C41101出口压力PI2152；循环气压缩机C41101出口流量FICSA2171；循环气压缩机C41101出口温度TISA2104；防喘振执行单元：防喘振电磁阀FSCV2171、防喘振阀FCV2171；防喘振控制系统：TriStation1131.4.1；上位监控系统：INTOUCH9.5。5、系统功能组态：5.1、模拟量输入信号规格化及报警处理：出口压力变送器PI2152、出口流量FICSA2171采用ROSEMOUNT3051压力变送器；输出的4～20mA信号经过安全栅、TRICON系统的输入前置卡、进入模拟量输入卡，此实数型变量由模拟量输入卡转换为双整型数（819～4095），由主处理器调用进行规格化处理，还原为实数，当输入量超限时，发出报错信号。逻辑组态如图5.1（以PI2152为例）：图5.1模拟量输入信号规格化处理说明：RAWIN—未经处理的模拟输入量，双整型；MinRaw—最小输入量，双整型，（即输入双整型量下限，由系