防喘振控制系统（共8篇）
防喘振控制系统 篇1
0 引言
风机防喘系统属于精密关键单元。原仪表设计的进气孔比较狭窄,对氮气气源的质量要求较高,一旦出现氮气气源含量过低、湿度太大、杂质过高的情况,就会堵住进气孔,导致防喘阀压力低,压力小于0.30MPa时阀门立即打开,使用风开始放散,热风炉用风流量急剧变化,严重的导致高炉风口倒渣。
定位器气孔的清理一般是在检修时进行,正常生产运行状况下,特别是鼓风机在自动控制状态下绝对不能拆卸。停机状态下清理过程:切断防喘阀定位器氮气气源,关闭防喘阀定位器电源,分别拆其保护盖、转换模板,拆下过滤滤网,即可开始常规性清理工作。
1 气源管路异常处理方法
操作人员对防喘阀进行操作,当出现防喘阀不工作等异常现象,首先应检查阀门定位器,检查测试是否有控制信号发出及接收、阀体供电是否正常,测试发送控制信号,查看定位器压力表上指针变化情况;然后,顺着气源流动方向对管接头进行检查,确认气源是否能流通至此。气源管路图如图1所示。
防喘阀气源管路复杂,平时要经常留心部分气源管路管道是否正常,要及时更换气源管路管道,在更换过程中应避免人为损坏控制器及其附属设备;有计划地对控制气源管路气路的各个接头进行巡检,一旦发现松弛应马上进行紧固,防止接口松动、脱落引起阀门故障;利用停机检修,及时对气源滤网进行清理,防止灰尘堵塞滤网,避免定位器气源压力低导致的定位器故障。
除了本气气源管路故障,别的设备气源管路出现问题也会导致防喘阀出现气源压力过低引发的故障。例如,逆止阀气源管路管道漏气,会造成防喘阀气源压力小于0.30MPa,防喘阀在生产过程中就会立即打开,导致TRT停机。处理方法:对设备气源管路周期检查与更换,减少气源管路老化引起的管道开裂等现象,避免内部腐蚀出现铁锈引起氮气气源质量和滤网堵塞的现象;为了便于故障分析,可以在防喘阀缸体前增加压力表,通过DCS监控,进行历史记录,一旦发生故障可方便查询。
实际生产中,控制阀会出现在静止状况下围绕系统设定值上下波动的现象,应检查控制气源气路旁路阀及旁路节流装置,并对定位器进行校正。例如:给与控制阀30%指令,控制阀实际行程先大于30%信号所应该的行程,接着又逐渐降至30%开度所要求的工控点。这时应通过快排阀调节旁通阀(泄压来减弱波动)和流体放大器、旁通节流器。但快排阀、旁路调节阀不可以开度过大,否则会影响控制阀的响应速度。
2 自动化仪控设备故障处理方法
防喘阀自动化仪表控制故障经常发生在电路或控制阀阀体执行器、变送传感器。
常规检查过程:首先断开防喘调节阀仪表电源,打开保护盖,手动状态下输入阀门开度为50%的指令;然后给调节阀仪表供电,使用万用表读出电路板TP3(+)与TP4(-)间的电压值,标准参考值为1.25±0.05VDC,如果测量值不在其范围内,应当对电位计进行调整。电位计调整方法:断开变送器和控制阀间软连接,通过来回旋转变送器轴使电位器接线端子上红色、桔黄色线之间的电阻达到5kΩ;调整控制阀到变送器输出4mA为止,调整零点电位计R1输出为4mA;调整控制阀到变送器输出为20mA的行程点,调整电位计R16量程,输出为20mA。
3 防喘阀定位器的校正
防喘阀定位器校验之前,必须要对防喘阀定位器型号进行确认,区分是单气路还是双气路,校验过程一定要遵守仪表操作规范。
使用375现场通信器来校验定位器可避免气路阀门操作可能出现的信号回荡现象。首先把现场通信器375与HART回路联结,运行通信器气路总阀门开到位,然后根据实际需要设置相应参数进行校正。
防喘振控制系统 篇2
关键词:组分变化影响控制对策
中图分类号:TH45文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0074-02
1 组分(或平均分子量)变化对喘振极限的影响
随着海洋石油、天然气开采进度或井位调整,天然气的组分会经常发生变化,这将引起平均分子量的改变,而且不可能人工长期跟踪调节,需要分析出膨胀压缩机发生喘振的原因,找出规律,实现自动调节。因此,分析它对喘振极限的影响是很重要的。
从目前运行温度记录看,我厂的天然气温度随季节变化不太大,可采用温度补偿的办法解决,因此可视温度为恒定,从而从理论上进行推导:
