离心压缩机组控制系统的研究与设计-硕士学位论文

分类号 密 级 U D C 学 位 论 文 离心压缩机组控制系统的研究与设计离心压缩机组控制系统的研究与设计 作 者 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 申请学位级别： 硕士学 科 类 别 ： 专业学位 学科专业名称： 控制工程 论文提交日期：论文答辩日期： 学位授予日期：年 月 日答辩委员会主席： 教授 评 阅 人 ： 东 北 大 学 II 年 月 东北大学硕士学位论文摘 要 III 离心压缩机组控制系统的研究与设计 摘 要 离心压缩机广泛应用于冶金、石化、煤化工、PTA、长输管线等石油化工领域， 是生产过程中十分重要的关键型设备，用来输送各种工艺气体或混合气体，通过叶轮 的压缩并提高其压力，满足后续流程需要的各种工况条件的气体。随着我国石油化工 工业的飞速发展，对离心压缩机组及离心压缩机组控制系统的要求也越来越高，而控 制系统及防喘振系统的自动化程度也显得尤为重要。 本课题的研究内容主要包括以下几个部分： （1）通过介绍离心压缩机的结构、分类及工作原理，了解离心压缩机的性能，为 压缩机控制系统的设计内容确立了研究目标； （2）对压缩机组控制系统中的喘振的危害、喘振的原因、喘振线、防喘振线及快 开线进行了详细的介绍，并对调速控制、压力调节系统、温度调节系统、液位调节系 统、差压调节系统做了介绍，还描述了压缩机组控制系统一些必要的报警及联锁保护 系统； （3）根据离心压缩机的工艺流程，介绍压缩机的气路系统和润滑油路系统现场仪 表的选用； （4）根据压缩机组的控制要求及各个调节系统控制要求对压缩机组控制系统的硬 件进行研究与设计，并对压缩机控制系统的逻辑做了简单介绍。 关键字：机组控制系统;防喘振控制;离心压缩机;检测仪表 东北大学硕士学位论文Abstract IV Research and Design on Centrifugal Compressor Control System Abstract Centrifugal compressor is the crucial device during the process of the production for it widely are used in metallurgy, petrochemical, chemical, PTA, long distance pipeline and oil field of chemical industry. During this process production, the centrifugal compressor is utilized to convey various process gas or other gases, and the pressure is improved via the impeller compression, then the following needed gas under the various case condition will be meet. With the rapid development of Chinas oil chemical industry, the requirement of both centrifugal compressor and centrifugal compressor control system is more power. Meanwhile, the automatically of both the control system and antis urge control system is particularly important. The mainly research content includes the following four parts: (1) The structure, classification and working principle of the centrifugal compressor is introduced firstly, and the characteristic of the centrifugal compressor is learned fatherly. Based both the introduction and learning, the research purpose of the centrifugal compressor is confirmed. (2) The surge harm, surge reason, surge line and anti-surge line of the compressor control system are expatiated firstly. The speed regulation control, pressure regulating system, temperature control system, liquid level control system and different pressure control system of the centrifugal