恒定轉(zhuǎn)速離心式壓縮機智能化節(jié)能控制

左國兵

(中國石化巴陵石化分公司 煉油事業(yè)部，湖南 岳陽 414014)

某公司空分裝置使用的空氣壓縮機為電機驅(qū)動的恒定轉(zhuǎn)速離心式壓縮機，采用恒壓控制。壓縮機進氣量通過進口導葉(IGV)來調(diào)節(jié)，防喘振閥(BOV)具有防喘振放空和正常壓力調(diào)節(jié)雙重作用。壓縮機自帶原廠控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機組的調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖以及防喘振控制。在實際運行中，因分子篩倒換導致系統(tǒng)壓力波動時，空壓機有時會出現(xiàn)BOV打開泄壓的情況。BOV放空運行既不節(jié)能、現(xiàn)場噪音很大，也會反過來影響生產(chǎn)的穩(wěn)定，放空運行還會對BOV的密封面沖刷，導致密封面損壞，關(guān)閉時出現(xiàn)氣體泄漏。

1　BOV出現(xiàn)放空的原因

采用電機驅(qū)動的恒定轉(zhuǎn)速離心式壓縮機在恒壓控制中，為實現(xiàn)出口壓力穩(wěn)定，一般通過調(diào)節(jié)IGV和BOV的開度實現(xiàn)[1]，而相同的出口壓力可以由不同IGV和BOV開度大小組合來完成，若控制方式不合理導致IGV開度較大時，BOV就可能打開泄壓來實現(xiàn)出口壓力的穩(wěn)定；當壓縮機在BOV全關(guān)狀態(tài)下運行時，若用氣裝置出現(xiàn)異常導致壓力升高，IGV在壓力PID控制下應(yīng)該自動關(guān)小，通過減少進氣量來降低系統(tǒng)壓力，若IGV調(diào)整不及時使得系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高出現(xiàn)超壓時，壓縮機的BOV就會打開泄壓，防止機組憋壓損壞或進入喘振區(qū)[2]。

2　常規(guī)的節(jié)能控制

當出現(xiàn)BOV放空運行時，除了人為關(guān)小IGV和BOV外，可以采用增加出口至入口的回流調(diào)節(jié)閥避免放空或增加變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn)節(jié)能[3-5]。在不增加硬件投入的情況下，通常也采用下面的自動節(jié)能方法： 設(shè)置壓縮機壓力調(diào)節(jié)器PIC1控制IGV，PIC1的設(shè)定值SV1等于壓縮機的目標壓力；設(shè)置壓縮機壓力調(diào)節(jié)器PIC2控制BOV，PIC2的設(shè)定值SV2略高于壓縮機的目標壓力，設(shè)SV2=SV1+10 kPa，PIC1和PIC2均處于壓力PID自控模式，2個PID回路的測量值均為壓縮機系統(tǒng)壓力PV。

2.1　節(jié)能控制方法

1) 當PV小于SV1。由于PIC1的PV小于SV1，在壓力PID回路控制下閥位輸出值(MV)增加使IGV閥位開大加大進氣量升壓；PIC2的PV更小于SV2，在壓力PID回路控制下MV減小使BOV閥位減小也升壓。在IGV開大和放空閥關(guān)小過程中，壓縮機排氣壓力會逐步增加，PV會先到達設(shè)定值SV1，IGV閥位不再開大，此時BOV可能還未全關(guān)，但由于PV仍低于SV2，PIC2自調(diào)將使BOV繼續(xù)關(guān)閉，BOV關(guān)閉過程中，由于放空減小使PV繼續(xù)增加并大于SV1，PIC1自調(diào)將使IGV關(guān)小減少進氣量降壓。這樣2個壓力PID回路的配合動作將使壓力升到設(shè)定值而BOV關(guān)小直至全關(guān)，達到自動節(jié)能運行的目的。

2) 當PV大于SV1但小于SV2。壓縮機在BOV全關(guān)狀態(tài)運行時，當出現(xiàn)小幅超壓即PV大于SV1但小于SV2時，PIC1自調(diào)使IGV關(guān)小減少進氣量降壓，使壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，此時BOV保持全關(guān)。

3) 當PV大于SV2。在PV大于SV1但小于SV2時，若IGV動作不及時，PV值會繼續(xù)上升加大超壓，出現(xiàn)PV大于SV2的情況，此時PIC2自調(diào)會使BOV打開降壓使系統(tǒng)壓力會很快降至SV2，同時PIC1一直在自調(diào)減小IGV閥位使系統(tǒng)壓力降至SV1，系統(tǒng)壓力從SV2降至SV1過程中，PIC2自調(diào)使BOV逐步關(guān)小直至全關(guān)，從而達到自動節(jié)能運行的目的。