对于防振基本算法:△P=CH(1)
因为能量头公式为:Hp=1545ZaTs(Rcσ-1)/Mwσ(2)
式中:Za—平均压缩系数(Zs+Zd)/2
Ts—进口温度(绝对温度)
—平均分子量
Rc—压比(Pd/Ps)
σ—多变指数(k+1)/k
ΔP—压缩机出进气差压(Pd-Ps)
C—常数
H—压缩机进口节流装置差压
Pd—压缩机出口压力
Ps—压缩机进口压力
对于式(2),当Hp、Ts、Za为某一给定值时等式化简为
Rc=(1+ Mwσ)1/σ(3)
从等式中可以看出:分子量Mw和压差ΔP之间也有一个非线性关系,由于分子量的改变将引起比热比的改变,所以,σ也将改变,这样问题更复杂了。由于分子量和比热比k之间在许多情况下没有固定关系,因此Rc和ΔP的每一个值都必须单独计算,以确定变化的方向和大小。
下面,再来看一下分子量Mw变化对H值的影响:因为当分子量变化时,
Q=C(HTs/PsMw)1/2(4)
所以 H=C(PsMw/Ts) (5)
那么对于给定的Q,Ps,Ts
H=CMw(6)
将式(3)和式(6)比较,显然,对于平均分子量的改变系统不能准确地自动补偿,对于轻烃,由于分子量Mw和比热比有一个比较准确的关系,因此,分子量Mw的改变使ΔP和H的改变在方向上相同,但在数值上不同,所以,如果分子量变化时,应调整控制曲线才能避免喘振。
2 克服膨胀压缩机进气气体组分变化对喘振极限影响的对策
从以上讨论可以看出,进气分子量改变,将引起喘振极限的改变,从而可能导致喘振的发生。而对分子量改变,则对每一种情况,要分别计算喘振曲线的斜率,而头绪太多时只好采用手动方法去调节振极限的斜率。采用以上方法,无疑加很大操作风险和成本,如要引进温度信号增加仪表,或要增加回流量造成很大损失,或修改参数,可能造成系统不稳,方法并不科学。
经过对防喘振基本公式的推导,可以得到:
因为Q=CN(7)
Hp=CN2(8)
所以Hp=CQ2 (9)
在此,N为压缩机转速,r/min
又因为Q2=HZsTs/MwPs (10)
然后,引入S0—进口状态气体的声速:
S02=1545kZsTsG/Mw (11)
那么,将式(9)两边同除S0,得到
Hp/S02=CQ2/ S02
代入以上各式,约简后得
(Rc(k-1)/k-1)/【(k-1)/η】=H/Psk1545
(12)
因为比热比相对Rc的影响是次要的,在大部分场合其影响可以忽略不计,可认为是常数,所以,公式可以改写成
-1=CH/Ps (13)
即H/Ps=C(Pd-Ps)/Ps(14)
式(14)就是目前最为流行的防喘振算式,由推导过程看到:由于用了因子S0,所以,进口温度Ts和分子量都被约掉,在(Pd-Ps)/Ps,H/Ps坐标系内,Ts、Mw对曲线的影响几乎没有了,从而,达到克服进口温度和分子量变化影响喘振极限值的改变而引起喘振的现象。防喘振控制方程式(14),这就是克服进气分子量变化的防振依据图1。
经过多方考察、论证,加拿大PROPAK公司和中石化中原油田设计院优化设计优化,可以在原建设基础上增加在线色谱仪、温度变送器、质量流量计(计算机利用原外输单元的),联网组成IMP分布式性能监测系统,便于随时自动监测膨胀压缩机进气天然气温度和组分变化,完善差压—流量可变极限量防喘振控制模式,使喘振极限流量随着转速变化而变化,并留有适当的安全裕度(比喘振流量大5%～10%),实现膨胀压缩机全自动采集数据、快速判定、自动调节,有效防止膨胀压缩机机组的“喘振”发生,也可以避免人为频繁“过速”调节带来的不稳定运行。当然,对于控制器的控制执行时间对压缩机的喘振也有牵连:如控制功能是否完善、执行机构的动作时间以及执行质量等,一般可采用0.25级、過载能力150%、响应时间短的传感器,消除设备“硬伤”。
我们理论推导出防喘振控制算法,可有效克服温度和组分变化对防喘振控制的影响,这仅仅是进行防喘振控制的关键一步。我们应当结合生产实践,掌握喘振的主要影响因素,采取有效的防喘振控制措施,提高膨胀压缩机抗喘振性能和运行可靠性,尽可能消除喘振带来的巨大危害,实现装置安全、平稳、连续生产,创造良好经济效益。
参考文献
[1]钱锡俊,陈弘.泵和压缩机.石油大学出版社.
