離心式壓縮機控制器性能研究與優(yōu)化

劉 杰 李 文

（國家能源集團寧夏煤業(yè)公司烯烴一分公司）

離心式壓縮機在石油化工、煤化工等工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，是重要的化工氣體壓縮運輸設備［1］，如裂解氣壓縮機、乙烯壓縮機、丙烯壓縮機、合成氣壓縮機及二氧化碳壓縮機等，都是離心式壓縮機。 如果因壓縮機喘振、超速等原因引發(fā)聯(lián)鎖停機， 會導致物料回流循環(huán)增加能耗或放火炬，造成重大經(jīng)濟損失和環(huán)境污染危害，因此，防止壓縮機喘振對于保護壓縮機高效運轉(zhuǎn)和安全穩(wěn)定運行意義重大。 筆者就國家能源集團寧夏煤業(yè)公司某裝置二氧化碳壓縮機控制性能缺陷展開分析與優(yōu)化。

1 壓縮機結(jié)構(gòu)組成和工況參數(shù)

二氧化碳壓縮機為離心式壓縮機， 是由轉(zhuǎn)子、 靜子及軸承等組成的輸送氣體的機械設備。轉(zhuǎn)子由主軸、葉輪、聯(lián)軸器、軸套及平衡盤等組成。 靜子由機殼、級間密封、軸端密封、擴壓氣及渦室等組成。 壓縮機通過高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機經(jīng)齒輪箱傳動高速運轉(zhuǎn)做功，提升二氧化碳氣體壓力，滿足下游工況需要。

國家能源集團寧夏煤業(yè)公司某裝置二氧化碳壓縮機的基本信息和工況運行數(shù)據(jù)如下：

壓縮機型號 STC-GV SST-600

機組位號 CT-40002

功率 16 814 kW

防喘振閥開度 17%～26%

入口流量 55 000～85 000 Nm3/h

入口壓力 125 kPa

出口壓力 5.8 MPa

轉(zhuǎn)速范圍 （7200±60） r/min

蒸汽流量 67.5 t/h

2 壓縮機喘振現(xiàn)象及其原因分析

2.1 壓縮機喘振現(xiàn)象

喘振對壓縮機的運行危害非常大，是損壞壓縮機的關鍵因素之一。 在正常工作范圍內(nèi)，壓縮機流量隨壓力的變化是穩(wěn)定的，即一定的壓力對應一定的流量。 但是當流量減到一定程度時，就會出現(xiàn)不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為喘振或飛動。 發(fā)生喘振時有以下幾種現(xiàn)象：

a. 壓縮機出現(xiàn)劇烈振動，嚴重時甚至引起整個安裝框架甚至周邊框架和廠房振動；

b. 壓縮機壓力突然下降或上升，且升降幅度大，很不穩(wěn)定；

c. 壓縮機后的高壓氣體倒流到工作輪里，過后又被壓出，氣流出現(xiàn)脈動，同時產(chǎn)生強烈噪聲，氣體正常流動規(guī)律被破壞；

d. 吸入流量劇烈波動，有時回到零位。

2.2 壓縮機喘振原因分析

引起離心式壓縮機喘振的常見因素有：

a. 壓縮機入口流量小于額定流量，造成壓縮機出口壓力突然大幅下降，管網(wǎng)中的氣體倒流到壓縮機，壓縮機發(fā)生喘振；

b. 被壓縮氣體壓力、溫度及成分等介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化，這些因素影響氣體流量，可能造成壓縮機發(fā)生喘振；

c. 出口管網(wǎng)壓力大于壓縮機某轉(zhuǎn)速下的最高壓力時會造成壓縮機發(fā)生喘振。

筆者調(diào)取了影響裝置二氧化碳壓縮機穩(wěn)定運行的相關參數(shù)，對比分析發(fā)現(xiàn)壓縮機正常運行時的出口流量、出口壓力、防喘振閥開度和轉(zhuǎn)速4個參數(shù)存在波動現(xiàn)象，趨勢如圖1 所示。