2.2　常規(guī)控制方案的缺陷

手動關(guān)小IGV和BOV的開度雖能實現(xiàn)節(jié)能控制，但需要人為干預(yù)和操作，過程繁瑣且容易導致誤操作；上文提到的自動節(jié)能方法需要IGV和BOV同時自調(diào)控制系統(tǒng)壓力，在實際應(yīng)用過程中會出現(xiàn)2個壓力控制回路互相干擾、壓力波動大、容易引起壓力超調(diào)、極端情況下IGV開度會過小，導致壓縮機進入防喘振區(qū)等問題[6]。因此，實現(xiàn)離心式壓縮機的智能化自動節(jié)能控制顯得日益重要。

3　智能化自動節(jié)能控制系統(tǒng)

離心式壓縮機智能化自動節(jié)能控制，也是采用關(guān)小IGV降壓使得BOV自動關(guān)小升壓的方法，來實現(xiàn)恒壓控制的同時也解決了BOV放空運行不節(jié)能的問題。IGV和BOV分別通過2個系統(tǒng)壓力PID控制回路進行控制，但節(jié)能控制過程中，IGV處于手控模式，接受節(jié)能控制程序命令改變開度，而BOV處于自控模式，實現(xiàn)自動恒壓控制。

3.1　IGV的最小開度

節(jié)能控制過程既要確保壓力控制平穩(wěn)，也要確保壓縮機不進入防喘振區(qū)。設(shè)置IGV的最小開度是保證機組不發(fā)生低流量喘振的重要因素，同時也是保證機組有足夠流量的關(guān)鍵點，所以不管在正常的恒壓調(diào)節(jié)中，還是在節(jié)能控制關(guān)小IGV操作時，IGV的開度均不能小于設(shè)定的最小開度。根據(jù)壓縮機出廠調(diào)試的性能曲線，結(jié)合實際運行的經(jīng)驗，把空氣壓縮機的IGV最小開度設(shè)為35%，當IGV關(guān)閉至35%而BOV依然有放空時，為確保機組安全運行，IGV也不再關(guān)小。

3.2　壓縮機運行最小電流

壓縮機運行的最小電流也是保證機組不發(fā)生低流量喘振的重要指標，電流的大小取決于IGV和BOV的開度，同時也受空氣溫度、濕度、電壓等因素的影響。最小運行電流的值也是根據(jù)壓縮機出廠調(diào)試的性能曲線并結(jié)合實際運行的經(jīng)驗來確定，把空氣壓縮機運行最小電流設(shè)為138 A，在節(jié)能控制過程中IGV關(guān)小使電流降至最小電流時，即使BOV依然有放空時，為確保機組安全運行，IGV也不再關(guān)小。

3.3　壓縮機運行工作點識別

壓縮機“排氣壓力-電流”防喘振原理如圖1所示，壓縮機的工作區(qū)域被劃分為喘振區(qū)、防喘振區(qū)、安全工作區(qū)，其中安全工作區(qū)為壓縮機正常工作的區(qū)域。機組安全工作點在防喘振線右邊，正常運行時工作點不要越過防喘振線[7-9]?？紤]壓縮機長期運行后喘振點變化以及壓縮機工作點的正常波動，在節(jié)能控制關(guān)小IGV的過程中，因電流減小機組工作點在向左邊移動過程中不要過于靠近防喘振線，因而在防喘振線右側(cè)設(shè)置了1條節(jié)能控制線，作為節(jié)能控制過程中的安全控制線。

節(jié)能控制線與防喘振線之間的距離一般設(shè)置在防喘振電流的5%左右。如圖1工作點A對應(yīng)的壓力為0.50 MPa，電流為160 A，節(jié)能控制線對應(yīng)的電流為143 A，防喘振電流線對應(yīng)的電流為136 A。節(jié)能控制線與防喘振線之間距離為7 A。在節(jié)能控制關(guān)小IGV時，當壓縮機工作點到達節(jié)能控制線，則停止節(jié)能控制，IGV不再關(guān)小[4]。

