离心压缩机串联运行的控制方案研究和实现.doc

离心压缩机串联运行的控制方案研究和实现雷跃强 陈建中 王海东 王国 马兵摘要：压缩机串联运行时，两台压缩机之间相互影响，相互制约，操作和控制的难度大大提高，通过防喘振控制、解耦控制、负荷分配可以使压缩机的性能得到控制，实现两台压缩机的协调动作。关键字：串联 性能 防喘振 负荷分配引言：大型离心式压缩机是化工装置中常见的气体加压设备。离心压缩机的性能曲线决定了其运行和操作中存在防喘振问题，防喘振控制和性能控制是大型压缩机控制的核心问题，目前，单台离心压缩机的防喘振技术已经比较成熟。为了提高压力，有时需要两台或多台压缩机串联运行，串联运行时，两台压缩机之间相互影响，相互制约，操作和控制的难度大大提高。这为压缩机控制系统提出了新的问题。宁夏石化公司二化肥装置二氧化碳压缩机组原设计能力为24700Nm3/h，2005年由于装置50%扩能改造的需要，对机组动静叶片进行了改造，并增加了一台二氧化碳增压机组K101A，由10MPa的蒸汽背压式透平驱动，增压机将二氧化碳的压力由105kPa（A）加压到210 kPa（A）,这样使压缩机的能力增加到43000 Nm3/h。新的系统在装置开车期间由于控制方案配置不合理，造成机组发生喘振、推瓦等事故，经过三年来的改进，二氧化碳压缩机组的保护系统和控制系统比较成熟，本文将对串联运行的二氧化碳压缩机组的控制方案进行探讨。二化肥尿素装置二氧化碳压缩机K101和二氧化碳增压机组成，整个机组的工艺和仪表控制图如图1所示： 图1 串联压缩机的整体配置图二氧化碳压缩机K101是意大利新比隆公司生产的四段离心式压缩机，由高压缸（HP）和低压缸（LP）组成，在二段和三段之间有有个齿轮箱，该压缩机由西门子生产的抽汽凝汽式透平驱动。二氧化碳增压机是新比隆生产的单段离心式压缩机，该压缩机由锦化机生产的背压式透平驱动。两台压缩机为串联运行，在操作中必须使两台机组的负荷处于同一个调速系，所以控制系统中必须实现两台机组的协调动作，使两台机组工作在良好的性能状态，工作点和喘振线的距离同步，负荷处于同一水平是控制方案设置的总体目标。1.控制系统概况1.1控制系统描述1.1联锁保护系统主要由三冗余的ESD实现，机组外围的设备由DCS控制，机组的核心部分由美国CCC公司的控制器控制，ccc控制器、ESD和DCS通过modbus协议实现通讯。1.2两台机组的控制系统由9台控制器组成，系统的连接图如图2所示，包括：n 3台防喘振控制器；n 用于负荷分配的2台性能控制器；n 2台速度控制器；n 1台主控制器；n 1台抽汽控制器；1.3 存在的问题：两台压缩机串联运行后的主要挑战来自两台机组的相互影响，当K101转速降低或防喘振阀开打时，很容易使K101A出口超压，影响管道和机械的安全，最常见的故障是推力轴承烧损，俗称推瓦；而K101A转速上升或防喘振阀关小会使其出口的压力上升，从而导致K101入口超压，进而二段出口超压，安全阀起跳，进而威胁装置的安全运行。相反，K101A的转速下降或防喘振阀打开时，K101的入口压力降低，工作点靠近喘振线，如果这时防喘振控制器在自动状态，防喘振阀将自动打开，进而出现上一节所述的现象。以上过程往往是在很短的时间内发生，操作人员手动调节非常困难。所以必须使两台机组完全投自动，使两台机组协调动作。2.安全保护方案：对于两台串联运行的压缩机，除了常规的振动、位移、超速、油压等保护措施外，为了在非正常情况下保护机组的安全，必须具有以下联锁：2.1出口压力高联锁：防喘振阀HV8162是K101最重要而且动作最频繁的控制阀，如前所述， HV8162的大幅动作极易造成K101A超压，进而造成推瓦事故。而K101的转速波动是K101超压的另一个因素，为了在非正常情况保护增压机的安全，必须设增压机出口高联锁，当出口压力高于265kPa（a）时，增压机联锁停运，主蒸汽速关阀关闭，防喘振阀打开。2.2入口快速排放逻辑：当增压机跳车时，K101必须联锁停车，而当K101停车时，K101A不必须停车，但增压机的出口没有防空阀，当K101停车时，增压机的出口将压力高联锁，为了实现增压机K101停车时，K101A不停车，可以将二氧化碳从合成装置的二氧化碳二氧化碳防空阀PV24A/B及时放空，通过两个步骤可以实现该要求：2.2.1.给防喘振控制器UIC-3设置压力极限，当压力超过230 kPa（a）时，通过快速的比例相应打开防喘振阀，使出口压力迅速释放，控制在联锁值以下。