大型壓縮機(jī)自動(dòng)控制的優(yōu)化

劉天貝，徐繼榮

(東華工程科技股份有限公司，合肥 230088)

大型壓縮機(jī)自動(dòng)控制的優(yōu)化

劉天貝，徐繼榮

(東華工程科技股份有限公司，合肥 230088)

壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全保護(hù)關(guān)系到整個(gè)化工工藝流程的穩(wěn)定和安全。簡單介紹了壓縮機(jī)組的分類，討論了化工裝置中大型離心壓縮機(jī)的自控控制及聯(lián)鎖保護(hù)；分析了壓縮機(jī)組的常規(guī)控制及聯(lián)鎖保護(hù)；詳細(xì)介紹了通過過程/喘振解耦來有效避免喘振的發(fā)生，通過壓縮機(jī)內(nèi)循環(huán)來降低停車的損耗，通過優(yōu)化壓縮機(jī)盤車設(shè)計(jì)方案來提高盤車自動(dòng)化。

壓縮機(jī)組 防喘振 內(nèi)循環(huán) 安全聯(lián)鎖 盤車

壓縮機(jī)作為提高工藝介質(zhì)壓力的主要大型設(shè)備之一，如何做好壓縮機(jī)的控制和保護(hù)，是過程控制的重要內(nèi)容之一。本文介紹了壓縮機(jī)的分類，壓縮機(jī)的自動(dòng)控制及聯(lián)鎖保護(hù)的常規(guī)方案，并重點(diǎn)介紹了一些優(yōu)化方案。

1 壓縮機(jī)的分類

在大型的化工裝置中，常用的大型壓縮機(jī)有螺桿式和離心式。針對(duì)不同的工藝要求，可選用不同的壓縮機(jī)。下面介紹這兩種壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 螺桿式壓縮機(jī)

優(yōu)點(diǎn)： 可靠性高，零部件少，壽命長，操作維護(hù)方便，自動(dòng)化程度高，動(dòng)力平衡好，體積小、質(zhì)量輕、占地面積小，適應(yīng)性強(qiáng)。

缺點(diǎn)： 造價(jià)高，不能適用于高壓場合，排氣壓力一般不超過3MPa。

1.2 離心式壓縮機(jī)

優(yōu)點(diǎn)： 供氣氣流均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，調(diào)節(jié)方便，機(jī)械效率高，易損件少，維修方便，氣缸內(nèi)無潤滑油，氣體不被油污染，投資省，占地少，壓力可調(diào)范圍較小。

缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪音大。

2 壓縮機(jī)的復(fù)雜控制系統(tǒng)

螺桿式壓縮機(jī)一般采用電力驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)相對(duì)簡單，控制系統(tǒng)集成在主裝置DCS中，不單獨(dú)設(shè)置控制單元，本文不再重點(diǎn)描述。

離心式壓縮機(jī)一般采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，需采用單獨(dú)的壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)(CCS)，其控制重點(diǎn)分別在汽輪機(jī)調(diào)速、升速/降速控制、防喘振控制、壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車等。

本文以離心式壓縮機(jī)為例，將復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)行說明，并重點(diǎn)說明在設(shè)計(jì)過程中的優(yōu)化改進(jìn)。

圖1為瑞士卡薩利工藝的合成氨裝置中，壓縮工段的工藝流程圖，由圖1可見，該壓縮機(jī)組成部分為一段低壓缸，二段高壓缸和三段循環(huán)進(jìn)氣缸。工藝氣在缸內(nèi)加壓，并在段間冷卻，最終達(dá)到下一工段的工藝要求。

圖1 工藝流程示意

2.1 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

首先，離心式壓縮機(jī)是由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速即可改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)離心式壓縮機(jī)負(fù)荷的目的。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過調(diào)整主汽門的開度實(shí)現(xiàn)。主汽門相當(dāng)于1臺(tái)調(diào)節(jié)閥，用來控制驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的蒸汽流量，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

汽輪機(jī)的速度控制則分為定速和變速2種控制方案。當(dāng)汽輪機(jī)用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，通常采用變速控制方案，一般采用壓縮機(jī)入口工藝氣的壓力調(diào)節(jié)的輸出信號(hào)作為CCS調(diào)速單元或電子調(diào)速模塊的設(shè)定值。汽輪機(jī)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收來自CCS調(diào)速單元或電子調(diào)速模塊的調(diào)速信號(hào)，通過電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在調(diào)節(jié)油路上，從而改變主汽門的開度，來增大或減小高壓蒸汽進(jìn)入量。即推動(dòng)汽輪機(jī)葉輪的蒸汽量增大，則汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速增高；反之，則轉(zhuǎn)速降低。

