Solar+spgccs燃气压缩机控制系统

1、防喘振和过程控制在气体压缩机上的应用1、控制系统一览1、1生产描述为避免透平驱动离心式压缩机的喘振，Solar公司提出了一个系统控制方案。该系统创建了一个压缩机性能的=数学模型=以及监控的压缩机实际工作值和模型中的实时数据对比。它建立了一条“喘振线”，显示了喘振预期发生和一个在可控范围内的“控制线”，一般在“喘振线”的10%。如果空压机的实际工作值触及到这条“控制线”，系统将纠正。对硬件要求具备一个带有防喘振阀门的多层管道圆环的防喘振管（类似于弹簧的管道圆环），必要的阀门配件，和测量通过压缩机的流量以及吸入口和出口压力和温度的相关仪表。 正确的阀门和仪表的选择，加上一个合适的管道布置，是系统成

2、功运行的关键。防喘振阀被打开将会触发系统纠正动作。这将使得部分管线流程内的气体被回收至压缩机入口。这样可以移动工作点远离 “喘振线”。一旦工作点明确在 “死区线”内（通常为“喘 振线” 12%）,系统将会指示“喘振阀”关。阀门开关动作速度不对称，开时快，关时慢。Solar的系统通常包括：工程上，用最佳控制算法为具体应用；对被选择的压缩机进行多次的软件编程和测试；工程中用到的防喘振阀以及备件都包含了阀门在压缩机性能评测中在不同的阀位性能图；工程指定流量计类型和尺寸；评估买方的管道和仪表图和物理布局；文档中包括所有的防喘振控制算法和程序常量；改进的压头与流量控制；手动模式的自动覆盖；快速去耦合；通

3、过阀开度对喘振预测；在屏幕上的实时图形显示；在屏幕上的实时控制参数设定；具备防喘振控制参数远程控制的串行通信；入口流量变送器；入口压力变送器；出 口温度 RTD （100Pt）;出口压力变送器；为买家运输、安装。以下组件及信息需要由买方确认，以方便防喘振系统的设计和现场使用操作：预计压缩机运行状态范围，入口压力（ P 1）,入口温度（T1）,出口压力（P2）,流 量，气体比重；流量计规格表；买方管道及仪表流程图 （P&ID）和物理布局图，包括入口和流程管道尺寸和施工日程;防喘振控制阀及其规格表，除 Solar提供的以外; 入口气体温度信号（100Pt）。1、2集成控制的优点Solar的

4、防喘振控制系统完全集成在透平单元的控制面板（ UCP）。这种集成成就了具 有更好的容量与/或燃料控制回路界面，以获得最佳性能和压缩机的安全。所有单元参数被用于过程控制系统，已根据压缩机的性能和最佳的状态进行站内优化。因为防喘振控制是过程控制的一部分，所以类似于变送器、 控制参数、PV、SP、OUTPUT、SM以及状态变量等参数变量可通过串行通信被应用。过程控制、防喘振控制和单元控制一 体化将最大限度减小系统故障的情况。无缝的工艺提供喘振和过程控制从被动模式转换到协 调控制模式的控制方式。有了集成控制系统，抗喘振，过程和站控制阀都可以用来避免喘振影响。通过更好的分辨率，更快的响应（电涌降低风险）

5、，明显降低的噪音，使得性能更加优异。并且由于去除 了冗余，降低了成本。1、3开放的环境Solar的防喘振控制系统很容易 改变源代码进行修改（改变分配的K值）。当气体条件设置希望被改变或者压缩机被重新投用，这样的功能就显得十分重要了。1、4人机界面Solar的系统提供了一个具有实时显示防喘振控制相关所有变量的一个屏幕。防喘振控 制屏还提供了压缩机中防喘振回路的工作点数据显示。该功能可以让操作人员知道如何关闭正在不稳定区域运转的压缩机。这个系统有手动功能， 可以让操作人员直接对回路阀门进行手动操作。但如果流程上的工作数值达到“控制线”，自动控制将会取代手动控制。1、5组件开发Solar已经并继续在

6、防喘振控制元件的发展投入资金。1、5、1控制过程Solar使用由 Allen-Bradley的生产控制处理器的硬件和软件。 Solar与Allen-Bradley 在 硬件和软件的开发方面专门为透平机控制展开密切合作。这使得喘振控制算法变得更快，更准确，更复杂。1、5、2仪表Solar作品不断地与仪器制造商提高了仪表元件的性能。在流量计方面，Solar的主要重点是与孔板和文丘里使用的低 A-P发射，因为这些装置的响应速度与其范围成反比。1、5、3控制阀Solar与阀门制造商不断致力于提高防喘振控制阀的性能。Solar指定的防喘振控制阀采用非对称划线操作。这使阀开口响应于被调谐 超出临界阻尼，并