compressor are all further introduced and the necessary alarm and interlock protection system are all described in this part. (3) According to the process flow of centrifugal compressor, take the compressor pneumatic system and lubricants road system as two examples to complete the selection of the centrifugal compressor field instrument. (4) Based on the control requirement of the centrifugal compressor and each regulation system to design the hardware and software of the centrifugal compressor. And the logic of the centrifugal compressor is introduced briefly. 东北大学硕士学位论文Abstract V Keywords: centrifugal compressor control system;anti-surge control system;centrifugal compressor; detection instrument. 东北大学硕士学位论文 目 录 VI 目 录 摘 要.II AbstractIII 第 1 章 绪论.1 1.1 研究的背景与意义 .1 1.1.1 研究的背景 1 1.1.2 研究的意义 1 1.2 离心压缩机控制系统现状和发展趋势 .2 1.2.1 离心压缩机控制系统现状 2 1.2.2 离心压缩机控制系统发展趋势 3 1.3 论文研究的主要内容 .3 第 2 章 离心压缩机的结构和工作原理.5 2.1 离心压缩机的结构、分类 .5 2.2 离心压缩机的工作原理 .8 2.3 离心压缩机的性能曲线 .8 2.4 本章小结 .10 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计11 3.1 离心压缩机组的工艺流程 .11 3.2 离心压缩机组系统的控制要求 .12 3.3 离心压缩机防喘振控制系统 .13 3.3.1 离心压缩机喘振线 13 3.3.2 离心压缩机喘振产生的原因 14 3.3.3 离心压缩机喘振的危害 15 3.3.4 离心压缩机喘振的防治 15 3.3.5 多种防喘振控制系统方案 15 3.3.6 离心压缩机防喘振线及快开线 16 3.4 汽轮机转速控制系统及超速保护系统 .17 3.5 离心压缩机组的调节系统 .18 3.5.1 流量调节系统 .18 东北大学硕士学位论文 目 录 VII 3.5.2 压力调节系统 .19 3.5.3 温度调节系统 .20 3.5.4 液位调节系统 .21 3.5.5 差压调节系统 .22 3.6 离心压缩机组报警及联锁保护系统 .23 3.7 本章小结 .24 第 4 章 离心压缩机组工艺参数检测25 4.1 离心压缩机气路系统工艺参数检测 .25 4.1.1 压力检测 26 4.1.2 温度检测 27 4.1.3 流量检测 27 4.1.4 调节阀的选用 30 4.1.5 离心压缩机轴系振动、位移的检测 33 4.2 离心压缩机润滑油路系统及工艺参数检测 .37 4.3 本章小结 .39 第 5 章 离心压缩机组控制系统硬件及软件的研究与设计41 5.1 离心压缩机组控制系统总体要求 .41 5.2 离心压缩机组控制系统的配置图 .41 5.3 离心压缩机组控制系统下位机的硬件配置 .42 5.2.1 TS-3000 控制系统简介 42 5.2.2 TS-3000 控制系统主要特点 42 5.2.3 TS-3000 控制系统主要功能 43 5.2.4 TS-3000 控制系统硬件配置 43 5.4 离心压缩机控制系统的上位机配置及功能说明 .46 5.5 离心压缩机控制系统的逻辑设计 .49 5.5.1 离心压缩机的允许启动逻辑 49 5.5.2 离心压缩机的报警逻辑 51 5.5.3 离心压缩机的联锁停机逻辑 54 5.6 离心压缩机控制系统的组态软件设计 .56 5.7 本章小结 .56 第 6 章 结论与展望57 6.1 结论 .57 6.2 展望 .57 东北大学硕士学位论文 目 录 VIII 参 考 文 献59 附 录61 致 谢63 东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 研究的背景与意义 1.1.1 研究的背景 随着我国国民经济的迅猛发展，中小型炼油装置、小型空分装置、煤化工 装置及乙烯装置规模已经远远不能满足国民生产、生活的需要。我国在近几年 内要长足发展大型高效、低耗炼油装置、大型空分装置、煤化工装置及乙烯装 置，以获取巨大的规模效益，逐步实现大炼油、大化肥、大乙烯、大空分、大 型煤化工和长输管线的国产化。 