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1、壓縮機控制技術(shù)概述概述壓縮機是石油、化工、冶金等行業(yè)工藝中重要的設(shè)備，對機組運行的穩(wěn)定性，安全性，連續(xù)性要求比較高，這樣，就需要由高度可靠、高度集成、高度專業(yè)的控制系統(tǒng)作為達到以上要求的保證。概括而言，壓縮機的控制系統(tǒng)主要分為以下幾個方面：機組的聯(lián)鎖保護及邏輯功能（ESD）過程調(diào)節(jié)功能壓縮機的防喘振汽輪機調(diào)速控制和超速保護功能說明一 機組的聯(lián)鎖保護及邏輯功能（ESD）1. 報警聯(lián)鎖保護控制系統(tǒng)監(jiān)測壓縮機，汽輪機，油站等現(xiàn)場的溫度，壓力，振動，位移等信號，做出相應(yīng)的高低報警及聯(lián)鎖停機。2. 啟停車邏輯系統(tǒng)能實現(xiàn)機組的開機啟動順序控制，包括機組啟動前確認潤滑油溫度、潤滑油壓力、控制油壓力、透平入口
2、的蒸汽壓力及溫度達到啟動值，防喘振閥全開位置，主氣門全開，盤車停止等條件，全部條件滿足后輸出啟動信號。正常停機的卸載控制。3. 油站的油泵控制(A.O.P)兩個油泵互為備用，控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)主備油泵的選擇，每個油泵可在手動自動方式切換。如果潤滑油壓力或控制油壓力低，可自動啟動備用泵；如果潤滑油壓力開關(guān)動作，以三取二方式實現(xiàn)聯(lián)鎖停車邏輯。4. 汽輪機的冷凝水泵控制(C.E.P)兩個冷凝水泵互為備用，控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)主備冷凝水泵的選擇，每個冷凝水泵可在手動自動方式切換。冷凝水泵主要是用于冷凝罐的排水泵，可根據(jù)液位設(shè)定值自動或手動啟動停止水泵，兩個水泵可同時或單獨工作。另外，系統(tǒng)還會做相應(yīng)的保護，比
3、如，液位如果達到最大設(shè)定值，立即強制兩個水泵同時運行，如果達到液位最低設(shè)定值，立即強制兩個水泵同時停止，以保證冷凝罐內(nèi)的水位正常。二 過程調(diào)節(jié)功能汽輪機驅(qū)動的壓縮機控制回路主要有：1. 油站的油壓調(diào)節(jié)根據(jù)需要，有的油站設(shè)計有兩個油壓調(diào)節(jié)回路，分別在油泵出口和油過濾器出口，可以根據(jù)相應(yīng)管路的油壓要求調(diào)節(jié)閥門，保證油壓的穩(wěn)定。2. 汽輪機的冷凝水的排放閥和循環(huán)閥控制根據(jù)汽輪機的冷凝水液位，調(diào)節(jié)排放閥和循環(huán)閥以控制冷凝罐內(nèi)的水位，冷凝水的排放閥和循環(huán)閥控制為分層調(diào)節(jié)，分層點由現(xiàn)場的實際情況來定，可以由用戶在操作界面上設(shè)定分層點。3. 壓縮機段間氣液分離器液位控制根據(jù)氣液分離器液位調(diào)節(jié)出水閥控制液位。
4、 三 壓縮機的防喘振 防喘振功能喘振現(xiàn)象喘振是渦輪機組特有的現(xiàn)象，我們可以從下圖的簡單模型來解釋這一特性，從圖中可以看出，當(dāng)容器中壓力達到一定值時，壓縮機運行點由 D 沿性能曲線上升，到喘振點 A，流量減小壓力升高，這一過程中流量減小壓力升高，由A點開始到B點壓縮機出現(xiàn)負流量即出現(xiàn)倒流，倒流到一定程度壓縮機出口壓力下降（B-C），又恢復(fù)到正向流動(C-D),這樣,氣流在壓縮機中來回流動就是喘振,伴隨喘振而來的是壓縮機振動劇烈上升,類似哮喘病人的巨大異常響聲等,如果不能有效控制會給壓縮機造成嚴重的損傷,喘振工況的發(fā)展非?？焖? 一般來講在 1-2 秒內(nèi)就以發(fā)生,因而需要精確的控制算法和快速的控制