2.2.2将联锁逻辑改为：当K101停车时合成界区的二氧化碳放空阀PV24B的电磁阀失电打开30秒，然后得电，并将PV24的阀位在DCS中置于50%，操作模式改为手动。操作人员可以根据压力的情况适当的调节。3. 控制系统的主要控制目标3.1.控制系统的第一目标实现入口的流量控制，使进入尿素系统的物料更加平稳，对两台压缩机进行负荷分配和优化；l 二氧化碳压缩机K101和二氧化碳增压机K101A分别进行防喘振控制；l 二氧化碳压缩机K101和二氧化碳增压机K101A的透平分别实现速度控制；l 二氧化碳压缩机K101的透平实现抽汽控制，保证抽汽压力稳定，实现高调门和中调门的两阀解耦。3.2第二控制目标增压机排气压力高限控制；图2 串联压缩机的控制方案详图4.控制方案； 整体的控制方案如图2所示： 4.1 速度控制和抽汽控制4.1.1速度控制的首要目的是克服负载变化、蒸汽压力变化等扰动，使转速的PV值跟踪设定值。转速的测量一般采用磁性探头，透平上装有测速盘，每个透平配置7个测速探头，其中6个为无源探头，3个用来做超速保护，3个做控制，一个有源探头，做为状态监测的健相信号。与无源探头相比，有源探头可以测量到更低的转速，只要是高于5Hz频率信号，都可以被有源的转速测量系统识别。调速器的执行器一般采用电液伺服机构，与气动执行机构相比，液动装置的稳定性更好，动作更迅速【2】， K101A使用woodward的液压伺服机构，速度控制器输出20-160mA的大功率信号，K101配置VOITH的电液转换器，速度控制器输出4-20mA的标准信号。但电液转换器需要供电。速度控制的算法与常规的PID算法基本相同如公式1：公式1其中：e：偏差PB:比例带；Kr：积分常数；Td：微分常数；压缩机在低速时一般防喘振阀全开，而且出口压力较小，所以负载非常轻，而在正常工作时转速范围一般在额定转速附近，所以转速对象的非线性特性非常明显，所以速度的控制必须采用非线性算法，来克服速度对象的非线性。这种非线性是通过设置非线性的比例带实现的，非线性算法如下：公式2 函数f1(N)和f2（N）为自定义的分段函数，通过定义10个点将不同转速的比例带和积分常数分为9段，每一段都可以设置不同的比例带和积分常数。当转速控制波动大或偏差大时，只需对相应的段的参数优化即可。4.1.2 抽汽控制K101的透平是抽汽凝汽式的透平，如图3：该系统中存在两个输入变量:抽汽压力和转速,两个输出变量v1和V2，形成二阶矩阵，两台阀的相互作用为:V1阀开大而V2阀阀位保持不变，将会使透平的输出功率增加、抽汽压力升高；V2阀开大而V1阀阀位保持不变，将会使透平的输出功率增加、抽汽压力降低；所以必须对两台阀的控制进行解耦。解耦的方程如下： 公式3其中：W1:高压段需要的流量；W2:低压段需要的流量；Mn解耦系数。JD:功率要求；WD:抽汽流量要求；图3 抽汽凝汽式透平的P&ID图透平制造商提供的抽汽图:图4透平抽汽图该图横坐标表示透平的输出功率，纵坐标为高压蒸汽的消耗量，整个图包含了以下内容：u 顶部的水平线代表最大流量；u 右侧的垂直线代表透平的最大输出功率；u 斜向右上方的几条直线代表等抽汽线；u 左侧较陡的线代表最小排汽线；u 右侧较陡的一条线代表最大排汽线；由于一定的功率对应一定的阀位，可以将公式3改进为公式4根据抽汽图，就可以计算出M1-M4的设定值。图4透平的相关数据:表1 透平的抽汽相关数据计算后得到解耦的系数如下:表2 解耦系数的计算结果4.3 防喘振控制离心式压缩机在正常工况工作时，气体进入叶道的方向角基本上等于叶轮叶片的进口安装角，这是不会出现气体的附着面层脱离的现象，但流量减小到一定程度时，气体进入叶道的方向与叶片的进口安装方向将发生较大的偏角，这样在叶片的背面将形成涡流区，导致整个流道被堵塞，这样压缩机的出口压力低于管网压力【1】从性能曲线上表现为压缩机的性能曲线存在顶点，这是离心式压缩机的特性决定的。如图2所示，不同转速下，顶点的连线形成了压缩机的喘振线。图5 不同转速的性能曲线顶点形成的喘振线宁夏二化二氧化碳机组共有3个压缩缸，每个缸必须配置一台防喘振控制器，分别进行防喘振控制，四回一阀HV8162实际上是高压缸和低压缸共用，配置二回一是为了防止高压缸和低压缸的喘振线不匹配，造成高压缸的工作点远离喘振线，而低压缸的工作点已接近喘振线。