离心压缩机是大型石油、化工、煤化工、长输管线、天然气、制冷等装置 的核心设备，在装置运转中有着不可替代的作用。随着我国石油化工工业的高 速发展，各装置的规模也越来越大，由于压缩机是装置中的重要设备，除了对 压缩机本身结构的要求越来越高，对离心压缩机组及离心压缩机组控制系统的 要求也越来越高，对控制系统及防喘振系统的自动化研究也是非常重要的1。 为了保证离心压缩机整个机组能稳定、安全的运行，必须通过各种检测仪表及 自动控制系统对离心压缩机的整个运行状态进行检测，实现一系列自动控制， 包括最主要的压缩机的防喘振控制，调速控制，各种联锁保护等等，提供工作 效率的同时提高压缩机的效率2。 1.1.2 研究的意义 离心压缩机是沈鼓的主打产品，广泛应用于冶金、石化、煤化工、PTA、 长输管线等石油化工领域，是生产过程中十分重要的关键型设备，用来输送各 种工艺气体或混合气体，通过叶轮的压缩并提高其压力，满足后续流程需要的 各种工况条件的气体。随着我国石油化工工业的飞速发展，对离心压缩机组及 离心压缩机组控制系统的要求也越来越高，而控制系统及防喘振系统的自动化 程度也显得尤为重要3。近些年我们国家石油化工工业向世界先进领域靠拢， 向大型化，巨大型发展，致使离心压缩机也向更大容量，更高压，更智能控制 方向发展，为离心压缩机的控制提出了更高的控制要求。离心压缩机自身结构 方面我们沈鼓已经跻身领先阶段，各种大型装置用的离心压缩机陆续国产化， 东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 - 2 - 如大型空分装置用压缩机：山东德州华鲁恒升 4.0 万空分装置、中国石化安庆 分公司 4.8 万空分用装置、湖北化肥公司 4.8 万空分用装置等等；近几年来我公 司完成了海南炼油、青岛炼油、惠州炼油、福建炼油、上海金山、华锦等一系 列大炼油项目用压缩机；还有现在正在逐步国产化的长输管线用离心压缩机， 2001 年为陕宁支线研制出的 PCL303 压缩机，是我国第一台国产化长输管线压 缩机。为了加快各种大型装置用离心压缩机国产化的步伐，离心压缩机的控制 同样也要更近一步，向国际化进军。各种装置用压缩机的大型化、复杂化给压 缩机组控制系统的设计与应用都提出了更高的要求，怎样能使压缩机平稳的运 行，怎样使压缩机组的控制系统更加智能化，这也是研究的意义所在。 1.2 离心压缩机控制系统现状和发展趋势 1.2.1 离心压缩机控制系统现状 自动控制系统是随着由于现代工业自动化的快速发展，计算机技术的广泛 应用，使得离心压缩机的控制系统也迅猛发展起来，不在依赖于更多的人在现 场做大量的工作，以此来保证离心压缩机组的平稳运行，而是更多的依赖于高 科技。就沈鼓来说，离心压缩机组的控制系统现在主要采用两种方式： （1）由装置的集散控制系统（Disteibuted Control System，简称 DCS） 来实现对离心压缩机组的控制。DCS 集散控制系统，是一种集计算机技术、控 制技术、通讯技术和 CRT 技术为一体的新型控制系统4。DCS 控制系统采用分 散控制，集中管理，具有较高的稳定性，也是许多工业化工企业选择的离心压 缩机的控制方式之一，主要依赖于工业计算机的集中控制，通过网路将硬件连 接起来。集散控制系统具有操作方便简单、维护方便、功能强大及易于扩展等 特点。 （2）把离心压缩机及驱动机作为一个整体，采用可编程逻辑控制器 （Progrmnmable Logic Controller，简称 PLC）来控制，我们沈鼓的离心压缩 机基本上大多数都是采用这种控制方式。PLC 控制系统以成为一种主流控制方 式，可编程逻辑控制器 PLC 是在现在自动控制理论、计算机技术和现代通讯技 术的基础之上发展起来的5。它可以实现与上位机计算机的通讯，还可以实现 与其他系统的通讯（旋转机械的振动、位移监测系统） ，根据工业设备及现场的 环境条件选择控制器的硬件，在根据实际控制要求选择软件进行编程。可编程 逻辑控制器 PLC 具有结构紧凑、运行速度快、稳定性高、接线简单、功能强大、 东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 - 3 - 价格低廉等特点得到广泛应用。对离心压缩机性能调节、防喘振控制提供了一 个很好的平台。 还有一种新型的控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control System，简称 FCS） ，是继集散控制系统后在 20 世纪 90 年代发展起来的新型的 分散式工业控制系统。现场总线控制系统是较集散控制系统和可编程逻辑控制 器控制系统更先进的控制系统。现场总线控制系统的发展是基于控制理论的进 步、计算机技术的发展及通信和网络技术的日趋完善，是高科技的完美体现， 但现场总线控制系统还处在一个完善和持续改进的阶段，距离完全数字化的阶 段还是需要一段时间的6。在压缩机组的控制上，我们只是在一部分仪表上采 用了 Hart 协议的智能仪表，同时在控制系统中配备 Hart 采集器，实现 Hart 采 集功能，大部分的仪表还是 420mA 的模拟量信号。 