离心式压缩机防喘振控制设计

中北大学课程设计说明书概述1.1压缩机喘振及其危害压缩机运行中一个特殊现象就是喘振。防止喘振是压缩机运行中极其重要的问题。许多事实证明，压缩机大量事故都与喘振有关。喘振所以能造成极大的危害，是因为在喘振时气流产生强烈的往复脉冲，来回冲击压缩机转子及其他部件；气流强烈的无规律的震荡引起机组强烈振动，从而造成各种严重后果。喘振会造成转子大轴弯曲；密封损坏，造成严重的漏气，漏油；喘振的出现轻则使压缩机停机，中断生产过程造成经济损失，重则造成压缩机叶片损坏，造成人员伤害；喘振使轴向推力增大，烧坏止推轴瓦；破坏对中与安装质量，使振动加剧；强烈的振动可造成仪表失灵；严重持久的喘振可使转子与静止部分相撞，主轴和隔板断裂，甚至整个压缩机报废。1.2喘振的工作原理及防治压缩机在运行中，当管路系统阻力升高时，流量将随之减小，有可能降低到允许值以下。防喘振系统的任务就是在流量降到某一安全下限时，自动地将通大气的放空阀或回流到进口的旁通阀打开，增大经过空压机的流量，防止进入喘振区。取流量安全下限作为调节器的规定值。当流量测量值高于规定值时，放空阀全关：当测量值低于规定值时，调节器输出信号，将放空阀开启，使流量增加。压缩机工作效率高，在正常工况条件下运行平稳，压缩气流无脉动，对其所输送介质的压力、流量、温度变化的敏感性相对较大，容易发生喘振造成严重事故。所以应尽力防止压缩机进入喘振工况。喘振现象是完全可以得到有效控制的，如图（1）所示，根据离心压缩机在不同工况条件下的性能曲线，只要我们把压缩机的最小流量控制在工作区（控制线内），压缩机即可正常工作。喘振的标志是一最小流量点，低于这个流量即出现喘振。因此需要有一个防止压缩机发生喘振的控制系统，限制压缩机的流量不会降低到这种工况下的最低允许值。即不会使压缩机进入喘振工况区域内。图1-1压缩机性能曲线与防喘振控制原理图压缩机的防喘振条件为：△P≥a（p2±bp1）式中：△p——进口管路内测量流量的孔板前后压差p1——进口处压力p2——出口处压力a、b——与压比、温度、孔板流量计的孔板系数有关的参数,可通过热工计算机和实验取得。1.3喘振区域的确定压缩机性能曲线表示出口压力随气体流量而变化的曲线；管网特性曲线是管道进口压力随气体流量而变化的曲线。两条曲线的交点是压缩机的工作点，工作点的横坐标是气体流量，纵坐标是实际排气压力，如图2中，驼峰的最高点K，凡是压缩机工作点位于K点以右的下降部分，为稳定工作区，工作点位于K点以左的曲线下降部分为喘振区。图1-2喘振区域的界定办法2整体控制方案的确定2.1压缩机防喘振控制系统阐述通常把为输送气体连接压缩机的管道、容器等全套设备，包括进、排气管线，称为管网。压缩机进口气体压力为风，经过压缩机增压至肌，经过管道排出，压力下降到肌。压缩机的输气量GD和管网的流量GR相等，或者说压缩机的排气压力等于管网的进口压力肌，压缩机和管网就能稳定运行，即GD=GR或PD=PR。管网的特性曲线和压缩机的特性曲线的交点恰好能满足上述要求，这就是压缩机和管网的联合运行点，如图2-1中的A点和B点。图2-1压缩机和管网的联合运行点要防止压缩机发生喘振，只需要时工作转速下的吸入流量大于喘振点的流量Qp就可以了。因此，当所需的流量小于喘振点的流量时，如生产负荷下降时，需要将出口的流量旁路返回到入口，或将部分出口介质放空，以增加入口流量。满足大于喘振点流量的控制要求最基本的控制方法是最小流量极限控制，这种方法又分为两种：固定极限流量和可变极限流量。固定极限流量法：如图2-2所示。让压缩机通过的流量总是大于某一定值流量Gp，来达到对压缩机喘振的控制。图2-2固定极限流量可变极限流量法：如图2-3所示。是设置极限流量跟随着转速而变的一种防喘振控制。图2-3可变极限流量控制2.2所选控制方案介绍针对本课题，我选择固定极限流量单回路防喘振控制方案。该方案的策略假设在最大转速下，压缩机的喘振点流量为Qp（已经考虑了安全余量），如果能够使压缩机入口流量总是大于该临界流量Qp就能保证压缩机不发生喘振。