CCC压缩机防喘振控制技术研探

CCC压缩机防喘振控制技术研探摘要：喘振现象，喘振控制线确定，控制算法的使用及各种控制线的功能。关键词：喘振防喘振CCC1.喘振现象喘振是涡轮压缩机特有的现象，我们可以从下图的简单模型来解释这一特性，从图中可以看出当容器中压力达到一定值时，压缩机运行点由D沿性能曲线上升，到喘振点A，流量减小压力升高，这一过程中流量减小压力升高，由A点开始到B点压缩机出现负流量即出现倒流，倒流到一定程度压缩机出口压力下降（B-C）,又恢复到正向流动（C-D），这样，气流在压缩机中来回流动就是喘振，伴随喘振而来的是压缩机振动剧烈上升、类似哮喘病人的巨大异常响声等，如果不能有效控制会给压缩机造成严重的损伤。喘振工况的发展非常快速一般来讲在1-2秒内就以发生，因而需要精确的控制算法和快速的控制算法才能实现有效的控制。2.喘振控制2.1喘振线的确定通常压缩机都会有一系列的性能曲线图（如下图所示），其坐标是多变压头-入口流量，由于压缩机入口条件的不同（如温度、压力、分子量等）其喘振曲线是分散的多条曲线，给喘振的控制带来困难，CCC根据压缩机的设计理论喘振理论和自己的经验开发出了一套计算方法和软件，可以将多变的入口条件的喘振曲线转化成与入口条件无关的曲线（如下图）。这样就可以方便地确定喘振点。而一般来讲压缩机制造厂商提供的性能曲线是计算值，会有一定偏差，特别是旧机组的性能会发生变化或者没有性能曲线。为了精确控制需要对喘振曲线做现场测试，传统的测试方法需要由经验丰富的测试工程师来进行测试，人为地判断压缩机是否到达喘振点，这样做带来了巨大的风险，因为人的判断无法保证100%的准确。而且由于到喘振点时需要人来手动控制打开防喘振阀往往会动作滞后或过早打开难以避免给机组造成损伤或无法实现准确测量CCC的喘振算法和控制算法能够在自动状态下测量喘振曲线，从而避免了人为测量的风险并能准确测量记录线。这一功能是CCC的专利技术而且是世界独一无二的。2.2喘振控制算法在传统的防喘振控制算法中，只是简单地用折线仿真线用运行点的流量与喘振点的流量比较，当达到喘振点时打开回流阀（放空阀），这样做会造成大量的回流放空能量和造成工艺的扰动甚至中断。CCC的控制算法可以由下图简单说明：喘振线上的点因而，图中Ss1的区域为喘振区域，Ss1的区域为安全区域。通过对Ss值的计算就可以建立喘振的数学模型，从而实现控制。2.3功能描述2.3.1各种控制线(1)SurgeLimitLine,SLL压缩机在不同的工况下有不同的性能曲线，每一条性能曲线都有一个喘振极限点，所有这些点构成了一条喘振极限线SLL。(2)SurgeControlLine,SCL为防止喘振发生，CCC防喘振控制算法在喘振极限线SLL右边设置了一个可变的安全裕量b，这样就可以在操作点到达喘振极限线之前开始动作，增加压缩机的流量。(3)RecycleTripLine,RTLRTL规定一个操作极限，如果操作点超过这个极限，循环跳闸响应将快速打开防喘振控制阀。RTL位于SCL与SLL之间。(4)SafetyOnLine,SOLSOL定义一个操作极限，如果操作点超过这个极限，则表明压缩机已经正在发生喘振，安全保险响应将增加喘振控制线的裕度(总b值)，迅速制止喘振。SOL线在喘振极限线的左边，二者之间的距离为SO。(5)TightShut-offLine,TSLTSL定义最小的SCL的偏差，位于SCL线的右边二者之间的距离为d1。