[2]陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制手册(第三版).
防喘振控制系统 篇3
1.1 喘振机理
如果压缩机在输送气体介质的过程中，其流量不断减小，当压缩机流量小到一定值时，则气体在整个扩压器流道中产生分离涡流;流量进一步减小，气体在扩压器流道内的分离涡流区进一步扩大，并形成严重的旋转脱离现象。气体流动状态严重恶化，压缩机出口压力大幅度下降，使管网的压力比压缩机出口压力高，迫使气流倒回压缩机，一直到管网压力下降到低于压缩机出口压力时，压缩机又开始向管网供气，压缩机又恢复正常工作。如此周而复始，使压缩机的流量和出口压力周期性的大幅波动，引起压缩机强烈的气流波动，这种现象就叫压缩机的喘振。从以上分析可以看出喘振的产生包含两方面因素：内在因素是离心式压缩机中的气流在一定条件下出现“旋转脱离”;外界条件是压缩机管网系统的特性。当外界条件适合内在因素时，便发生喘振。
1.2 防止喘振的条件
离心式压缩机的喘振工况是在进口流量减少到一定程度是产生的，该流量统称为压缩机的喘振流量，也是维持压缩机运行的最小流量，以Qmin表示之，为确保压缩机平稳运行，则进口实际流量Q必须大于最小流量Qmin，即Q>Qmin。
2 胜利油田石化总厂重催富气压缩机防喘振系统研究
胜利油田石化总厂80万吨/年催化裂化装置富气压缩机，是引进美国德莱塞兰(DRESSER-RAND)公司产品3M8-9型单缸两段9级离心式压缩机，背压式蒸汽透平驱动。额定入口压力160k Pa，出口压力1 600 k Pa，蒸汽压力3.5 MPa。背压1.0 MPa，额定功率2 474k W，流量22 831 Nm 3/h。
2.1 重催富气压缩机防喘振控制系统的特点
1)具有独立的两段防喘振控制系统：该系统根据压缩机一段和二段的防喘振线所确定的气压机入口流量及进、出口压力自动控制两个防喘振调节阀，当气压机达到防喘振控制点时，调节阀会迅速打开，防止喘振的发生;当气压机正常工作时，调节阀关闭。一段防喘振流量返回至机入口空冷前，二段防喘振流量返回至级间冷却器前，其控制流程如图3在压缩机的控制核心可编程逻辑控制器(PLC)中，分别设有一段防喘振调节器和二段防喘振调节器，分别接收一段入口流量、入口压力、出口压力和其中一段入口流量由文丘里管测量流量差压，二段入口流量由取压喷嘴测量流量差压，压缩机的一段入口压力和出口压力、二段入口压力和出口压力分别由压力变送器测量变送。