控制方案是当入口流量小于该临界流量Qp时，打开旁路控制阀，使出口的部分介质返回到入口，直到使入口流量大于Qp为止。图2-4所示为固定极限流量防喘振控制系统的结构示意图。图2-4固定极限流量防喘振控制系统表2-1固定极限流量控制项目表项目旁路流量控制固定极限流量防喘振控制监测点位置来自管网或送入管网的流速压缩机的入口流量控制方法控制出口流量，流量过大时开旁路阀控制入口流量，流量过小时开旁路阀正常时阀的开度正常时，控制阀有一定开度正常时，控制阀关闭积分饱和正常时，偏差不会长期存在，无积分饱和偏差长期存在，存在积分饱和问题2.3单回路控制系统在现代工业生产装置自动化过程中，即使在计算机控制获得迅速发展的今天，单回路控制系统仍在非常广泛的应用。据统计，在一个年产30万吨合成氨的现代化大型装置中，约有85%的控制系统是单回路控制系统。所以，掌握单回路控制系统的设计原则应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的的意义。单回路控制系统的特点是结构简单，投资少，易于调整，投运，又能满足一般生产过程的工艺要求。单回路控制系统一般由被控过程WO(s)、测量变送器Wm(s)、调节器Wc(s)和调节阀Wv(s)等环节组成，如图2-5所示为单回路控制系统的基本结构框图。出口流量出口流量干扰操纵变量入口流量Q偏差e控制器PID被控对象检测元件Z测量图2-5单回路控制系统方框图2.4被控变量的选择在一个生产过程中，可能发生波动的工艺变量很多，但并非对所有的变量都要加以控制。一个化工厂的操作控制大体上可以分为三类，即物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量或成分控制、限制条件或软限保护的控制。因而在进行自动控制系统设计时，应深入了解工艺过程，找出对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量，或者人工操作过于频繁、紧张，难以满足工艺要求的工艺变量，作为被控变量来设计自动控制系统。这里提出几个选择的基本原则。ⅰ.作为被控变量，其信号最好能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小；ⅱ.若被控变量信号无法直接获取，可选则与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量；ⅲ.作为被控变量，必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定；ⅳ.作为被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状被否满足要求。综上所述，合理选择被控变量是单回路控制系统设计的第一步，同时也是关系到控制方案成败的关键。如果被控变量选择不当，则不管组成什么形式的控制系统，也不管配备多么精良的自动化设备，都不能达到预期的控制效果。因此，本课题所选择的被控变量是流量。2.5操纵变量的选择在生产过程中，工艺总是要求被控变量能稳定在设计值上，因为工艺变量的设计值是按一定的生产负荷、原料组分、质量要求、设备能力、安全极限以及合理的单位能耗等因素综合平衡而确定的，工艺变量稳定在设计值上一般都能得到最大的经济效益。然而由于种种外部的和内在的因素，对工艺过程的稳定运转必然存在着干扰，因而在进行自动控制系统设计时必须深入研究工艺过程，认真分析干扰产生的原因，正确选择操纵变量，建立一个合理的控制系统，以确保生产过程的平稳操作。选择操纵变量时，主要应考虑如下的原则：ⅰ.首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变；ⅱ.选上的操纵变量的调节通道，它的放大系数要大，这样对克服干扰较为有利；ⅲ.在选择操纵变量时，应使调节通道的时间常数适当小一些，而干扰通道的时间常数可以大一些；ⅳ.