1.2.2 离心压缩机控制系统发展趋势 随着现代工业自动化的快速发展，工业化程度越来越高，各种装置越来越 大，需要控制的离心压缩机等设备也越来越复杂，这就对离心压缩机的控制提 出了更高的要求，要求离心压缩机的控制系统容量更大，拥有更高的响应速度， 要求功能更多，成本更低，向智能化方向发展，向专家系统靠近，进一步提高 软件的可靠性，以满足各种复杂装置的需要7。 1.3 论文研究的主要内容 本文先对离心式压缩机的结构、工作原理及性能曲线做了简单的描述，根 据压缩机组的性能要求，工艺流程的工艺要求进行现场仪表的设置，对压缩机 的喘振现象产生的原因进行简单分析并通过压缩机组控制系统对喘振进行防治。 对于汽轮机拖动、变频电机拖动及液力耦合器拖动的压缩机还有个调速的问题， 调速控制也是压缩机控制系统主要功能之一，特别是汽轮机拖动的压缩机调速 较为复杂，本文会对不同的驱动机对调速控制进行简单描述。对于压缩机组的 控制系统采用不同厂家的控制器在配置上也会有差异，本文以沈鼓集团常用的 PLC 对压缩机控制系统作以简单介绍。 东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 - 4 - 东北大学硕士学位论文 第 2 章 离心压缩机的结构及工作原 理 - 5 - 第 2 章 离心压缩机的结构及工作原理 2.1 离心压缩机的结构、分类 压缩机是一种高速旋转设备，在石油、化工、制冷、冶金等领域得到十分 广泛的应用。主要是使用压缩机来压缩机气体并提高气体的压力，并将气体输 送到下一流程。 压缩机的种类很多，根据气体的流动方向可分为: （1） 离心式压缩机：压缩机是径向进气的，气体在压缩机内部是按径向 方向流动的； （2） 轴流式压缩机：气体是从压缩机的轴向方向进入压缩机的，气体在 压缩机内部也是沿着轴向方向流动的； 压缩机根据用途和介质可分为： （1） 制冷压缩机； （2） 空气压缩机； （3） 天然气压缩机； （4） 氢气压缩机； （5） PCL 管线压缩机。 压缩机根据机壳的结构分： （1）MCL 型压缩机； （2）BCL 型压缩机； （3）PCL 型压缩机。 就沈鼓集团的离心压缩机根据机壳的结构分为水平剖分型（MCL 型）和垂 直剖分型（BCL 型），一般是压力等级较低的用 MCL 型压缩机，而压力等级 高的用 BCL 筒形压缩机。而 PCL 型压缩机是沈鼓应用在国家重点项目长输管 线上的一种离心压缩机。 离心式缩机主要由定子(机壳、隔板、密封、平衡盘密封) 、转子(轴、叶轮、 隔套、平衡盘、轴套、半联轴器等)及支撑轴承、推力轴承、轴端密封等组成。 MCL 型离心压缩机机壳在水平中分面处分成上、下两半。用螺栓将上、下 半机壳紧固在一起。为了具有良好的密封性，机壳法兰中分面经精加工，安装 时在机壳中分面上涂上密封胶，可保证机壳具有良好的密封性。 东北大学硕士学位论文 第 2 章 离心压缩机的结构及工作原 理 - 6 - BCL 型离心压缩机的结构在机壳的结构上与 MCL 型压缩机有所区别，BCL 型 离心压缩机的机壳在两端垂直剖分，用卡环将两侧的端盖和机壳紧固在一起。 下图为 BCL 型离心压缩机的结构图。 图 2.1 离心压缩机的结构 Fig.2.1 The structure of centrifugal compressor 定子中主要部件隔板，隔板的作用是把压缩机每一级隔开，将各级叶轮分 隔成连续性流道，隔板相邻的面构成扩压器通道，来自叶轮的气体通过扩压器 把一部分动能转换为压力能。隔板从水平中分面分为上、下两半。隔板和机壳 靠止口配合，各级隔板靠止口依次嵌入机壳中。上隔板用沉头螺钉固定在上机 壳上。但不固定死，使之能绕中心线稍有摆动，而下隔板自由装到下机壳上。 考虑到热膨胀，隔板水平中分面比机壳水平中分面稍低一点。下图为隔板的立 体图。 东北大学硕士学位论文 第 2 章 离心压缩机的结构及工作原 理 - 7 - 图 2.2 隔板 Fig.2.2 Partition 转子包括主轴、叶轮、轴套、轴螺母、隔套、平衡盘和推力盘等。主轴的 主要作用就是传递功率，主轴应具有一定的刚度和强度。叶轮一般采用闭式、 后弯型叶轮。叶轮与轴之间有过盈，并热装在轴上，有时为有键连接，也有无 键连接的。隔套热装在轴上，它们把叶轮固定在适当的位置上，而且能保护没 装叶轮部分的轴，使轴避免与气体相接触。且起导流作用。 下图为三元叶轮图示。 图 2.3 叶轮 Fig.2.3 Impeller 轴螺母主要是起轴向固定作用。如轴向固定叶轮，轴端密封等等。由于在 叶轮的轮盖和轮盘上有气体产生的压差，所以压缩机转子受到朝向叶轮入口端 的轴向推力的作用。这种推力相当一部分是由平衡盘来抵消的。叶轮一开始旋 东北大学硕士学位论文 第 2 章 离心压缩机的结构及工作原 理 - 8 - 转，就受到指向吸入侧的力，这主要是因为轮盖和轮盘上作用的压力不同造成 推力不等的原因。作用在叶轮上的轴向推力，将轴和叶轮沿轴向推移。一般压 缩机的总推力指向压缩机进口，为了平衡这一推力，安装了平衡盘和推力轴承， 平衡盘平衡后的残余推力，通过推力盘作用在推力轴承上。推力盘一般采用锻 钢制造而成。 2.2 离心压缩机的工作原理 透平压缩机是一种叶片式旋转机械，是透平机械中的一种，它利用叶片和 气体的相互作用，提高气体的压力和动能，并利用相继的同流元件使气流减速， 将动能转变为压力的提高8。