2.3.2CCC防喘振控制算法的控制功能(1)PID控制响应对于缓慢的小的扰动，使操作点进入喘振控制线SCL左边的喘振控制区，CCC防喘振控制算法的PI控制算法，根据操作点与SCL之间的距离产生相应的比例积分响应，防止压缩机操作点回到SCL左侧的非安全控制区。CCC防喘振控制算法的微分作用不是直接控制输出，而是用于加大CCC防喘振控制算法的安全裕量。这样操作点在向喘振方向移动，但并没有实质的喘振危险时，不会将防喘振阀打开，只有在操作点处于或者接近防喘振控制线SCL时，才通过加大安全裕度使控制响应加大增加流量，这样一来对于一般的扰动既可以保持工艺过程稳定又能防止喘振的发生(2)RTL响应如果对于一个较大较快的扰动，当比例积分响应和特殊微分响应不能使压缩机操作点保持在SCL线的右边，而是操作点瞬间越过了SCL左边的RTL，则RTL响应就会以快速重复的阶跃响应迅速打开防喘振阀，这样就恰好可以增加足够的流量来防止喘振。(3)根据SOL线的安全保险响应如果因意外情况（如组态错误、过程变化、特别严重的波动）使压缩机的操作点越过SLL线和SOL线而发生喘振，则安全保险响应就会重新规定喘振控制裕度，使喘振控制线右移，增加SCL与SLL之间的距离，在一个喘振周期内将喘振止住。(4)TSL响应如果操作点在TSL线的右边，那么防喘振控制算法的TSL响应将输出0或者100%的信号，关闭防喘振控制阀。CCC防喘振控制算法根据喘振发生的特点，通过设定不同的控制线，当操作点越过不同的控制线产生不同的控制响应，把这些响应组合在一起产生一个独特的控制响应，这种控制响应既能防止喘振，又不会使工艺过程产生不必要的波动，也不需要浪费能量。(5)Safe-on响应如果机组实际发生了喘振，则喘振控制算法自动加大一个安全裕量b4，以防止喘振的再次发生，这一动作最多可以加大5次b4,并且可以手动或自动复位。(6)Fall-back功能CCC防喘振控制算法中有各种备用控制策略，当计算喘振接近度SS公式中所用的输入信号出现故障时，提供一个经验缺省值以保持喘振控制的运行。(7)手动控制手动控制可以让操作员手动控制防喘振阀的开度。手动操作有两种方式，一种是完全的手动，在这种方式下喘振控制算法即使探测到喘振工况也不能控制防喘振阀；另一种方式是在手动操作中，如果喘振控制算法探测到喘振工况就可以控制防喘振阀来保护机组。(8)解耦控制对于有性能控制的机组，通常会通过调节压缩机的速度或入口调节阀的开度来满足工艺要求。当压缩机进入喘振调节时，有时性能控制会同时要求减小流量（如性能控制变量为入口压力时），两个控制回路是互相反作用的，从而造成系统的不稳定，使机组更加接近喘振。针对这种情况，CCC的性能控制算法和喘振控制算法会将各自的输出加权到对方的控制响应中去，从而实现解藕控制来使两个控制回路协调动作，迅速稳定系统。(9)自动加载和停机功能配合调速控制和性能控制，CCC的控制算法能够在机组达到最小控制转速后或当出口单向阀打开时，以一定的速度关闭防喘振阀同时维持出口压力不变，将机组并入到工艺系统中去。停机时则自动打开防喘振阀，将机组切出系统。(10)负荷平衡与负荷分配功能防喘振控制算法配合性能控制算法将并联/串联运行的机组控制在与喘振线等距离的运行点上。(11)CCC喘振控制算法功能框图：3.采用CCC防喘振控制算法的益处：(1)压缩机运行更经济：采用先进的防喘振控制算法，压缩机可以在更靠近喘振极限的位置运行，而不必打开回流阀。(2)工艺过程控制更加精确：内置的回路解耦算法允许性能控制算法和防喘振控制算法之间更快地协调并消除防喘振控制动作可能产生的间断效应。