为了使压缩机不喘振，必须使压缩机工作在喘振线的右侧，所以，首先应该检测并计算出压缩机的工作点，计算工作点的通用方程如下：公式5其中：f1:为y象限的特性f3(n):x象限的特性；f5（U5）:基本的特性K:喘振曲线常数；N:转速；Pd;排气压力;Ps:入口压力;Td:排气温度;Ts:入口温度;Ss:工作点,当Ss为1时,压缩机工作在喘振线，由于压缩机的温度变化较小，而且不同的压比对应不同的转速，所以可以将公式1简化为无转速的方程；公式6其中：PO,C:流量测量元件的差压；RC:压比；为了便于表述，可以用图4表示压缩机在各种状态下的控制线。在不同的控制线将触发不同的响应。 如果工作点位于喘振控制线的左边，将通过比例积分（PI）相应开大防喘振阀，相反，工作点位于喘振线的右侧时将关小防喘振阀。当工作点位于阶梯响应线的左侧时将阶梯打开防喘振阀，直到工作点回到阶梯响应线的右侧。当工作点位于安全保护线的左侧时，控制器将使喘振线向右移动，这样会使PI响应和阶梯响应加快。右移的程度决定于喘振的次数。图6 简化的喘振控制线 压缩机制造厂提供了理论的喘振线，但实际安装时会受到多种因素的影响，造成实际的喘振线偏离理论喘振线，其中影响最大的是管道配置和流量检测元件，所以必须对喘振线实测，由于流量的测量至今是难题，容易出现流量不准的问题，实测后将不要求流量计的准确性，只要求流量计的可重复性和信噪比。实测时将计算根据计算出的Ss控制器可以显示压缩机工作点和喘振控制线的偏差DEV值，公式如下：公式7在压缩机的防喘振方案中，b值是非常重要的参数，它决定了喘振线和喘振控制线的距离，如果b值太小，将会使压缩机在较小的扰动下将会发生喘振，如果b值太大，会使防喘振阀开度太大，造成能源的无谓损失。b值由以下公式得到公式8从公式可以看出：b1是基础值，正常情况下b=b1b2决定了喘振次数对控制线的影响程度。b 3决定了Ss的变化率对控制线的影响程度二氧化碳压缩机组中三台防喘振控制器的b1值设置如下： 表3 防喘振控制器的b值配置4.4 负荷分配:4.4.1方案选择负荷平衡一般有两种方案可以选择:流量控制方案和压力控制方案，压力控制方案侧重于压缩机的性能控制，由于宁夏石化二化肥总体上氨和二氧化碳不平衡，所以如果需要保证合成装置的压力控制阀不放空，只需将主控制器的设定压力设置值低于合成装置的压力控制器的设定点即可实现。但如果合成装置生产的二氧化碳如果流量不稳定，将会使进入尿素合成系统的原料二氧化碳不稳定，不利于系统的操作。流量控制方案可以更好的满足尿素装置对二氧化碳流量稳定的要求，机组的流量控制和合成装置压力控制器相配合，当合成装置生产的二氧化碳多余时，防空阀自动放空。为了兼顾压缩机的性能控制，在主控制器上增加辅助极限控制，当压力低于10kPa时，优先控制压力在设计范围。4.4.2 负荷平衡的计算：负荷平衡的目标是使两台机组的负荷相等,所以必须先计算出压缩机当前的负荷值，压缩机按照以下公式计算：公式9 其中:A:域选择器CVb：负荷平衡变量；f2A(Rc):报告流量特性；f2D(IPV):循环流量特性；f6：平衡变量特性；IPV:期望的防喘振阀阀位；S:相对于喘振控制线的喘振趋近度；Wr：循环流量；负荷平衡变量一般有转速（N）或压比（Rc）两种选择，由于本项目中的正常的工艺条件下，总的压比是恒定的，所以选择了转速。该公式由两部分组成，由于负荷平衡变量选择了转速，前一部分是转速的函数，后一部分与喘振趋近度的比例关系，喘振趋近度与期望的阀位和压比为函数关系。域选择器有主控制器进行计算，参数来自负荷分配控制器，负荷分配控制器在自身所关联的防喘振控制去中选择选择最大的S，主控制器再选择出最大的S计算出A，A的计算公式如下:公式10 其中:6:低负荷门限;7:高负荷门限;过渡区可以用图7对域的设置进一步阐述: 图7:负荷分配的域选择从图中可以看出:当SMAX小于6时，A很等于1，所以负荷的计算结果为转速的一元函数；当SMAX介于6和7之间时，L由转速和喘振趋近度组成；当SMAX大于7时，A等于零，负荷的计算结果由最大的喘振趋近度决定。 加入f6仅仅是为了消除负荷对象的非线性，在防喘振控制器中设置，由于透平一般有4个左右的阀头控制，造成中间段的线性不平滑，可以用分段函数对其进行修正。由于在正常工况下，测得两台机组的出现喘振流量都在26700Nm3/h左右，而最小的投料负荷高于该流量，所以正常生产时防喘振阀可以关闭，所以负荷的计算可以进行简化，一般情况下，S总是小于1，所以只要将6和7设置为大于1的值，L将仅仅是转速的函数。由于K101有两台防喘振控制器，而在正常负荷下，高压缸更容易喘振，所以指定负荷的值有FIC62进行计算。4.4.3 负荷的控制回