RF3BB36壓縮機(jī)防喘閥頻繁波動(dòng)故障分析及解決措施

魏國(guó)富，蔡興龍，鄭吉慶

（中石油西部管道分公司 生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，烏魯木齊 830000）

0 引言

喘振現(xiàn)象是離心壓縮機(jī)工作在小流量時(shí)的不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，它的出現(xiàn)輕則使壓縮機(jī)停機(jī)，中斷生產(chǎn)過(guò)程造成經(jīng)濟(jì)損失；重則造成壓縮機(jī)葉片損壞，引起壓縮機(jī)設(shè)備報(bào)廢甚至造成人員傷害。因此，喘振現(xiàn)象在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格杜絕[1]。防喘控制系統(tǒng)作為防止離心式天然氣壓縮機(jī)發(fā)生喘振的關(guān)鍵設(shè)備，在壓縮機(jī)防喘保護(hù)中具有重要作用。當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)接近喘振點(diǎn)時(shí)，防喘控制系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)防喘振控制閥，使部分天然氣從壓縮機(jī)出口回流至入口，增加入口天然氣流量以防止發(fā)生喘振。防喘振控制閥是一個(gè)流通截面可調(diào)的回流閥，開(kāi)度隨工作點(diǎn)轉(zhuǎn)入喘振區(qū)而增大[2]。西氣東輸一線某壓氣站兩臺(tái)RR RF3BB36 壓縮機(jī)在管線流量低運(yùn)行工況下頻繁出現(xiàn)開(kāi)關(guān)閥波動(dòng)問(wèn)題，該站機(jī)組防喘控制程序雖進(jìn)行過(guò)PID 參數(shù)優(yōu)化，但并未解決該問(wèn)題。當(dāng)壓縮機(jī)組工作在低工況并靠近防喘控制線時(shí)，防喘閥在防喘控制線左右頻繁開(kāi)關(guān)波動(dòng)，從而引起壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口流量等工藝參數(shù)的波動(dòng)，低流量下防喘閥動(dòng)作及相關(guān)工藝參數(shù)的趨勢(shì)如圖1 所示。

圖1 低流量下防喘閥及相關(guān)工藝參數(shù)波動(dòng)趨勢(shì)Fig.1 Trend of anti-surge valve and related process parameters under low flow

圖2 PLC中組態(tài)2#機(jī)組參數(shù)趨勢(shì)Fig.2 Trend of configuration 2# unit parameters in PLC

1 防喘閥波動(dòng)原因分析

RR 壓縮機(jī)組自動(dòng)防喘PID 控制由比例控制器、積分控制器、微分控制器3 部分組成，對(duì)根據(jù)防喘控制線計(jì)算出的流量設(shè)定值與實(shí)時(shí)值的偏差分別進(jìn)行比例計(jì)算、積分計(jì)算和微分計(jì)算，將3 部分計(jì)算出的值相加得出輸出控制量，該輸出控制量最終控制壓縮機(jī)工藝管線上的防喘閥[3]。通過(guò)在四道班壓氣站2#機(jī)組PCS 程序中組態(tài)防喘閥命令輸出、閥位反饋、進(jìn)口流量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)趨勢(shì)（見(jiàn)圖2），對(duì)運(yùn)行中的2#防喘閥波動(dòng)情況與壓縮機(jī)工作點(diǎn)情況進(jìn)行檢查分析，發(fā)現(xiàn)工作點(diǎn)在喘振控制線左右來(lái)回波動(dòng)，防喘閥從83 ～89 關(guān)度之間波動(dòng)，且防喘閥PID 自動(dòng)控制輸出開(kāi)命令后，開(kāi)閥時(shí)防喘閥延遲近7s，且防喘閥及時(shí)開(kāi)閥非線性開(kāi)閥，存在5%開(kāi)度階躍。防喘閥PID 自動(dòng)控制輸出關(guān)命令后，有4s ～5s 的延遲防喘閥才能動(dòng)作，關(guān)閥時(shí)動(dòng)作較為線性，按照0.3%/s 的程序設(shè)定速率關(guān)閥，但PID 控制器停止關(guān)閥命令輸出后，防喘閥延時(shí)4s ～5s 后才能停止關(guān)閥。防喘閥快速打開(kāi)后，壓縮機(jī)進(jìn)口壓差能迅速增長(zhǎng)，說(shuō)明防喘回路流量無(wú)滯，對(duì)PID 控制無(wú)影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察防喘閥動(dòng)作情況，發(fā)現(xiàn)防喘閥實(shí)際開(kāi)閥時(shí)確實(shí)存在階躍。所以，可以判定由于防喘閥動(dòng)作不靈敏，造成PID 控制超調(diào)，從而造成防喘閥頻繁波動(dòng)，工作點(diǎn)在控制線左右震蕩。