5、算法才能實現(xiàn)有效的控制。Qs, volPd壓縮機停車點，無壓力，無流量ABCD動態(tài)防喘振技術(shù)：機組投入運行后，PLC系統(tǒng)將根據(jù)壓縮機入口流量、入口壓力、出口壓力及相應(yīng)的溫度，來判斷是否發(fā)生喘振。如發(fā)生喘振，則由防喘振控制器的輸出值進行調(diào)節(jié)防喘振控制閥。 通用喘振線喘振參數(shù) 壓縮機的喘振點可由壓比（Pd/Ps）及入口差壓計算的流量得出。入口流量的測量值與 Pd, Ps, Td,及Ts等可用來計算孔板值h（該孔板可視為位于壓縮機的入口），進而作出喘振預(yù)測。 防喘控制的 I/O要求PT AI 入口/出口壓力TT AI 入口/出口溫度FT AI 入口流量PV AO 防喘閥SOV DO 旁路/放空閥ES
6、D DI 聯(lián)鎖輸出防喘控制功能塊標(biāo)準(zhǔn)特性有：選擇h/Ps的算法小流量或低轉(zhuǎn)速情況下的防喘振線計算如果喘振發(fā)生，喘振安全裕度可自動調(diào)整設(shè)定點浮動線功能可以在工作點向喘振線竄動時及時打開防喘閥比例調(diào)節(jié)功能可以迫使防喘閥獨立于控制過程而打開靈活的起機和跳車邏輯可選擇手動控制幫助設(shè)定、測試和故障排除當(dāng)喘振逼近或透平跳車時，電磁閥觸點輸出可打開防喘閥防喘振算法選擇：采用壓比算法進行組態(tài)。防喘振線計算：將喘振線上的幾個點的坐標(biāo)輸入到防喘振功能塊中，自動計算出喘振線，防喘振線。安全裕度重校： 如果系統(tǒng)檢測到工作點越過喘振線，表示喘振已發(fā)生，喘振控制線將被自動調(diào)節(jié)到右方，而加大安全余量。壓縮機可能在以下情況下
7、喘振:變送器漂移帶來的誤差喘振閥或執(zhí)行機構(gòu)的粘滯喘振閥或回流管道的部分堵塞非同尋常的巨大的工藝擾動因壓縮機磨損導(dǎo)致喘振線移位安全裕度不足過程條件突變喘振線設(shè)置錯誤每當(dāng)如前述喘振被檢測到，安全裕度增加（控制線右移）一個校準(zhǔn)量。輸入一個裕度新值可使瞬態(tài)計數(shù)器歸零，且使重校后的裕度等于輸入值。系統(tǒng)可組態(tài)為每次增加一個固定量（如2），或一個累加量（如1，2，4，8等）。重校發(fā)生的最大次數(shù)亦可組態(tài)。系統(tǒng)可顯示如下量：喘振發(fā)生次數(shù)（校準(zhǔn)次數(shù)）初始安全裕度當(dāng)前重校后的安全裕度設(shè)定點浮動線： 一般情況下，壓縮機不會在喘振線上持續(xù)運行或過長時間運行。當(dāng)工作點在控制線右方（安全區(qū)域），喘振控制器的設(shè)定點（線）須在
8、當(dāng)前h值的某一可設(shè)百分比范圍內(nèi)以可設(shè)值移動。當(dāng)工作點越過設(shè)置點（浮動線），以小幅快速向喘振線竄動時，將發(fā)生如下情形：防喘閥迅速打開設(shè)定點浮動線將以可設(shè)值移動直至防喘閥全關(guān)新工作點建立如果設(shè)定點浮動線與喘振控制線重合，系統(tǒng)將保持回流以保證在喘振控制線上運行，此特性并非在所有條件下應(yīng)用，在應(yīng)用前亦需作充分評估。適應(yīng)性增益和非對稱響應(yīng)：喘振控制器提供了一種適應(yīng)性增益特性。當(dāng)工作點在喘振控制線右方時，該特性減少了比例動作。當(dāng)工作點在喘振控制線右方的操作裕度超過設(shè)定距離，則調(diào)用適應(yīng)性增益特性。PI 控制將能夠在發(fā)生較小和較平緩的擾動的情況下進行平穩(wěn)的控制和保護。 根據(jù)比例或積分響應(yīng)，防喘閥可打開，但限制