选上的操纵变量应对装置中其它控制系统的影响和关联较小，不会对其它控制系统的运行产生较大的干扰。针对本课题，我选择的操纵变量依然为流量。3控制器的参数整定我们可把副控制器FC选择成PI控制，主控制器TC选择成PID控制。串级系统PID参数的整定过程为：先内后外，即先进行副控制器的参数整定；再在副回路闭合的前提下，进行主控制器的参数整定。3.1副回路的整定对于上述系统中的副回路FC，其广义对象没有明显的纯滞后，无法用响应曲线法或临界比例度法来整定PID这里采用以下的经验整定方法。1、设定副回路的控制器PID参数的初始值如下：＝2，1.5，上式中，为副回路广义对象的稳态增益，为副回路广义对象的一阶时间常数。断开主回路，闭合副回路。系统投入运行，在系统稳定后一秒做单位阶跃扰动。首先在t=0时刻，输入阶跃值为1的信号，给出阶跃信号的输出曲线，可以清楚的看到，输出值为单位1。由此可见，输出信号时刻跟踪输入信号!图3-1阶跃信号输出响应图图3-2副回路的SIMULINK图（）2、当＝2,1.5,时，副回路的SIMULINK图，如图3-3所示仿真结果如图3-3所示：图3-3副回路的输出响应曲线图（）从图3-3的仿真曲线上，可以看到调节时间长。因为副回路是随动系统通过快速性来调整PID参数，所以，需要进一步的调整，通过观察副回路的响应曲线来调整控制器增益直至满意为止。最后取副控制器的参数为=8,=1.5,。3、当＝8，1.5，时，副回路的SIMULINK图，如图3-4所示。：图3-4副回路的SIMULINK图（）仿真结果如图3-5所示图3-5副回路的输出响应曲线图（）从图3-5中，可以明显的看出调节时间变短了，效果变好！故最终副回路整定结果为，1.5，。5.2.2主回路的整定在主回路里，发现存在纯滞后环节，所以采用临界比例带法来整定PID控制器。首先，把主控制器设置为纯比例调节，如图3-6所示，对系统进行仿真（在纯比例作用下将比例带由大往小逐渐变化直到出现等幅振荡过程为止，并记录下此时的临界比例带和等幅振荡周期，如图3-7所示）。当=1/3.18=0.3145时出现等幅振荡。在图3-7中可测量出=910s。图3-6温度串级控制系统的SIMULINK图其次，根据公式计算出主控制器的各个参数。===再根据公式：代入到串级控制系统里进行仿真仿真结果如下：图3-7温度串级控制的响应曲线4仪表选型及仪表信息4.1控制阀的选型参考选型样本可得控制阀型号为：ZHA(B)-2型气动薄膜单座调节阀，其主要技术参数如下：ⅰ.信号范围：20～100KPaⅱ.公称通径：20㎜ⅲ.阀座直径：10㎜ⅳ.公称压力：1.6MPaⅴ.额定行程L：16㎜ⅵ.固有流量特性：直线、等百分比ⅶ.额定流量系数：直线1.8；等百分比1.6ⅷ.固有可调比：30：1ⅸ.工作温度t（℃）：-15℃～ⅹ.作用方式：气开式4.2压力变送器的选型根据变送器的量程，选择型号为ZY-GP1500，其技术参数如下：ⅰ.环境温度宽-40℃～+85ⅱ.测量精度高，0.04%；ⅲ.量程设定灵活，最大量程比100:1；ⅳ.长期漂移小于0.03%／年；ⅴ.量程：0-30～180KPa；ⅵ.防护等级可达到NEMA4X；ⅶ.可接受10.5~32VDC的电源；ⅷ.提供HART/4~20mA，Profibus-PA，FoundationFieldbus或Modbus通讯协议，满足现场通信要求。4.3温度变送器的选型温度变送器采用WAT-TT型通用型智能温度变送器。它采用了先进的数字化技术，具备了传统模拟仪表所不具备的多项先进性能，在对高、低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现，即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用，在油田、石化、制造、电力、冶金等行业的重大工程中有着广泛应用。其技术参数如如下：ⅰ.基本误差：±1.0%、±0.5%、±0.25%。二线制输出，无补偿导线。ⅱ.输出信号：4~20mA，抗干扰能力强，