2 防喘閥波動(dòng)問(wèn)題解決方法

通過(guò)在線不斷對(duì)防喘控制系統(tǒng)的比例P、積分I 和微分D 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整測(cè)試，發(fā)現(xiàn)PID 參數(shù)對(duì)緩解閥門(mén)波動(dòng)影響效果非常小。由于防喘閥在關(guān)閥時(shí)，延時(shí)停閥導(dǎo)致關(guān)閥時(shí)超調(diào)，流量下降越過(guò)控制線，從而防喘閥快速打開(kāi)。因此，通過(guò)延長(zhǎng)自動(dòng)關(guān)喘閥的時(shí)間，可以讓PID 能更加精確地檢測(cè)到流量的變化，從而可減少關(guān)閥過(guò)程的超調(diào)現(xiàn)象。通過(guò)修改PID 自動(dòng)關(guān)閥的速度（原控制程序中工作點(diǎn)向右移動(dòng)越過(guò)控制線時(shí)，自動(dòng)關(guān)閥的速率為0.3%/s），減小關(guān)閥速率，則防喘閥波動(dòng)的周期會(huì)相應(yīng)地增長(zhǎng)。通過(guò)多次測(cè)試，最終形成設(shè)定自動(dòng)關(guān)閥速率為階梯型值，不同流量偏差下使用不同的關(guān)閥速率，在流量偏差大于-0.25 時(shí)（靠近控制線右側(cè)）使防喘閥關(guān)閥速率設(shè)定為0（即設(shè)置死區(qū)），不讓防喘閥繼續(xù)關(guān)閥，則在防喘閥因流量波動(dòng)而自動(dòng)打開(kāi)后，經(jīng)過(guò)緩慢地調(diào)節(jié)最終能穩(wěn)定在緊臨控制線右側(cè)，使防喘閥實(shí)現(xiàn)快開(kāi)慢關(guān)。優(yōu)化PID 自動(dòng)關(guān)閥速率后，在不同的偏差時(shí)，關(guān)閥速率值見(jiàn)表1。優(yōu)化前和優(yōu)化后的關(guān)閥速率設(shè)定程序如圖3、圖4 所示。

表1 優(yōu)化后階梯型關(guān)閥速率設(shè)定值Table 1 Optimized stepped valve closing rate setting

圖3 優(yōu)化前關(guān)閥速率設(shè)定程序Fig.3 Optimizing the front closing valve rate setting procedure

圖5 優(yōu)化前后2#機(jī)組相關(guān)參數(shù)趨勢(shì)Fig.5 Trends of related parameters of 2# unit before and after optimization

3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)該站2#機(jī)組優(yōu)化防喘控制程序后經(jīng)過(guò)連續(xù)10h運(yùn)行測(cè)試，機(jī)組防喘閥運(yùn)行穩(wěn)定，期間因工況變化出現(xiàn)過(guò)兩次小幅度波動(dòng)，但防喘閥能迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)2#機(jī)組進(jìn)行降速至怠速，降速過(guò)程中防喘閥能正常打開(kāi)。2#機(jī)組優(yōu)化前后防喘閥輸出命令、反饋信號(hào)、壓縮機(jī)進(jìn)口流量、出口壓力等參數(shù)的波動(dòng)趨勢(shì)如圖5 所示。

對(duì)1#機(jī)組防喘控制程序進(jìn)行相同的優(yōu)化，并進(jìn)行啟機(jī)測(cè)試。啟機(jī)后進(jìn)行加載提速到3120 轉(zhuǎn)后，防喘閥投入自動(dòng)控制后防喘閥逐漸關(guān)閥，經(jīng)過(guò)7 次提速，轉(zhuǎn)速由3120 轉(zhuǎn)提升至4000 轉(zhuǎn)，期間防喘閥運(yùn)行平穩(wěn)，且在4000 轉(zhuǎn)時(shí)防喘閥全關(guān)，此時(shí)工作點(diǎn)離喘振線偏差約為33%。對(duì)1#機(jī)組投入遠(yuǎn)程負(fù)荷分配控制，轉(zhuǎn)速下降至3879 轉(zhuǎn)，出站壓力保持平穩(wěn)，防喘閥運(yùn)行平穩(wěn)。遠(yuǎn)程提高出站壓力設(shè)定值，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速上升至4000 轉(zhuǎn)，期間防喘閥運(yùn)行平穩(wěn)。遠(yuǎn)程降低出站壓力設(shè)定值，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降，下降過(guò)程中防喘閥運(yùn)行平穩(wěn)。通過(guò)對(duì)1#機(jī)組進(jìn)行啟機(jī)、加載、升速、手動(dòng)調(diào)速、遠(yuǎn)程調(diào)整負(fù)荷等壓縮機(jī)各種工作模式下的測(cè)試，優(yōu)化后的防喘控制程序能保證防喘閥在低流量工況下的運(yùn)行平穩(wěn)。

圖4 優(yōu)化后關(guān)閥速率階梯設(shè)定程序Fig.4 Optimized valve closing speed step setting procedure

4 總結(jié)

經(jīng)對(duì)該壓氣站2 臺(tái)壓縮機(jī)組防喘控制程序優(yōu)化后，機(jī)組運(yùn)行在小流量工況時(shí)，在啟機(jī)過(guò)程、停機(jī)過(guò)程、轉(zhuǎn)速手動(dòng)控制、轉(zhuǎn)速調(diào)整過(guò)程、遠(yuǎn)程負(fù)荷控制等各種控制模式和變工況運(yùn)行下防喘閥均能穩(wěn)定工作，在喘振控制線左右頻繁開(kāi)關(guān)波動(dòng)現(xiàn)象不在出現(xiàn)，并通過(guò)一定時(shí)間的調(diào)整后能將壓縮機(jī)工作點(diǎn)穩(wěn)定在防喘控制線右側(cè)0.1%～0.3%左右內(nèi)的安全區(qū)域，確保壓縮機(jī)組安全性的前提下使壓縮機(jī)運(yùn)行效率實(shí)現(xiàn)最大。