2)具有独特的喘振性能曲线：重催富气压缩机防喘振性能曲线如图2所示。对离心式压缩机而言，在一特定比率下的喘振流量为一常数Qv(参考)，即在不同吸入气体条件下，性能曲线图上的喘振线将保持不变。重整富气压缩机两段的防喘振性能曲线图中，在同一压缩比Pd/Ps下，以设定点的Q(参考)作为防喘振阀PI调节器的给定位S，以实际工作点的流量Q作为PI调节器的测量值P, S和P进行比较，计算偏差e=P-S，输出作用于防喘振控制阀，正常工作时，e≥0，调节器输出为100，控制阀全关;当e<0时(即工作点超过防喘振控制线左侧)，调节器输出从100～0变化，打开控制阀，增大入口流量，防止喘振发生。
a:喘振线b:控制线:设定点:工作点
2.1.3采用先进的可编程逻辑控制器(PLC)实现防喘振控制
重催富气压缩机的防喘振控制系统采用先进的32位80486可编程逻辑控制器(PLC)实现全过程控制。由PLC完成数据采集和基本PI运算调节、后备线及控制点移动逻辑、阀前进开启逻辑、自动/手动控制操作、斜率逻辑等功能，全面实现防喘振控制作用。
2.2 存在的问题及改进措施
1)人口流量测量系统准确度不高：由于该压缩机入口流量测量系统准确度不高，影响了防喘振控制系统的灵敏度和动作可靠性压缩机的二段入口流量测量经常失真，引压管中容易带有凝液.测量值不是偏小就是偏大。偏小时，使二段防喘振控制阀误动作全开数次，打乱了机组的平稳运行;偏大时二段防喘振控制阀动作迟缓，该打开时打不开，造成了机组的喘振。对此，主要从两个方面采取措施：一方面重新布置引压管的位置，同时加强排凝、校表;另一方面给引压管加蒸汽伴热线，并用加保温的方法防止引压管中带有凝液，达到最终消除凝液对流量差压测量值的影响。2)防喘振阀动作设置不合理：压缩机防喘振控制阀快开慢关对工艺系统冲击大。由于D—R公司。对一、二段防喘振控制阀设置了快开慢关功能，开启时，循环量上升很猛，对前部工艺系统(反再、分馏)造成很大冲击。针对这一情况，一方面采取对控制阀的上游阀节流的措施;另一方面增加了一段和二段防喘振阀的手操调节器，即在危急时，可以手动关小或关闭循环阀，增加了处理危急情况的手段。
2.3 实际操作中的几项防喘振措施
1)生产波动、富气量不足时，一段和二段防喘振控制阀改手动开大，固定适当的一段和二段防喘振循环量。保证一段入口流量(标准状态)大于18000m/h，二段入口流量(标准状态)大于14000m/h。2)富气压缩机出口憋压时，开出口放火炬阀泄压，消除喘振。3)中压蒸汽迅速掉压(表)至2.45MPa、机组转速下降至5600r/min时，开出口放火炬泄压，消除喘振。同时，手动全关一段和二段防喘振控制阀，减小循不量，防止反应沉降器憋压。4)机组防喘振控制系统失灵，一段、二段防喘振控制阀故障打不开，以及其它工艺系统波动原因导致机组发生喘振时，开出口放火炬阀泄压，消除喘振。
参考文献
[1]王书敏, 何可禹.离心式压缩机技术问答[M].中国石化出版社, 2007.