2.2 壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)

喘振是離心式壓縮機(jī)的一種固有特性，如何避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生，是設(shè)計(jì)工作優(yōu)化的重點(diǎn)之一。

在一定的壓縮比下，當(dāng)壓縮機(jī)的入口流量降低到小于極限流量時(shí)，氣流的輸送將出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，帶動(dòng)壓縮機(jī)機(jī)身強(qiáng)烈振蕩，嚴(yán)重的可能造成事故。

防喘振的常規(guī)做法就是在壓縮機(jī)進(jìn)、出口和各級(jí)之間設(shè)置回流閥，通過控制閥門的開度，來調(diào)節(jié)工藝氣的回流量，以增大壓縮機(jī)各級(jí)入口工藝氣流量，避免喘振的發(fā)生。壓縮機(jī)入口壓力控制通過壓力調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器組成串級(jí)控制，改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速；防喘振控制器控制防喘振閥，使壓縮機(jī)工作在安全區(qū)。

此外，如果防喘振調(diào)節(jié)不夠及時(shí)，防喘振控制中還有一個(gè)純比例控制功能——喘振超馳控制。當(dāng)喘振超馳控制輸出值大于喘振調(diào)節(jié)輸出值，它將取代流量控制的PID調(diào)節(jié)作用，保證回流閥的快速打開，進(jìn)一步避免喘振的發(fā)生。

但是，由于入口壓力控制和防喘振控制同樣存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，因而這種控制仍然不夠穩(wěn)定，可以再進(jìn)行優(yōu)化——增加過程喘振解耦功能。在控制壓縮機(jī)入口壓力的同時(shí)，兼顧操作點(diǎn)位置，使其保持在安全區(qū)。過程喘振解耦控制如圖2所示。

通過過程喘振解耦功能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)入口壓力控制是一個(gè)新的控制方案，它將過程控制和防喘振控制有機(jī)地結(jié)合在一起，既滿足了壓縮機(jī)在各種工藝條件下的過程控制，又保證了壓縮機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.3 壓縮機(jī)組聯(lián)鎖停車系統(tǒng)

2.3.1 壓縮機(jī)組本體保護(hù)

壓縮機(jī)組由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本體的保護(hù)也較為復(fù)雜。壓縮機(jī)組本體保護(hù)系統(tǒng)分為控制油路系統(tǒng)、潤滑油路系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、軸系系統(tǒng)等。汽輪機(jī)控制油路的壓力、壓縮機(jī)組潤滑油路的壓力、密封氣路的密封氣流量、軸系系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速信號(hào)等出現(xiàn)異常，都會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)本體損傷或安全事故的發(fā)生。國內(nèi)外的壓縮機(jī)和汽輪機(jī)制造商相關(guān)設(shè)計(jì)大同小異，工藝也較為成熟。

圖2 過程喘振解耦示意

2.3.2 壓縮機(jī)組停車動(dòng)作

壓縮機(jī)組停車動(dòng)作簡單概括為打開壓縮機(jī)防喘振閥，關(guān)閉壓縮機(jī)進(jìn)、出口工藝氣切斷閥，打開工藝氣放空閥，停汽輪機(jī)。其中，壓縮機(jī)防喘振閥必須全開后，才能關(guān)閉進(jìn)、出口工藝氣切斷閥；進(jìn)口工藝氣切斷閥全關(guān)閉后，才能打開放空閥。汽輪機(jī)停車是通過停車電磁閥實(shí)現(xiàn)的，2個(gè)停車電磁閥導(dǎo)入速關(guān)油，作用在危急遮斷裝置上，切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的停車。

在合成氨裝置的傳統(tǒng)工藝中，當(dāng)合成工段停車時(shí)，壓縮機(jī)也停車；合成工段重新開車后，再重新開壓縮機(jī)。而實(shí)際上，在一定條件下，當(dāng)上、下游工段停車，壓縮機(jī)不必要聯(lián)鎖停車時(shí)，只需將壓縮機(jī)進(jìn)出口閥門關(guān)閉，工藝氣在內(nèi)部循環(huán)即可。當(dāng)上、下游工段故障排除后，壓縮機(jī)可以很快投入到生產(chǎn)流程中。優(yōu)化后的壓縮機(jī)組聯(lián)鎖控制如圖3所示。