7、且保持稳定。Solar目前供 应的阀门，开发速度不低于100ms/inch。将来这样的速度会达到两倍，比如，在减少50ms。1、5、4流量计Solar已使用过多种流量测量元件，如孔板，流管，以及文丘里。Solar还在自己生产的压缩机以及其他厂家的压缩机上使用Solar的叶轮眼流量计。Solar正在致力于在目前使用的叶轮眼流量计上根据压缩机的转速和压力比纠错方案。1、5、5算法制定Solar以很多不同的形式提供防喘振控制。 防喘振控制算法往往是量身定做的应用程序。 这在抗喘振控制系统方面有着统一性，只需改变气体的条件和压缩机配置。Solar定期检查几种防喘振控制算法来确定哪一个最适合的应用，减少

8、气体回收。1、6VARIED压缩机配置从Solar透平公司出品的防喘振控制很容易适应压缩机各项安排（串联，并联，以及两 者的组合），不同的管路布置，和过程控制方案。由于大量的潜在控制冲突和相互作用，综合控制显然是非常适合于这些应用。1、6、1喘振检测除了主要的防喘振控制，喘振检测算法也被包括在系统里。这个软件检测流量的变化，将显示已发生喘振事件。该算法为主回路控制提供了辅助，但很少被激活。该功能将保 护压缩机防止有故障或能工作正常但数据不准确的变送器提供不正确的数据使得系统受到 干扰。1、6、2服务Solar在全球范围内提供压缩机、透平机、控制系统的服务和技术支持。2、新旧控制系统Solar增

9、强型防喘振控制系统提供了不牺牲可控性的快速系统响应。简要描述了几个增强跟随。2、1概览Solar防喘振控制系统确定在压缩机的入口和出口使用压力变送器和温度温度变送器以及流程上流量变送器的数值，来监视压缩机的工作点。在较早的算法中，仅根据通过压缩机 流量（Q）和压缩机进出口差压（P2 - P1）确定压缩机 操作点。新系统比较压缩机工作点和压缩机喘振极限（理论喘振线）的第三阶多项式模型。操作 点和喘振极限的模型，减去保护余量之间的差，是控制误差。通过比例和积分（P + I）的算法调整这种差异，或“误差”，以提供一控制信号给再循环阀。在较早的系统中，压缩机喘 振极限被定义为一条直线（表达式y = m

10、x+ b ）,而不是一个多项式方程。2、2喘振极限模型压缩机的喘振极限可在数学上表示为减少多变压头和体积流量。多变压头（HP）和流量（Q）的表达式如下所示：因为许多参数是共同，因此方程可根据以下方程简化:TZSG注：T=温度；Z=可压缩气体；SG=气体比重。代入方程化简:折算流量：折算压头：Qr =注：hw=流量计差压。理想气体表达式：由于减少了一些参数来简化压头和流量的方程，在喘振极限模型中，对这些参数将不再敏感。由于测得的 P1被用于在两个方面，因此改变压缩机的入口压力被占用。1999年以前，该喘振极限的模型是基于DP与hw,其中DP是压缩机的压差和 hw是流量计差压。虽然简单，且适用于管

11、道的应用，但还是不够的改变气体的环境条件。压力，温 度，或特定的重力补偿是困难的，并是的算法复杂化。2、3单元优化和显示数据范围为减少压头和流量被单元化；也就是说，它们被表示为 百分数（0至100%）,而不是尺寸的值都在 X轴和Y轴。这种方法为范围宽的压缩机提供了类似的“喘振线”。对于不同安装不同现场的防喘振控制来说，变得相似使他们控制起来更加简单。但是在同一个尺寸的系统里，来自 不同设备的数据的量级会发生变化。2、4曲线拟合对于单级压缩机使用的轻质天然气（管道，销售质量的气体），直线喘振模型通常是足够的。但是，运行重型气体的多级压缩机将产生更复杂的曲线。当有着复杂曲线的喘振极限被一条直线所代