防喘振控制系统 篇4
离心压缩机以其运行效率高、易损件少、运转平稳、 经济效益好等优点, 在石油化工行业中得到广泛应用, 并且已经成为工艺设备的核心[1]。因此, 一旦压缩机损坏, 将造成巨大损失甚至人员伤亡。
喘振是压缩机本身固有的特性, 是造成压缩机损坏的重要原因之一, 因此, 怎样避免喘振的发生, 得到喘振的最优控制方案, 一直是各控制系统厂家 (Man Turbo的Turbolog DSP系统、Nuovo Pig none公司的UNICOS系统、TRICONEX的ITCC控制系统等[2]) 研究的热点问题, 很多不同的防喘振控制方案也不断涌出[3,4,5]。
本文以某厂70万吨/年烯烃项目为例, 根据其工艺流程, 论述了TRICON控制系统防喘振控制的原理, 实际运行结果表明了该控制方案的有效性。
1压缩机工艺流程及控制系统介绍
1.1压缩机工艺流程
本项目使用汽轮机驱动离心压缩机, 丙烯为介质, 通过压缩、用水冷凝、节流降压蒸发, 达到制冷效果, 提供冷量给低温甲醇系统中的各冷器补偿系统冷量损失[6], 其压缩机部分的工艺流程如图1所示 (埃利奥特组厂家提供) 。
1.2 TRICON控制系统设计
该控制系统的硬件由TRICONEX公司提供的具有三重冗余结构的控制器和工控机组成, 其中, 控制器的输入模件到MP到输出模件完全的三重化, 因此, 其具有超强的诊断、在线维修, 无单点故障等优点, 其结构如图2所示。
控制系统的软件由上位软件TRIEW和下位软件1131组成, 开发系统是其应用程序的集成开发环境。 其中上位软件TRIEW通过OPC与控制器和下位软件进行通信。
TRIEW软件由开发系统和运行两系统部分组成。开发系统和运行系统是各自独立的32位应用程序, 均可单独使用;两个系统又相互依存, 在开发系统中开发的应用程序必须在运行环境中才能运行。开发者在这个环境中完成图形界面的设计、数据库定义、动画链接等。开发系统具有先进完善的图形生成功能;数据库中有多种数据类型, 能合理地抽象控制对象的特性, 对数据的报警、趋势曲线、历史数据记录、安全管理等重要功能有简单的操作办法。利用图形控件功能可以大大减少界面的设计时间, 加快软件的开发进度。1131软件获得TÜV认证的系统支持软件, 其支持函数方块图 (FBD) 、梯形图 (LD) 、结构文本 (ST) 、因果矩阵 (CEM) 语言。具有离线组态编程、离线仿真与监控、在线程序监控、支持在线程序修改等优点。
2 TRICON控制系统的防喘振控制
这套丙烯压缩机控制系统利用TRICON控制系统具有特定功能的独立模块间的相互配合, 确保了防喘阀及时打开, 从而避免喘振的发生由机组厂家提供的PID流程 (见图1) 可知, 该压缩机由3段组成。本文以压缩机一段喘振控制为例, 阐述TRICON控制系统的防喘振控制算法, 其主要根据PID流程及压力、温度、流量传感器测量值和TRICON的功能块实现了防喘振控制。
2.1喘振控制线及操作点的计算
压缩机制造商的喘振曲线转换为以压比和吸入端压力为纵横坐标的图表。这些数值输入到Triconex标准喘振控制算法里, 可确定喘振点。喘振线上增加可调节安全裕度, 产生流量设定点。流量与压力变量可得出操作点, 用来与喘振线做比较TRICON控制系统的通用喘振曲线选取HrPs百分比为横坐标, 选取PdPs为纵坐标, 其利用通用喘振曲线计算控制线和操作点的具体步骤如下:
(1) 首先根据埃利奥特机组厂家提供的孔板流量计规格书、现场温度、压力测量值和TRICON的M_FLOW、 HC_0401功能块计算出补偿后的质量流量百分比, 即操作点。
(2) 根据机组厂家提供的压缩机性能曲线及压力表, 计算出实际的压比和6个喘振点, 将其作为SRGLN01_02功能块的输入从而计算出喘振线和实际压比对应喘振点。
(3) 利用实际操作点、功能块SAFE_MAR功能块和功能块RECAL01_02计算出安全裕度MARGN, 其中RECAL01_02具有校正裕度功能, 每发生一次喘振, 裕度增加2%。
利用步骤 (3) 计算的操作点, 安全裕度和喘振线, 根据以下公式便可计算出实际控制线:
控制线=喘振线+安全裕度
本项目根据压缩机厂家提供的规格书, 对一段喘振参数计算结果如下:
MFLOW_max1 (orifice) = 212 648.8 kg/h;P_fob =117 kg; T_fob=-40.8 ℃
MFLOW_max2 (compress) = 184 712.0 kg/h;P_sb=118 kg ;T_sb=-40.8 ℃
其中变量MFLOW_max 1, P_fob, T_fob M为功能块M_FLOW入口参数;MFLOW_max2, P_sb, T_sb为功能块HC_0401入口参数。
利用上述参数计算的喘振线如图3所示。
2.2防喘振控制器的输出计算
为了更安全、准确地控制防喘振阀, TRICON控制系统利用其特有的独立功能块和3种不同的操作模式对防喘振阀进行控制, 其控制原理如图4所示。
(1) 喘振PID和手动控制
TRICON控制器采用常规的PID算法, 以SP_HOV-ER的输出盘旋点作为喘振PID的设定值, 利用计算出的安全裕度MARGN和优化的PID参数, 实现喘振控制。
喘振PID控制中, 喘振参数的选取尤为重要, TRI-CON控制器利用功能块ADPTV_T对其PID参数进行了优化, 通过实际校验, 本项目ADPTV_T功能块的输入参数选取为NOR_GN=0.1;GN_BK1=0.0;GN_RS1=0.1; GN_BK2=6.0;GN_RS1=0.0。TRICON喘振控制器利用MDRAMP功能块实现喘振的手动控制, 其功能具有快升、快降、慢升及慢降功能, 本项目取快升和快/降按钮为量程的2%, 即每按一次升降按钮, 手动输出增加/减少量程的2%。而慢升和慢降按钮为量程的1%, 即每按一次升降速按钮, 手动输出增加/减少量程的1%, 其操作如图5所示。
(2) 喘振超驰控制
常规PID经常因为较大的过程参数而在喘振将要发生时动作过慢, 为了确保防喘阀及时打开。作为常规PID喘振控制算法的补充, TRICON操作控制器还有喘振超驰功能, 利用功能块SRG_OVD, 对防喘阀实施及时有效的控制。此功能块将会按操作点移动至作用区内的比例来打开防喘阀 (见图6) 。从喘振线到喘振控制线70%处为超驰功能作用区间。当操作点位于此区间左侧, 即喘振线上或向左越过喘振线时, 超驰作用输出为它的最大值, 即防喘阀100%全开。当操作点位于作用区间最右侧时, 超驰作用输出为最小, 即0%, 防喘阀关闭。当操作点位于作用区之间时, 超驰作用按操作点的位置按比例输出控制值。喘振控制器在喘振超驰和喘振PID间进行高选。所以只有在喘振PID动作过慢的时候喘振超驰才会起作用, 此时, 喘振PID的输出结果追踪喘振超驰的输出。
TRICON控制系统利用功能块PID_SRG, PID_SRG, MDRAMP, SRG_OVD的输出, 作为功能块VLV_SEL的输入, 从而计算出喘振控制器的输出, 其根据不同的操作模式, 选择不同的输出值控制防喘振阀, 具体控制器输出如下所述。
(1) 自动模式
Out=max (PID_SRG, SRG_OVD)
(2) 手动模式
Out= MDRAMP
(3) 半自动模式
Out=max (PID_SRG, MDRAMP, SRG_OVD)
利用TRICON防喘振控制算法, 喘振控制器输出计算出之后, 利用TRICON AO输出卡键, 将整形数据转换成4~20 m A信号, 送给喘振阀, 有效地实现防喘振控制。
3结语
针对某厂70万吨/年烯烃项目, 利用TRIEW软件和TRICON独有防喘振控制软件包, 设计一套压缩机防喘振控制系统。为使复杂算法产生的程序错误率更低、更易进行错误诊断且更易理解, 在防喘振控制程序中, Tri-conex控制系统使用了具有特定功能若干独立模块对防喘阀进行控制, 实际的运行数据及结果表明了该系统不但降低了运行成本, 而且具有更好的可靠性和实时性。
参考文献
[1]贺代芳.离心压缩机的防喘振控制[J].化工自动化及仪表, 2011 (3) :90-92.
[2]何谦, 马志勇.离心压缩机的防喘振控制[J].泸天化科技, 2005 (7) :6-9.
[3]褚菲, 王福利, 王小刚, 等.建多级离心压缩机防喘模型与防喘控制策略[J]控制与决策, 2013, 28 (3) :439-444.
[4]沙宇.空气压缩机防喘振优化控制系统设计[J].电子世界, 2013 (7) :19-21.