圖1 壓縮機正常運行時4 個參數(shù)的波動趨勢

由圖1 可以看出，壓縮機出口流量最高為81 144 Nm3/h，最低為52 915 Nm3/h，平均值68 068 Nm3/h；出口壓力波動范圍在5.64～5.98 MPa；防喘振閥開度最大22%， 最小10%， 平均閥位16%；轉(zhuǎn)速波動范圍在7 159～7 259 r/min。

分析圖1 趨勢可知存在以下問題：

a.CO2用量不穩(wěn)定，瞬間波幅達20 000 Nm3/h，極易造成壓縮機出口壓力迅速上漲。 相應地，導葉在自動控制狀態(tài)下自然會逐漸關小。 當出口壓力波動大于設定的0.1 MPa 時， 自動切到手動控制， 若此時監(jiān)控人員沒有及時手動開大防喘振閥，極可能造成機組壓縮比大、入口流量低而發(fā)生喘振，甚至造成機組轉(zhuǎn)速波動過大，觸發(fā)聯(lián)鎖而引起跳車。

b. 壓縮機出口壓力波動較為頻繁，若入口導葉投自動狀態(tài)，出口壓力一般設定在5.8 MPa，超過設定值的±0.1 MPa 時入口導葉會切到手動狀態(tài)，造成崗位人員頻繁將導葉由手動切回自動狀態(tài)，極易發(fā)生誤操作。 圖2 顯示，3 月3 日10:02～10:58 出口壓力波動至5.9 MPa 共5 次，若入口導葉投自動且出口壓力設定5.8 MPa 時， 極易造成導葉頻繁由自動控制狀態(tài)切換為手動控制狀態(tài)的情況發(fā)生。

圖2 出口壓力波動趨勢

c. 當入口導葉在自動控制狀態(tài)時，如果CO2用量突然增大，壓縮機出口壓力降低，而導葉在自控狀態(tài)下自動開大，若此時機組轉(zhuǎn)速調(diào)整波動范圍過大，極易導致機組轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖觸發(fā)跳車。

3 壓縮機控制方案優(yōu)化與應用

3.1 壓縮機控制方案設計

針對壓縮機出口流量、出口壓力、防喘振閥位和轉(zhuǎn)速頻繁波動問題，筆者從4 個方面采取措施：

a. 保持原恒定轉(zhuǎn)速控制方案，且目標轉(zhuǎn)速仍恒定在7 200 r/min。 原機組聯(lián)鎖條件維持不變，對防喘振控制器進行擾動濾波。

b. 增加解耦控制算法功能塊，實現(xiàn)出口壓力與防喘振閥及入口導葉的解耦控制，把出口壓力作為控制目標，由防喘振閥和入口導葉實現(xiàn)協(xié)同控制。

c. 出口壓力給定范圍5.7～5.9 MPa。 采用出口壓力與防喘振閥及入口導葉的解耦控制，防喘振閥參與出口壓力的控制，解決單純靠入口導葉調(diào)節(jié)造成出口壓力反應慢的問題。

d. 優(yōu)化控制程序，實現(xiàn)防喘振閥在不同工況下半自動/自動控制。

3.2 壓縮機控制方案實施

3.2.1 防喘振控制器擾動濾波功能

正常工況下，壓縮機出口供氣流量在1 000～3 000 Nm3/h 波動，對圖3 所示的工作點的入口流量Qv影響較大，如果機組在自動/半自動狀態(tài)下，圖3 中的工作點（綠色）和控制點（黃色）恰在控制線附近運行時，這種頻繁波動很容易造成防喘振閥打開，所以應該消除這種波動干擾。

圖3 喘振點運動軌跡

筆者設計了如圖4 所示的防喘振控制器擾動濾波功能塊，針對一個掃描周期內(nèi)變化幅值進行數(shù)據(jù)處理，消除由于數(shù)據(jù)失真帶來的影響。