9、了防喘閥的關(guān)閉。該特性使得防喘閥響應(yīng)快。當(dāng)工作點安全地移到喘振控制線的右方，防喘閥以設(shè)定速率慢關(guān)，保證將透平驅(qū)動機及工況控制器調(diào)整到新的工作條件下。比例功能： 系統(tǒng)有一純比例調(diào)節(jié)階段，該階段可獨立于正常PI控制器打開防喘閥。當(dāng)工作點移到喘振控制線左方，而正常PI控制器無法提供足夠響應(yīng)，可能導(dǎo)致嚴重的過程失序時，則進入該階段。亦即在控制線左方到達某一特定裕度，則打開防喘閥，進入該階段。當(dāng)工作點與喘振線重合時，防喘閥全開。換言之，工作點進入喘振控制線及喘振線之間時，防喘閥按比例打開。該比例階段是由信號選擇器來實現(xiàn)的。控制器的反饋動作迫使控制器輸出跟蹤該階段。 即使在喘振控制器失調(diào)情況下，此特性仍可
10、保護機組。自增益響應(yīng)（微分響應(yīng)）：壓縮機在正常運行中，運行點基本上在控制線附近，如果壓縮機的安全裕度能盡量保持較小，這樣壓縮機運行的效率就較高。當(dāng)運行點在一個較大的干擾作用下快速向喘振控制線移動, 速率超過一定限制后，喘振控制的安全裕度可以動態(tài)增加。這使得喘振控制 PID可以提早做出反應(yīng)，防止突然快速的工藝擾動造成機組喘振，避免出現(xiàn)快速擾動而沒有到喘振區(qū)域而打開防喘振閥造成的能量浪費。當(dāng)運行點向左移動速度減小時，裕度不再增加。當(dāng)運行點向安全區(qū)移動后，增加的安全裕度將以設(shè)定好的常數(shù)逐步減小。當(dāng)壓縮機運行點移動到比例功能線左側(cè)時，自增益響應(yīng)中止。解耦控制:對于有性能控制的機組,通常會通過調(diào)節(jié)壓縮機
11、的速度或入口調(diào)節(jié)閥的開度來滿足工藝要求,當(dāng)壓縮機進入喘振調(diào)節(jié)時,有時性能控制會同時要求減小流量,如性能控制變量為出口壓力或出口流量時,兩個控制回路是互相反作用的，從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使機組更加接近喘振。針對這種情況，性能控制算法和喘振控制算法會將各自的輸出加權(quán)到對方的控制響應(yīng)中去，從而實現(xiàn)解耦控制來使兩個控制回路協(xié)調(diào)動作，迅速穩(wěn)定系統(tǒng)。手操控制： 有兩種手操控制可選：第一種為全權(quán)手操控制功能。它允許防喘閥不顧防喘振控制器的作用而關(guān)閉。這種選擇在測試和設(shè)定的時候有用，但不可組態(tài)為正常操作。因為如果系統(tǒng)被置于手操狀態(tài)，防喘振控制器將無法開閥防喘。第二種為限權(quán)手操控制功能。這種選擇設(shè)定了一個防喘閥
12、的最小開度，它允許操作員開閥；如果防喘振控制器需要開閥避免喘振的話，手動關(guān)閥動作不起作用。 防喘振系統(tǒng)提供了可與調(diào)節(jié)閥同比例的線性度，因而可產(chǎn)生更為線性化的增益。當(dāng)系統(tǒng)在不同點而非耦合點運行時，則避免了任何可能的不穩(wěn)定性。大多數(shù)應(yīng)用場合下，總有一個防喘閥是氣開閥，它需要防喘閥輸出反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)可組態(tài)為徑向或反轉(zhuǎn)操作。電磁閥輸出： 當(dāng)向喘振控制線左方出現(xiàn)特定竄動時，可組態(tài)一個觸點輸出打開大功率電磁閥，來使防喘閥快開。此特性對于有較短閥程的大閥門來說很有用。當(dāng)系統(tǒng)從喘振狀態(tài)回來時，電磁閥關(guān)。對閥的控制則可從比例控制恢復(fù)到正常的喘振控制。四 汽輪機調(diào)速控制和超速保護汽輪機的主要控制就是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，包括啟動