圖1　“排氣壓力-電流”防喘振曲線示意

3.4　IGV的高選控制

設(shè)定好壓縮機的IGV最小開度值、最低運行電流以及節(jié)能控制線后，就可以保證節(jié)能控制過程中機組不進入防喘振區(qū)。所以在節(jié)能控制過程中，IGV受到3個程序命令的控制，為確保機組運行安全，設(shè)定的IGV最小開度值、到達最低運行電流時對應(yīng)的IGV開度以及到達節(jié)能控制線時的IGV開度,三者進行高選后的IGV開度值就是機組節(jié)能控制過程中IGV的最小值，當IGV關(guān)至此開度時就停止節(jié)能控制操作，即使BOV依然有放空，為確保機組安全運行，IGV也不再關(guān)小[5]，IGV高選控制原理如圖2所示。在節(jié)能控制關(guān)小IGV過程中，若BOV已經(jīng)關(guān)閉則自動停止節(jié)能控制程序，同時IGV壓力控制回路由手動控制模式切換為自動控制模式，實現(xiàn)了系統(tǒng)壓力的恒壓控制。

3.5　效果分析

智能化節(jié)能控制系統(tǒng)投用后，機組可以根據(jù)工藝操作要求實現(xiàn)全自動操作，既保證了安全，又實現(xiàn)了優(yōu)化高效運行。

1) 無需人為操作壓縮機的IGV和BOV，實現(xiàn)了節(jié)能控制，系統(tǒng)可以全自動解決節(jié)能控制過程IGV和BOV的配合動作。

2) 壓縮機性能控制更為平穩(wěn)，當系統(tǒng)壓力出現(xiàn)波動時可以很快穩(wěn)定下來，實現(xiàn)了節(jié)能控制和恒壓控制完好融合。

3) 在裝置低負荷運行時，壓縮機BOV比之前關(guān)小了6%左右的開度，使壓縮機工作在最節(jié)能的區(qū)間。

4) 在裝置正常負荷運行時，因生產(chǎn)波動使壓縮機BOV打開后，可以在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)BOV全關(guān)。

5) BOV放空的減少可以降低運行電流，減少電能消耗，達到節(jié)能控制的目的[10]。

圖2　IGV高選控制原理示意

3.6　智能化節(jié)能控制的優(yōu)勢

智能化節(jié)能控制方式與常規(guī)控制方式相比壓力控制更為平穩(wěn)，無需人為干預(yù)，不會導致壓縮機喘振，節(jié)能效果顯著；更無需對機組儀表和閥門做任何的改造，無硬件投入，與增加回流調(diào)節(jié)或增加變頻器調(diào)速方式相比既節(jié)約投資，又簡單易行，只需要修改壓縮機的邏輯組態(tài)程序即可實現(xiàn)自動智能化節(jié)能控制。

4　結(jié)束語

通過自動識別離心式壓縮機當前工況點、設(shè)定IGV最小開度、壓縮機最低運行電流以及節(jié)能控制線，采用節(jié)能控制程序關(guān)小IGV開度來降壓，BOV在壓力PID控制下自動關(guān)閥升壓，從而實現(xiàn)智能化的節(jié)能控制。該方法成功地應(yīng)用于該公司空分裝置的離心式空壓機和氮壓機上，獲得了很好的節(jié)能控制效果，解決了人為操作繁瑣及其他方式控制不平穩(wěn)等問題，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]李新偉.離心壓縮機節(jié)能技術(shù)探討[J].石油石化節(jié)能，2014(08): 27-28.

[2]辛江.離心式壓縮機運行節(jié)能技術(shù)[J].硅谷,2012(17): 12.

[3]郭仁寧,金潔.變頻調(diào)速在離心壓縮機喘振控制中的應(yīng)用[J].風機技術(shù),2008(05)： 58-60.

[4]王柱華,王聲銘.榆林壓氣站高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)[J].天然氣與石油,2007,25(06)： 36-38.

[5]茍新超.空氣壓縮機節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用[J].風機技術(shù),2015(10)： 65-69.

[6]仲廣玉.入口導葉開度過小對空壓機喘振的影響[J].中國石油石化,2016(22): 89-90.

[7]吳佳歡.離心式壓縮機的防喘振控制設(shè)計探討[J].石油化工自動化,2016,52(05): 33-36.

[8]賀代芳,李向江,朱新明.離心式壓縮機的防喘振控制[J].化工自動化及儀表,2011,38(07): 888-890.

[9]王鳴博,李廣林.空壓機防喘振三線控制在DCS 中的設(shè)計及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2006,25(05): 30-31.

[10]許林虎. 離心壓縮機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析[J].風機技術(shù),2007(01)： 48-51.