(3)减少压缩机停机时间：CCC防喘振控制算法消除了因喘振或者过载引起的不必要停车。(4)压缩机维修费用降低，消除损害性的喘振，减少大修次数。(5)压缩机运行更可靠：采用退守（FallBack）策略控制算法能够在变送器发生故障时，继续防止喘振。(6)操作简化：RTL和SOL响应减少了操作者的介入。(7)更低的工程成本：专门针对压缩机的具体条件而设计，用户不必进行软件设计和软件组态，降低开车费用。(8)降低压缩机初始投资：防喘振控制算法和过载保护延长了压缩机寿命。4、宁夏石化公司4111-K1存在问题及改造后状况宁夏石化公司化肥一厂空气压缩机组(4111-K1)由德国德马克公司制造,压缩机的型号为AR150-8V-2，8级轴流，2级离心，由一台日本三菱重工公司生产的型号为7EH-9的带中间抽汽的凝汽式工业汽轮机驱动。此台机组自上个世纪八十年代安装使用后，其控制系统一直未进行过改进，一直沿用原机组配套的机械/液压式调速/抽汽控制系统。该机组的防喘振控制系统属于传统常规控制。压缩机组在多年的使用中多次出现喘振情况，造成装置停产事故。4.1.1原防喘振控制器在DCS中实现，而非采用专用的防喘振控制器。喘振是此类压缩机的固有特点，但压缩机的喘振线并不是一条固定不变的曲线，它根据入口工况的不同（入口的压力，温度，湿度，分子量等）而时时改变，防喘振控制器应能具有能根据入口工况时时调整喘振线的能力。DCS中防喘振控制算法简单，无法做到这一点。CCC通过独有的，获得专利技术的简化压头（hr）-简化流量（qr）算法，能够实现自动变工况控制（例如，压缩机的喘振线根据冬夏季的入口温度变化时，时时自动调整）。4.1.2原DCS系统的执行周期太长（500毫秒）。而压缩机的喘振特性决定了压缩机的喘振周期特别短，初始的喘振周期只有20-50毫秒。大于500毫秒的执行周期显然无法及时地发现和制止初始的喘振，只有当喘振深度很大时，才加以控制，但此时已无法阻止喘振发生。CCC专用的防喘振控制器采用5毫秒的采样周期，40毫秒的执行周期，能够及时地捕捉初始的喘振迹象，提前控制，防止喘振的发生。4.1.3原喘振线没有在线实测。压缩机厂家提供的喘振线是其理论计算值，压缩机现场安装后，由于密封间隙，管线布置等情况的改变，压缩机的喘振线会改变。只有在压缩机开工过程中实测喘振线，并结合简化压头（hr）-简化流量（qr）的变工况专利算法，才能准确的计算出压缩机的喘振线和运行点，并为其精确控制提供依据。CCC能够利用为用户提供的专用控制器，在开工过程中在线实测喘振线。4.1.4原系统没有压缩机性能控制。原控制系统缺少性能调节，只能通过手动控制导叶。CCC提供专用的性能控制器，实现压缩机性能的自动调节。并通过性能和防喘振之间的解耦算法，性能超驰控制算法和极限控制算法共同实现精确控制。4.1.5原控制系统防喘振控制策略简单。原系统通过传统的PID控制来调节。PID控制对于一般的过程控制有效，但对于快速的动态防喘振控制，根本无法满足要求。CCC通过PI响应，自适应微分响应，专利的多步RTL响应和专利的SOL响应来共同实现防喘振调节(如下图)。4.2改造后效果。2013年11月，借大修机会，电仪部采用CCC控制系统对4111-K1防喘振系统进行了升级改造。改造后经过多次工况波动情况，CCC防喘振系统发挥很大作用，及时防止喘振现象产生，克服了以前机组容易喘振，损坏设备的事故，保证机组长周期稳定运行。结束语CCC压缩机控制系统先进，控制算法优于其他系统，运行安全可靠，减少操作人员工作强度和机组停车几率，对机组稳定可靠运行提供保障。