13、，升速，運行，超速等過程，傳統(tǒng)的控制大部分由WOODWARD505或505E調(diào)節(jié)器來完成轉(zhuǎn)速控制，由ProTECH 203完成三取二超速保護控制。隨著PLC硬件的發(fā)展及國際專業(yè)透平控制公司的研究，現(xiàn)在很多石油，化工等行業(yè)的汽輪機轉(zhuǎn)速控制由專業(yè)的控制器通過軟件來完成，控制器也是PLC的一種，只是針對性更強，象CCC(美國壓縮機控制公司)、WOODWARD公司、美國TRICONEX公司，英國ICS均是專業(yè)的機組控制公司，其中以CCC為國際上認可的最專業(yè)公司。調(diào)速技術(shù)機組的轉(zhuǎn)速控制從啟動開始，一般分為幾個模式：模式0停機模式1允許啟動模式2 暖機模式3 升速（其中包括越過臨界區(qū)）模式4運行（調(diào)節(jié)區(qū)）
14、模式5超速測試透平啟動分為手動和自動兩種方式設(shè)置。自動方式下會按照預(yù)設(shè)的暖機速度、暖機時間和升速率等自動控制透平升速并迅速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)。直至升速至正常運行的最小轉(zhuǎn)速，進入模式4。也可以通過人工手動啟動，相對來說，手動啟動更為常見。模式0 停機任何模式下出現(xiàn)聯(lián)鎖停機信號或停機動作則透平進入模式0停機，速關(guān)閥電磁閥失電全關(guān)，其它輸出也進入安全狀態(tài)。模式1允許啟動在所有啟動條件具備后，可以啟動汽輪機。汽輪機分為冷啟動和熱啟動，冷啟動就是需要經(jīng)過長時間盤車后進行的啟動，在啟動中，需要暖機；熱啟動是直接從盤車后啟動，可以不需要暖機。在這個過程中，由于汽輪機的靜止慣性，電液轉(zhuǎn)換器可能需要很大的輸出才能使
15、汽輪機有轉(zhuǎn)速，造成汽輪機沖動過程中的飛速，因些，好的控制器會在這時限制一個轉(zhuǎn)速，一旦汽輪機有轉(zhuǎn)速，強制電液轉(zhuǎn)換器的輸出為一個定值，例如3%，將轉(zhuǎn)速控制在一個小范圍內(nèi)，這樣也減小了啟動過程中對冷態(tài)軸承的磨擦。模式2 暖機冷啟動方式啟動后，為使軸承受熱均勻，機組會在暖機轉(zhuǎn)速下恒速運行一段時間。典型的汽輪機啟動會有1或2個暖機轉(zhuǎn)速。暖機完畢后，機組可以升速到最小調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速，然后加載。模式3 升速在升速模式下，可以自動或手動升速到最小工作轉(zhuǎn)速。升速過程可以隨時中斷或重新開始。升速模式中會遇到汽輪機或壓縮機的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)不能停止，要快速超過或快速降回臨界區(qū)下限。在工程初期，可能會因為蒸氣
16、品質(zhì)原因，輸出電液轉(zhuǎn)換器最后還沒有越過臨界區(qū)，這時候系統(tǒng)在進入臨界區(qū)后開始計時，計時到后還沒有越過，就會立即降轉(zhuǎn)速到臨界區(qū)下限，這樣以避免機械損傷。模式4運行運行區(qū)是汽輪機的可調(diào)節(jié)區(qū)，這里可以通過手動給定轉(zhuǎn)速設(shè)定值，手動升降速，性能控制等幾種方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。通過性能控制調(diào)節(jié)，需要進行轉(zhuǎn)速和防喘振控制間的解耦。在運行期間，如果甩負荷出現(xiàn)快速甩負荷造成汽輪機轉(zhuǎn)速跳車轉(zhuǎn)速快速接近，PID來不及輸出關(guān)閥，通過設(shè)定一個電液轉(zhuǎn)換器輸出值，快速關(guān)閥。轉(zhuǎn)速降低到最大調(diào)速控制轉(zhuǎn)速以下時，PID 控制接替動作將速度控制在速度設(shè)定點上。模式5超速測試在初期試車階段，會做超速測試，校驗電子跳車轉(zhuǎn)速和機械跳車轉(zhuǎn)速。以上簡單介紹了常見的機組控制技術(shù)，高級應(yīng)用還有性能控制，負荷分配等，在此不做介紹。13
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