离心压缩机将汽轮机、电机或燃气轮机等做为驱 动机，在驱动机的拖动下高速旋转，带动离心压缩机的主轴及叶轮一同旋转， 这时气体介质从入口进入压缩机，通过叶轮的加速后由于离心力的作用被甩出 叶轮，进入具有扩压作用的扩压器中，使介质速度降低但压力提高了，这样通 过几个叶轮压缩并在经扩压器升压后，达到用户需要的压力，完成气体的压缩。 压缩机压缩气体使气体升压，实际上是一个将动能转换成压力能的过程。 2.3 离心压缩机的性能曲线 运行中压缩机的工况常常会发生变化，为了反映不同工况下压缩机的性能， 通常把在一定进气状态下对应各种转速、进气流量与压缩机的排气压力（或压 比）、功率及效率的关系用曲线形式表示出来，这种曲线就称为压缩机的流量 特性或性能曲线9。对工业用压缩机，流量特性只给出排气压力或压比、功率 与流量的关系，效率和流量的关系不明显给出。 压缩机性能曲线是压缩机变动工况性能的图像表示，它清晰地表明了各种 工况下地性能、稳定工作范围等，是操作运行、分析变工况性能的重要依据。 当压缩机转速一定时，如果进气流量减少到一定程度，压缩机的工作会出现不 稳定，气流出现脉动，振动加剧，伴随着吼叫声，这个现象称为喘振现象，这 个最小流量称为喘振流量10。性能曲线标明最小流量限制，每个转速对应一个 喘振流量，防喘振线就是将最小流量限用曲线连接起来，此曲线也叫做防护曲 线或防喘边界线11。在喘振线左侧为非稳定工作区，而右侧为稳定工作区。由 于喘振发生时对压缩机的危害很大，所以防喘振最显得是离心压缩机控制系统 最主要的控制内容。 东北大学硕士学位论文 第 2 章 离心压缩机的结构及工作原 理 - 9 - 下图为一台空气压缩机的性能曲线，横坐标为进口容积流量，纵坐标是排 气压力及轴功率，每条曲线对应一个转速。 表 2.1 工况条件 Table 2.1 Working conditions 压缩介质：空气分子量： 28.97 进口温度： 30 进口压力： 0.59MPa A 转速： 12915123001168511070rpm 图 2.4 压缩机特性曲线 Fig.2.4 Compressor characteristic curve 预预期期性性能能曲曲线线（正正常常工工况况） 2 4 6 8 10 12 1000012000140001600018000200002200024000 压力 (MPa A) 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 1000012000140001600018000200002200024000 流量 (M3/h) 轴功率 (kW) 东北大学硕士学位论文 第 2 章 离心压缩机的结构及工作原 理 - 10 - 2.4 本章小结 本章对离心压缩机的结构、分类、工作原理及性能曲线做了简单描述。通 过对性能曲线的描述，简单了解了离心压缩机的喘振现象。通过描述压缩机的 喘振现象，为离心压缩机的控制系统提出了一个很高的要求，怎样通过选择合 适的现场仪表及阀门来实现防喘振控制。 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 11 - 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 3.1 离心压缩机组的工艺流程 离心压缩机组的工艺流程是作为整个装置工艺流程的一部分，了解了整个 装置的工艺流程才能更加明确工艺对整个离心压缩机的要求，通常离心压缩机 入口的气体来自于前一个流程，通过离心压缩机压缩以后气体达到后续流程的 压力要求进入下一个流程。离心压缩机组工艺流程回路复杂，需要监控的参数 众多，涉及到水路、油路、气路的压力、温度和流量控制，以及机组的防喘振 控制，机组振动和温度监控，甚至包括同步驱动电机、蒸汽轮机的变频调速控 制等等12。下面主要以某化工公司 4 万空分装置的工艺流程为例介绍离心压缩 机组的工艺流程。 过滤器 冷却塔钝化器 仪表空气 低压板式换热器 空压机 工厂空气 下塔 增压机 膨胀机 高压板换热器 图 3.1 工艺流程 Fig.3.1 Technological process 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 12 - 空分装置是以空气为原料，经过自洁式空气过滤器出去灰尘和杂质，进入 空压机，经过空压机压缩后压力达到 0.623MPa（A） ，然后进入空气冷却塔冷却， 空气自下而上穿过空气冷却塔，经冷却后的空气进入分子筛钝化器，空气中的 二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。净化以后的空气分成三路，一路作为空 分装置用的仪表空气；一路进入低压板式换热器，被反流污氮气冷却后直接进 入下塔；一路空气进入增压机。进入增压机的空气又被分成三路，一路经过增 压机一级压缩后抽出用作仪表空气和工厂空气；一路经过增压机二级压缩后抽 出进入膨胀机去膨胀，膨胀后进入下塔；一路经过增压机继续压缩，经冷却后 进入高压板是换热器，用来与液氧换热，高压空气经节流后进入下塔。 空气经下塔初步精馏后，获得液空、纯液氮和污液氮，并经过冷却器后过 冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵 压缩后进入高压板换热器，复热后出冷箱，进入氧气管网。从下塔顶部引出压 力氮进入低压板式换热器，复热后出冷箱，又再下塔顶部抽出液氮经过冷器过 冷后作为产品进入储槽。