[5]王飞.基于压缩机喘振与3C防喘振控制器在空压机上的设计策略[J].工业仪表与自动化装置, 2013 (3) :77-80.
空压机防喘振控制系统应用浅析 篇5
大庆石化公司一空分空压机是水气厂的龙头设备,它运行的好坏直接影响着全公司其它生产厂的正常生产,如果一空分空压机在运行中出现这样或那样的问题,将对石化公司的整体效益带来负面影响。空压机仪控防喘振及喘振保护系统空压机仪表控制占有重要位置直接影响空压机平稳运行。
1.1喘振定义
喘振是离心式压缩机特性的一个特殊问题,是压缩机入口气量减少到一定程度后产生的一种“飞动”现象。发生喘振时,机器强烈振动并伴有吼声运行操作极不稳定。喘振是空压机的所有故障中最有危害性的一个。
1.2防喘振控制仪表组成
防喘振回路仪表包括:放空阀门(P C V-1051-1和PCV-1051-2)、调节器(FIC-1051)、中间放空阀(F C V-1053)、压力显示仪表(P I-1051)以及差压显示仪表(P D T-1051)。所有仪表信号的输入输出均在D C S中实现,保证系统的稳定性。防喘振仪表结构图见图1。
2空压机喘振分析
2.1空压机喘振原因分析
离心式压缩机的喘振是由于压缩空气部分或全部回流导致压力波动、温度增加所引起的,它受空压机转速、各级吸入气体温度、入口导叶开度等因素的影响。
1.空压机转速因素:由于空压机本身性能可靠,转速稳定,且有轴振动、轴位移报警保护装置,所以由转速不稳造成压力波动的因素可不考虑。
2. 一级吸入气体温度因素:在相同压力比下,若一级吸入气体温度高,气体流量就会减少。
3.入口导叶开度因素:在入口导叶开度一定时,空气流量和压力比存在一定的函数关系。空压机后空分系统负荷的变化。
2.2 空压机可能发生喘振的因素
(1)空分系统的切换故障。进主换热器或分子筛吸附器的阀门不能及时打开,造成空压机排出压力超高,导致管网特性曲线急剧变陡,进入喘振区导致喘振;
(2)压缩机流道堵塞。由于冷却器泄漏或尘埃结垢,各级的流道粗糙,并且局部截面变小;
(3)压缩机进气阻力大,例如过滤器堵塞或叶轮进口堵塞;
(4)入口导叶动作不灵敏或突开突关造成流量波动,发生喘振;
(5)紧急停车时有时发生喘振。
3离心式压缩机组防喘振解决方案
空压机的声音由尖哨转变为低沉,空压机的振动加大,空压机出口总压和流量大幅度的波动,转速不稳定,推力突然下降并且有大幅度的波动;空压机的排气温度升高、造成超温;严重时会发生“放炮”。因此,一旦发生上述现象,必须立即采取措施,使压气机退出喘振工作状态。
目前,在用的离心压缩机的防喘振方法一般采用最小流量法,它不能充分使压缩机工作在其工况区,往往过早起动防喘振系统,浪费了能源,降低了经济效益。且控制系统一般采用模拟仪表构成,在压缩机的喘振线发生变化时不能及时修正,对非线性的喘振线不能较好的实施控制。而且根据其控制参数通常分为三类,即只控制流量或压力的单参数控制,同时控制流量、压力的双参数控制和同时控制温度、流量及压力的多参数控制。大多工业控制采用下面两类控制方案。
3.1 固定极限流量防喘振方案
该方案的特点是压缩机的流量始终保持大于最大转速下喘振点的流量值高于固定设定值,一空分氧压机就是这种方式,当测量值大于设定值时,旁路调节阀完全关闭;当测量值小于设定值时,就将旁路调节阀打开,使一部分气体循环,直到压缩流量达到设定值为止[1]。该方案优点是控制简单,使用仪表少,系统可靠性高,因此大多数压缩机都采用这种方案。
3.2 可变极限流量防喘振控制方案
压缩机的负荷可以通过调速来改变,这样一来,喘振极限流量设定值也就不是一个固定值,它会随着转速的下降而减小,因此最为合理的防喘振控制方案应是留有适当的安全余量,使防喘振调节器沿着喘振边界曲线右侧的一条安全操作线工作[2]。