12、替，该保护余量将会是原来的两倍。这会导致不必要的循环利用。新的三次多项式为基础的系统模型提供准确的压缩机喘振极限，不回收不必要的气体。根据压缩机厂家的喘振极限数据 ，三阶多项式的系数是根据压缩机的操作参数制定的， 具体如下：x = Ay3 + By2 + Cy + D注：x =无流量（Q）项；y=无压头（H）的喘振控制算法。常数，A, B, C和D是常数或“ K值”确定多项式（见附录 C）。用于显示目的（图1）,该“喘振线”和伴随控制和“死区线”被用直线表示。“喘振 线”是一个与多项式定义的实际曲线相切的线，与在压缩机的工作点上减少的压头的值相对应。2、5压缩机运行一个压缩机的工作可以在三个参

13、数来描述： 压头，流量和流速。工作点的定义，依据其 余参数都不变的情况下，该参数正常数值与在喘振出现时的数值比。 三种最常用的值量程比， 喘振余量，和压头喘振。量程比，在压头恒定，在工作点处，流量大于喘振流量的比值，（图 2）。它经常被用 于描述压缩机的操作安全性，特别是在仅有压头和流量被监视的。它通常以百分比表示。量程比的另一定义是用来描述压缩机的变化幅度，即喘振和扼流圈之间的距离。 在这种情况下，量程比通常被表示为一个比率，比如2: 1。喘振余量，在恒定流速下，在工作点处，流量大于喘振流量的比值，（图3）。这是一个压缩机的运转的安全度的最常见的描述。它通常以百分比表示。压头喘振，在恒定流速

14、下，工作压头与喘振压头的比值。再次，这描述了一种压缩机的运转的安全性。它通常以百分比表示。流速损失喘振，在压头恒定时，在压缩机喘振之前，要多远的距离流速会减弱。这种关 系很好的解释了再关断中避免喘振的问题。如果在压缩机两侧有维持在压缩机内部的压力， 减小流速会诱发喘振。剩下的两个关系是压头在恒定流量和流速快速下降以及恒定的流量情况下引起喘振。这些关系是非常有用的。 压头由运行的压缩机上游和下游的系统设定。压头缓慢变化成正比于流量。只有当流速，上游和下游的阻尼保持不变，流量成为常量，并且系统已经达到了平衡状态。其他任何参数不会对流量的恒定造成影响。Solar的控制系统采用量程比的计算值，以防止压

15、缩机喘振。图1.防喘振控制显示器J 2J-电 U T enpendLK-U3 匆 n一* j Fnqm FipTTiHYr U IjfSHiCpiU Perl&hL 3 piurpnnplrril-K XiibMKn6VhmlrrjEpni "iararTT-1妙弓国皆已|专；W匚坦£3 £卜1睡z口 hrfiui 即 Barr*：； *etcIWeU CariLnrlsy EllfiChallD YMWvh9匚6七1月阳忖小木壮曲*a rr irp "rrhrg 广勺 jiivjr ff-rh, =-Q2、6量程比计算器量程比（TD）计算器需要

16、的压力，温度和流量的输入来计算的量程比。量程比是指水 平距离（即在恒定降低压头因素）在工作点减弱流量因素和在喘振极限线处减弱流量因素之 间，以百分比的形式，在图 2中以图形方式示出并在数学上表示如下：TD = 100Or =图2.量程比2、7喘振余量喘振余量计算以相同的方式，只是QRsrg的值是从恒定流速线和喘振线的交点导出,如图3:SM = 100 xOr OrOROPQr甲点图3.喘振余量2.8量程比（可调范围）当描述在可调范围内，量程比定义是：re QmaxspefdTD Qsrg注：QMAXSPEED=最大流速下流量（见图 4）图4.量程比（可调范围）2、9比例和积分控制算法在任何的控

17、制系统中，最大的控制增益由时间常数或系统共振频率来限制。如果增益被不断地增加以提高响应，系统振荡。由于许多系统组件响应的非线性， 系统的时间常数将会 变化。即使系统被初始优化调整，过程条件与 /或设备随时间变化，并且系统会振荡。防喘振控制系统必须 1）避免出现喘振严重的工艺变化和 2）控制的连续循环无振荡或 无间断。现成的阀们和变送器必须在流量计运行是不理想的，并控制体积较大的管道系统中使用。通常情况下，通过传统的单一增益系统，性能的要求不能得到满足。为了确保避免喘振， 阀门开度加速远远超过了系统的时间常数。为了返回到正常的过程顺利，一个慢得多的闭合速率是必需的。为了实现这些相互矛盾的目标，Solar使用两个增益：高增益用于打开循环阀和低增益用于关闭阀门。Solar的防喘振控制器使用常规比例积分控