从上塔上部引出污氮气经过冷器、高压板式换热器和 低压板式换热器复热出冷箱后分成两部分：一部分进入分子筛系统的蒸汽加热 器，作为分子筛再生气体，其余污氮气去水冷塔。 3.2 离心压缩机组系统的控制要求 离心压缩机系统的控制 要求实际都是根据工艺流程的要求来确定的。空 分装置用的空压缩机在压缩机出口要达到工艺流程的要求，要求压力达到 0.623MPa（A） ，为了保证这个压力，将出口这个压力作为汽轮机调速的设定值， 通过调节汽轮机的转速来保证出口压力的稳定。增压机设置了两路抽气，一路 用作仪表气，需要将压力调节为 0.7MPa 后送至后续管网，这个压力是通过调节 阀减压来实现的；另一路是用作膨胀机用气，保证膨胀机的流量，将抽气流量 作为调节阀的设定值，通过流量调节阀保证膨胀机流量，由于膨胀机流量比较 大，如果膨胀机故障不需要这路空气时，就需要将这路空气放空而不能进去压 缩机，进入压缩机会引起压缩机的运行不稳，影响后续流程。 除了根据工艺流程设置调节回路，对压缩机控制系统本身也是有一定要求 的。第一，控制系统要稳定，控制过程也要平稳；第二，控制系统要有较高的 控制精度；第三，控制系统响应要迅速13。离心压缩机控制系统本身要满足这 些要求，而控制系统所有控制功能及调节回路的实现都依赖于现场仪表及阀门 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 13 - 的设置，设置必要的现场仪表才能将控制系统需要的信号传输到控制系统中， 完成工艺流程需要的各种功能，实现各种控制，完成各种功能。 3.3 离心压缩机防喘振控制系统 3.3.1 离心压缩机喘振线 离心压缩机的喘振线是压缩机在不同转速下对应的喘振点的连线，喘振线 是在预期性能的基础上绘制的。喘振点在预期性能曲线上是工作区与不稳定区 的一个分界。离心压缩机通常有正常工况和额定工况，根据这两个工况的预期 性能曲线可以做出两条喘振线，将两条喘振线绘制在一个坐标和画面上，综合 起来绘制出最终一条喘振线。 喘振线 喘振区 出口压力 进口流量 图 3.2 喘振线 Fig.3.2 Compressor Surge line 上图为空压缩机正常工况下的预期性能曲线，每条曲线对应着不同转速下 的性能，每条曲线最左边的点即为喘振点14，喘振线只是将四个转速下的喘振 点连接在一起组成的，如果选取更多的转速绘制更多的曲线，就能做出更精确 的喘振线，但通常我们也只根据性能曲线上的点做一个折线，在额定工况下也 有一个这样的曲线及喘振点。 在设计防喘振曲线时，我们通过压缩机的性能曲线，并进行坐标转换绘制 出防喘振曲线。由于压缩机测量流量的检测元件有放在压缩机入口的，也有放 在压缩机入口的，所有防喘振的曲线也是分这两种情况来设计的。 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 14 - 当压缩机的流量检测元件放在压缩机入口时，防喘振是采用五参数来实现 的，入口的温度和压力除了要对节流元件进行温压补偿也同时参与防喘振，还 有出口的温度和压力，进口流量一共五个参数。 当压缩机的流量检测元件放在压缩机出口时，防喘振采用的四参数实现的， 分别为入口压力，出口温度、压力和流量，同时出口温度压力也是要对流量检 测元件进行温压补偿的。 3.3.2 离心压缩机喘振产生的原因 从压缩机的性能曲线就可以看出离心压缩机产生喘振的原因。性能曲线的 横坐标是流量，纵坐标是压缩机的出口压力，当压缩机的流量减少或压缩机入 口压力增加就会导致压缩机的工作点向左边移动，如果流量继续减少，压力继 续增加使得工作点移动到喘振点的左侧，这时机器就发生了喘振的现象15。而 导致压缩机入口流量减少和压力增加的因素主要有以下几点： （1）入口压力：从离心压缩机的预期性能曲线上看，离心压缩机入口压力 增加将会使喘振点向上移动； （2）转速：从离心压缩机的预期性能曲线上看，驱动机（通常为汽轮机） 转速的增加会使离心压缩机的整个喘振区扩大并使喘振点向右上方移动。 （3）后续管网的情况：如果后续用户管网的出现故障，导致离心压缩机的 出口压力升高，就会导致压缩机的工作点进入喘振区，引起压缩机的喘振。 （4）入口温度：通常离心压缩机入口温度会是一个相对稳定的参数，对压 缩机不会造成大的影响，但对于空压机就有很大的影响，由于空压机是从大气 抽的空气经过过滤后进入空压机一段入口的，对于冬季和夏季温度变化是很大 的，特别是在像我国东北这样四季分明的地方，这时候我们就会把空压机进口 的温度也作为防喘振的参数之一，参与到空压机的防喘振控制中。 总之，离心压缩机工况的变化都会对压缩机的性能造成影响，而离心压缩 机的喘振又使离心压缩机本身固有的特性，为了保证压缩机运行平稳就要通过 设置各种仪表及检测传感器通过个参数的变化来监测压缩机的状况。除此之外， 如压缩机的转速、吸入气体分子量、温度、压力的变化、管网特性等，也是造 成压缩机喘振的因素16。 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 15 - 3.3.3 离心压缩机喘振的危害 喘振是离心压缩机本身的一种固有的特性，具有很大的危害性。