圖4 喘振控制器擾動濾波功能塊

防喘振控制器濾波前、 后的趨勢如圖5 所示，可以看出，濾波后趨勢較之前平滑許多。

圖5 喘振控制器濾波前、后趨勢對比

3.2.2 開發(fā)解耦控制算法功能塊

筆者聯(lián)合廠家技術人員開發(fā)了針對出口壓力與防喘振閥及入口導葉的解耦控制算法功能塊（單獨設計，受知識產(chǎn)權(quán)保護），實現(xiàn)導葉、防喘振閥獨立控制。 被調(diào)參數(shù)出口壓力可由導葉自動控制，根據(jù)運行工況手動/自動開關防喘振閥達到協(xié)調(diào)控制壓縮機出口壓力和入口流量的目的，既能維持出口壓力穩(wěn)定，又能保證機組安全，還可提升機組節(jié)能效果。 表1 為解耦控制功能塊輸入輸出引腳功能說明。

表1 解耦控制功能塊輸入輸出引腳功能說明

3.2.3 優(yōu)化導葉出口壓力控制器

在原控制器基礎上進行程序改進優(yōu)化，修改了“超限就退出自動控制”的不合理設計，根據(jù)固定極限流量法工作原理，控制器設定值在手動狀態(tài)下跟蹤測量值。 原程序設定值固定為5.8 MPa不可修改，修改后取消了限制，且操作員可在操作界面上修改設定值，為防止誤操作，修改值被限定在5.7～5.9 MPa（圖6）。 另外，出口壓力在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)控制器不可調(diào)節(jié)，防止了控制器的頻繁動作。

圖6 導葉出口壓力控制器算法

3.2.4 優(yōu)化原程序

在原程序中增加了模式選擇功能，實現(xiàn)防喘振閥在不同工況下4 種模式的無擾動切換。

模式0。 手動控制。

模式1。入口導葉自動控制出口壓力，按需求手動開關防喘振閥。

模式2。 防喘振閥自動控制出口壓力和入口流量，按需求手動開關導葉。

模式3。解耦控制，導葉和防喘振閥全自動控制（防喘振閥也可以半自動）。

4 應用效果

如圖7 所示，通過對以上4 部分控制程序的改進和優(yōu)化， 蒸汽量由優(yōu)化前的平均67～68 t/h降低為64.2～65.8 t/h，節(jié)能效果明顯，按照節(jié)能量2.2 t/h 蒸汽計算， 一年可得直接效益2.2×24×365×60=115.632 萬元。

圖7 性能控制優(yōu)化后壓縮機蒸汽流量趨勢

壓縮機出口壓力，優(yōu)化前為5.693～5.925 MPa（圖8），優(yōu)化后為5.736～5.858 MPa（圖9）。

圖8 控制優(yōu)化前出口壓力趨勢

圖9 控制優(yōu)化后出口壓力趨勢

速度控制，設定值7 200 r/min，優(yōu)化后的運行值7 184～7 221 r/min（圖10），防喘振已實現(xiàn)壓線控制（圖11），并投入全自動控制，操作崗位實現(xiàn)了無人值守。

圖10 控制優(yōu)化后壓縮機轉(zhuǎn)速趨勢

圖11 控制優(yōu)化后壓縮機全自動控制

綜合關鍵參數(shù)指標可知，筆者設計的優(yōu)化措施效果明顯，達到了預期目標。

5 結(jié)束語

通過對離心式壓縮機控制器性能的分析和研究，針對引起壓縮機喘振的流量、壓力、轉(zhuǎn)速等關鍵參數(shù)進行分析，提出喘振控制器和導葉出口壓力解耦控制優(yōu)化方案， 并改進程序控制策略，性能控制投用后， 實現(xiàn)了機組負荷自動調(diào)整，以及入口導葉和防喘振閥之間的高效調(diào)節(jié)，避免了機組轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生的額外能耗，保障了機組高效運行，避免了物料回流循環(huán)放火炬導致的環(huán)境污染，同時實現(xiàn)了崗位無人值守，減少了誤操作，降低了人員的勞動強度， 經(jīng)濟效益和社會效益顯著。