壓縮機控制系統(tǒng).doc

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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。 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)展非常快速, 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算法才能實現(xiàn)有效的控制。 Qs, vol Pd 壓縮機停車點，無壓力，無流量 A B C D 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 ESD DI 聯(lián)鎖輸出 防喘控制功能塊標準特性有： 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 每當如前述喘振被檢測到，安全裕度增加（控制線右移）一個校準量。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)（校準次數(shù)） 初始安全裕度 當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）須在當前h值的某一可設(shè)百分比范圍內(nèi)以可設(shè)值移動。當工作點越過設(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。當工作點在喘振控制線右方時，該特性減少了比例動作。當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，但限制了防喘閥的關(guān)閉。該特性使得防喘閥響應(yīng)快。當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。當運行點向左移動速度減小時，裕度不再增加。當運行點向安全區(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)壓縮機的速度或入口調(diào)節(jié)閥的開度來滿足工藝要求,當壓縮機進入喘振調(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，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)） 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。