ⅲ.负载电阻：250Ω，允许范围为0~500Ω，结构简单。

ⅳ.工作温度：-25～+60℃ⅴ.储运环境温度：-40～+80℃

ⅵ.相对湿度：10-90％RH（40℃时）

ⅶ.供电电源：24VDC允许范围为18～30VDC。小型化，安全可靠。

ⅷ.输入功率：0.9ⅸ.外形尺寸：宽×高×深：22.5×100×115mm

ⅹ.净重：140g±20g5传递函数的确定及系统仿真5.1测量变送单元假设流量测量仪表经开方处理后为线性单元，动态滞后可忽略，则有：Q5.2执行器/调节阀假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且G式中，fV为调节阀的流通面积，KV通常在一定范围内变化。这里假设KV5.3被控对象对于整齐流量对象，假设控制通道的动态特性可表示为Gp2(s)=Q(s)/fv(s)=K2/T2S+1,QUOTEGd2s=Q(s)式中，流量控制环节的时间常数T2≫0基本不变，而K2和Kd2通常在一定范围内变化。这里假设K2=0.05~0.20（T/hr）/%,T2=1.5min,K而温度对象，假设控制系统与扰动通道的动态特性可表示为GG并假设：Kp1=5~10℃/(T/hr),Tp1=3~6min,Tp2=0~2min,τp=2~4min,Kd1=-2~-0.5℃/(T/hr)QUOTEKd1=-2~-0.5℃/(T/hr),Td1=2~4min,τd=2~3min。而介质进口处温度的变化范围为±20T/hr，选取Kp1=5℃/(T/hr),Tp1=4min由上述模块所组成的SIMULINK模型如图5-1所示，采用温度单回路PID控制。图5-1单回路控制系统仿真图当被控参数为，TS=0.75，TD=0时，其仿真曲线如下图5-2：图5-2仿真曲线图改变被控参数，，TS=0.25，TD=0时，其仿真曲线如下图5-3：图5-3改变参数后的仿真曲线图6总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。这次的控制系统设计，是综合运用本专业所学课程的理论和生产实际中可能遇到的问题进行的一次结合。不仅锻炼了我查找资料独立解决问题的能力，而且让我学会了对实际中遇到的仪表、器件等如何选型有所了解，并且使我掌握了控制系统的设计。计算机软件的仿真的运用，提高了计算能力，绘图能力，同时对各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己单独设计系统的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此诚挚的感谢刘广璞和刘波两位老师的辛勤指导.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次系统设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师们的细心指导。而老师开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指点。参考文献[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅主编化学工业出版社[2]《过程自动化及仪表》俞金寿\o"搜索刘玉梅主编相关作品"主编\o"搜索化学工业出版社相关作品"化学工业出版社[3]《工业过程控制工程》王树青\o"搜索刘玉梅主编相关作品"主编\o"搜索化学工业出版社相关作品"化学工业出版社[4]《控制仪表及装置》吴勤勤\o"搜索刘玉梅主编相关作品"主编\o"搜索化学工业出版社相关作品"化学工业出版社[5]《过程控制仪表》徐春山\o"搜索刘玉梅主编相关作品"主编\o"搜索化学工业出版社相关作品"冶金工业出版社[6]《过程装备成套技术设计指南工程》黄振仁\o"搜索刘玉梅主