当压缩机 的流量减少或压缩机入口压力增加就会导致压缩机的工作点向左边移动，如果 流量继续减少，压力继续增加使得工作点移动到喘振点的左侧，这时机器就发 生了喘振的现象，这只是从性能曲线的表象上看出来的17。离心压缩机发生喘 振时，离心压缩机出现强烈的振动，使得压缩机的主轴、轴承、密封在强烈的 振动下遭到损坏，使整个压缩机结构严重破坏；离心压缩机发生喘振时，压缩 机本身及管网振动增大，对压缩机系统及后续管网系统都有极其严重的影响； 离心压缩机发生喘振时，压缩机性能也会受到严重影响，效率急剧降低，使得 整个压缩机系统处在一种严重的故障状态。为了防止压缩机发生喘振现象只有 防患于未然，采取行之有效的防喘振措施，使得压缩机时刻处在安全平稳的运 行状态，这样才能保证整个压缩机系统及整个工艺流程的平稳运行。 3.3.4 离心压缩机喘振的防治 防喘振的主要手段就是人为增大压缩机的流量，使通过压缩机的流量不至 于太小，方法就是增加回流管线，通过控制回流管线上控制阀的开度，确保流 量高于最小的安全值18。防止离心压缩机发生喘振要尽量做到以下几点： （1）防止进气压力低； （2）防止进气温度高； （3）防止气体分子量减小； （4）防止管网堵塞使管网特性改变； （5）要坚持在开、停车过程中，升降速不可太快，并且先升速后升压和先 降压后降速。 （6）开、关防喘阀时平稳缓慢。关防喘阀时要先低压后高压，开防喘时要 先高压后低压。 3.3.5 多种防喘振控制系统方案 根据前面讲到的喘振产生的原因，我们防治喘振最终就是增加压缩机入口 流量或降低压缩机出口压力，减少管网压力，实现这一功能就是通过快速打开 防喘振或放空阀，使得压缩机入口流量迅速增加，迅速降低压缩机出口管网压 力，即可使喘振的现象得到防治。离心压缩机防喘振控制系统方案的选择和压 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 16 - 缩机的驱动方式及是否可调转速有关。通常采用最小流量控制法，根据具体应 用的不同，这种方法又可分为固定极限流量控制和可变极限流量控制两种19。 （1）对于定转速的压缩机，我们可以直接根据压缩机的预期性能曲线采取 防喘振的控制。通常这种方法被称为固定极限流量法。只要保证压缩机入口流 量高于喘振的流量，就可以有效的防治压缩机的喘振。在压缩机的预期性能曲 线上只有一条线，在这条线最左边的点就是喘振的流量，我们根据这个流量在 曲线上分别留出 2%到 8%的余量做个快开线和防喘振线，流量低于防喘振点快开 点就快速打开防喘振阀，达到防治喘振的目的。 （2）当压缩机的转速是可变的时候，来靠一个流量点来控制喘振就不太适 合了，因为不同的转速下对应的曲线是不一样的，压缩机的性能曲线通常为按 四个转速绘制 4 条曲线，不同转速下的喘振流量是不一样的，我们考虑防喘振 时就要考虑变速的情况，这种别称之为可变极限流量法，将 4 个喘振点连成一 个折线，同样也是分别留出 2%到 8%的余量绘制快开线和防喘振线。 在我们沈鼓设计的压缩机多数是属于第二种情况，有些压缩机的工况还相 对复杂许多，我们在设计防喘振方案时还是要具体情况具体分析。对于不同压 缩介质的压缩机节流元件设置在入口和出口时，防喘振的方案也是有所差异的。 （1）流量检测元件放在压缩机入口时，防喘振数学模型除了和流量检测元 件的设计压力、温度及通过计算得到的流量检测元件的差压上限有关，还和压 缩机出口的压力有关； （2）流量检测元件放在压缩机出口时，防喘振数学模型除了和流量检测元 件的设计压力、温度及通过计算得到的流量检测元件的差压上限有关，还和压 缩机出口的压力、温度有关。 3.3.6 离心压缩机防喘振线及快开线 离心压缩机防喘振线及快开线是在喘振线的基础上绘制的，根据压缩机预 期性能曲线将喘振点连接起来，形成喘振线，快开线是向喘振线右侧平移喘振 流量的 2%得到的，当压缩机的工作点达到快开线时快速打开防喘振阀；防喘振 线是向喘振线右侧平移喘振流量的 8%10%得到的。有了喘振线、快开线及防 喘振线再利用压缩机控制系统配置的 PLC 控制器，利用编程组态软件，实现对 压缩机性能的监测，控制防喘振阀的开启，达到防止压缩机的喘振。压缩机的 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 17 - 工作点在正常情况下是在工作区的，当出现故障时工作点进入喘振区，采取防 喘振自动控制措施，故障消除后，工作点将离开控制线，恢复到正常的位置20。 喘振线 快开线 防喘振线 Pd/Ps h/Ps% 图 3.3 防喘振线与快开线 Fig.3.3 Anti-surge line and fast line 3.4 汽轮机转速控制系统及超速保护系统 对于由汽轮机驱动的空、增压机组，调速是重要的控制回路之一。在汽轮 机的轴承通常设置六个转速探头，取其中一路用作就地显示，在汽轮机底座旁 设置一块就地转速表，这路转速探头进到就地转速表。 取其中两路用作调速，调速可以通过两种方式实现，一是配置专门的调速 器，如 WOODWARD 的 505 调速器，控制器接收一个压力信号，与设定值进行比较 产生输出，与速度 PID 的输出同时发送到低选总线，两者信号经低选后进入比 例/限制器 21；也可以将转速信号送入压缩机控制系统的 PI 卡实现调速功能。 调速控制是一个比较简单的调节回路，在空分装置用空、增压机组比较特殊， 是把空压机出口压力和增压机入口压力高选后再作为调速信号的测量值。 