簡單來說，壓縮機(jī)的停車和內(nèi)循環(huán)的區(qū)別在于汽輪機(jī)是否停車。該優(yōu)化措施實(shí)際上只是在“停車信號(hào)來自前后工段”的支路上，增加1個(gè)選擇旋鈕。從而可以和傳統(tǒng)做法一樣選擇直接停車，也可以執(zhí)行除“停汽輪機(jī)”之外的其他動(dòng)作，即壓縮機(jī)內(nèi)循環(huán)。

在正常情況下，選擇旋鈕置于主路上，即“停車信號(hào)來自前后工段”信號(hào)一旦觸發(fā)，壓縮機(jī)立即進(jìn)入停車動(dòng)作；當(dāng)且僅當(dāng)特定情況下，如前后工段的停車原因可以很快消除時(shí)，將選擇旋鈕置于支路上，汽輪機(jī)可以不停車，壓縮機(jī)進(jìn)入內(nèi)循環(huán)。

壓縮機(jī)的內(nèi)循環(huán)，既節(jié)省了壓縮機(jī)重新開車的人力、物力投入，也不用將工藝氣全部放空，避免了浪費(fèi)，節(jié)省了生產(chǎn)成本。同時(shí)，壓縮機(jī)工段作為一個(gè)獨(dú)立的工段，在整個(gè)化工裝置中的抗沖擊能力也得以增強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。該方案已在國內(nèi)某2個(gè)大型合成氨裝置中的設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用。

2.4 壓縮機(jī)盤車系統(tǒng)

壓縮機(jī)盤車裝置是使壓縮機(jī)傳動(dòng)部件作緩慢運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。盤車的目的是在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前對(duì)初裝配質(zhì)量作最后檢查，以保證壓縮機(jī)能正常、順利地運(yùn)轉(zhuǎn)；裝配檢修過程中，將運(yùn)動(dòng)部件盤動(dòng)至某一便于拆裝的位置；在未運(yùn)轉(zhuǎn)或者檢修期間是靜止不動(dòng)的，為了防止壓縮機(jī)中軸因重力的原因發(fā)生形變，影響壓縮機(jī)的性能。

對(duì)于小型和微型壓縮機(jī)，一般不專門設(shè)置盤車裝置，對(duì)于大、中型壓縮機(jī)一般都設(shè)置專門的盤車裝置。但制造精度比較高，結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小的進(jìn)口壓縮機(jī)也無盤車裝置。

常見壓縮機(jī)設(shè)備在現(xiàn)場設(shè)置1個(gè)操作柱，上有盤車按鈕。在需要進(jìn)行盤車的時(shí)候，操作工在現(xiàn)場進(jìn)行操作。盤車油泵運(yùn)行后，開始盤車，通過控制電磁閥的通斷驅(qū)動(dòng)棘輪盤車。

為了更安全、準(zhǔn)確地控制盤車，對(duì)盤車聯(lián)鎖進(jìn)行了優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 壓縮機(jī)盤車聯(lián)鎖示意

其中盤車時(shí)間為15s，汽輪機(jī)靜止、潤滑油壓力和速關(guān)閥關(guān)閉作為盤車允許條件，盤車油泵停止運(yùn)行或盤車停止按鈕為結(jié)束條件。

3 結(jié)束語

文中列舉的只是幾種典型的壓縮機(jī)控制和保護(hù)系統(tǒng)在自控設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)用及優(yōu)化，關(guān)于壓縮機(jī)的系統(tǒng)配置和聯(lián)鎖控制還有很多種，不一一贅述。隨著時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及相關(guān)從業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和智慧的凝結(jié)，方案肯定會(huì)不斷地優(yōu)化，控制會(huì)更加的合理。

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Optimization of Automatic Control of Large Scale Compressor

Liu Tianbei， Xu Jirong

(East China Engineering Science & Technology Co.Ltd.， Hefei，230088， China)

s： Stability and safety of whole chemical process are closely related to normal operation and safety protection of compressor. The classification of compressor is briefly introduced.Automatic control and interlock protection of large scale centrifugal compressor in chemical equipment are discussed.Conventional control and interlock protection are stressed for compressor unit. The avoidance of surge occurrence through process control and anti-surge decoupling is introduced in detail.The reduction of shutdown energy loss is realized through compressor internal circulation. Barring automation is improved through optimizing design.

compressor; anti-surge; internal circulation; safety interlock; barring

劉天貝(1982—)，男，湖北十堰人，2004年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)過程控制及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)工作于東華工程科技股份有限公司，從事化工工程和環(huán)保市政工程的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2016)06-0017-04

稿件收到日期： 2016-08-06，修改稿收到日期： 2016-09-08。