空压机出口压力 增压机如口压力 高选 505 调速器或 PLC 控制系统 转速设定值 实现调速 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 18 - 图 3.4 调速示意图 Fig.3.4 The diagram of speed control 以上所说的调速控制是在压缩机组正常运行时进行的。在机组启动时的调 速控制主要是根据汽轮机的升速曲线来操作的，如果启动程序选择自动升速方 式，汽轮机转速将沿升速曲线自动上升。暖机停留时间，可以在程序中设定， 单位为秒。如果启动程序选择手动升速方式，可由现场就地盘升速/降速操作按 钮，或操作台升速/降速按钮来执行。程序将按事先确定的升/降速速率进行， 不再考虑预定的暖机停留时间。在升速过程中，无论在手动还是自动操作模式 时，通过临界区时，均强制自动操作通过，待通过临界区后恢复正常升速。 汽轮机还有三路转速探头是用作三取二超速保护的，超速保护也有两种方 式可以实现，一种是用专业的超速保护器来实现，一种是将三个转速信号送到 PLC 控制系统，再通过编程组态来实现三取二超速保护。PLC 控制系统输出联锁 停机信号时，超速保护装置动作，泄去安全油，迅速关闭自动主汽门和调节汽 门，切断透平的进汽，迫使透平停止运行22。 203 超速保护器或 PLC 控制系统（三取二） 联锁停机 图 3.5 汽轮机超速保护示意图 Fig.3.5 The diagram of turbine overspeed protection 3.5 离心压缩机组的调节系统 为了保证离心压缩机组能在正常工况下平稳安全的运行，除了压缩机组配 备必要的检测仪表，还要设置能够调节各参数的调节系统，根据工艺流程的不 同压缩机组的调节系统也是各不相同的，主要有以下调节系统： 3.5.1 流量调节系统 转速探头 1转速探头 2转速探头 3 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 19 - （1） 如果说是调节某一管路的流量，如前面讲到的增压机二段出口抽气 回路的调节就属于这种，由流量检测元件和气动薄膜调节相互配合，流量检测 元件测量管路所通过的流量，给调节阀一个设定流量，当流量增大或减小都调 节调节阀的开度来控制流量，是流量保持一定，满足后续流程的需要，同时也 保证了压缩机的正常运行。 图 3.6 流量调节系统示意图 Fig.3.6 The diagram of Flow control system （2） 还有通过调节转速来控制流量的，这通常指的是汽轮机拖动、变频 电机拖动或耦合器拖动的压缩机。通过改变压缩机的转速（也就是驱动机的转 速）进而使压缩机的流量发生了变化。 （3） 入口调节阀和入口导叶调节压缩机的流量。入口调节阀和入口导叶 的开度不同进入压缩机的流量就不同，就是实现对流量的调节23。 （4） 旁通调节阀调节某一管路的流量。为保证某一管路的流量稳定，加 一个旁路调节阀，当流量不够是将旁路调节阀开度变大，使得管路流量保持在 一个相当稳定的状态。 3.5.2 压力调节系统 （1） 离心压缩机润滑油路系统的一次油压调节阀和二次油压调节阀就是 典型的压力调节的例子。润滑油一次油压调节阀是调节阀前的压力，通过管路 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 20 - 上的压力变送器测点作为调节阀的信号调节测量值。二次油压调节阀是调节阀 后的压力。 图 3.6 压力调节系统示意图 Fig.3.6 The diagram of pressure control system （2） 入口调节阀调节进入压缩机入口的压力。在压缩机入口设置入口调 节阀，阀后设置压力测点，通过压力调节入口阀的开度，保证进入压缩机的气 体压力。 （3） 压缩机出口压力调节。将压缩机出口压力作为输入信号调节汽轮机 转速，使压缩机出口压力保持在一个相对稳定的状态。 3.5.3 温度调节系统 温度调节通常在制冷压缩机组中会用到。例如氨冷冻机组，氨压缩机的防 喘振阀是从压缩机的最终出口向入口打回流的，一般压缩机入口温度较低，都 是零下 30 度左右，而压缩机的出口温度为零上的 40 度，如果氨气从压缩机出 口直接进入压缩机的入口会使氨气急速升温，压缩机入口温度升高导致压缩机 出口温度也极具升高，会形成恶性循环，最后会对压缩机的内部结构造成严重 的损坏，为了防止这一现象发生，我们在防喘振的管路设置一个从液氨储罐来 的旁路，设置一个温度调节阀，通过各入口的温度来调节旁路温度调节阀的开 度，当防喘振阀开启时势必会使压缩机入口的压力升高，而设置在压缩机入口 东北大学硕士学位论文 第 3 章 离心压缩机组控制系统的设计 - 21 - 的温度传感器就会发出报警，同时通过压缩机 PLC 控制系统输出调节信号，调 节温度调节阀的开度，达到保证入口温度的目的。 另外在润滑油路系统中也会有温度调节系统。在润滑油冷却器后设置一个 温控阀，这是一个自力式的调节阀，调节冷却器后的温度，以满足润滑油系统 对温度的要求。 图 3.7 温度调节系统示意图 Fig.3.7 The diagram of temperature control system 3.5.4 液位