3.2.1极限流量控制方案在空压机防喘振系统中实际应用
压缩机使用喘振变极限值控制原理,以使压缩机能在性能曲线所包括的稳定范围内稳定地运行。不管用户是否需要较小的流量,压缩机所必需要的流量用放空阀控制。就关系到装有一个内部节流机构的压缩机的喘振极限流量值控制[3]。入口压力是恒定的,转速和入口温度认为影响不大的。入口温度是忽略不计的,因此控制特性应校正到+38℃的最大入口温度。如果在开车时不能得到这个入口温度,那么抽吸的温度测量值一定要小于+38℃。通过在压缩机特性曲线的整个包括范围内,找到最佳喘振极限值的办法来,使速度控制值和入口导向叶片的叶片的整定值匹配起来[4]。
入口导向叶片和速度的调整就会产生不同的节流和速度特性。每种特性都有不同的喘振抽吸点,每个抽吸点就有相应的喘振抽吸特性。压缩机的出口压力通过出口管线的压力变送器进行采集,来自压力变送器的输出信号也能换到两个计算器上。既然计算器具有不同的整定值,那么就可得到一个不连续控制特性。两个计算器的输出连到一个最大选择器[5]。
来自选择继电器的输出脉冲作为基准值,输送到调节器(FIC-1051)上。一个计算器正确的整定值将会产生原喘振特性和规定的安全间隙相匹配的控制特性。如果实际值低于设定值,调节器将输送一个衰减的输出信号,那么放空阀门(PCV-1051-1和PCV-1051-2)就要接连打开,从而避免空压机发生喘振。如果驱动透平出故障或速度低于78%,就要通过与放空阀相接的三通电磁阀,先后把放空阀(PCV-1051-1和PCV-1051-2)和中间放空阀(FCV-1053)打开。放空阀的连续控制可以由所装配的定位器来整定。中间放空阀(FCV-1053)的开关要由所装配的电磁阀整控制。放空阀由三通电磁阀启动而打开。
当空压机发生喘振时,出口压力剧烈波动,差压检测仪表PDS-1024指示值就会发生变化,波动一次就输出一组脉冲信号,送给DCS进行处理。DCS接到现场信号后,计数器进行计数,2秒内有两次脉冲则发出报警信号,同时发出指令使放空阀PCV-1051-1和PCV-1051-2电磁阀动作,打开放空阀PCV-1051-1和PCV-1051-2空压机降负荷运行。2秒内没有两次脉冲则计数器复位重新计数。DCS接到现场信号后,同时另一计数器进行计数,10秒内有四次脉冲则发出停车报警信号,同时发出指令使空压机停车[6]。10秒内没有四次脉冲则计数器复位,重新计数。
4结束语
经过前面的讨论,可以得出以下几点结论:
1.空压机的喘振是其固有特性,其防喘振控制在保证大机组的安稳运行方面起着极其重大的作用。
2.空压机的防喘振控制系统的实现方法,从本质上讲不外乎两种,即固定极限流量法和可变极限流量法。除此以外还可根据具体的情况在增加一些其它方面的保安措施。
3.本文所有提及动作仪表均为气动仪表,在响应时间上可以得到保证,但气源压力不稳定或者压力消失时气动仪表会误动作导致压缩机停机。所有模拟量信号和数字量信号都由DCS集中控制保证仪表及时响应,且响应顺序不出现故障。
摘要：本文讲述了大庆石化公司一空分空压机是如何进行防喘振控制的,空压机如果发生喘振是如何保护的,并以一空分空气压缩机为例进一步说明防喘振控制的原理与应用,谈自己的几点体会,为能保证空压机安稳长满优运行提供几点见解。
关键词：空压机,喘振,固定极限流量防喘振控制,可变极限流量防喘振控制,防喘振控制,喘振保护
参考文献
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[5]张云,将支农.往复式压缩机进气阀门优化设计方法研究[J].流体机械,2014,(1):22-24.
防喘振控制系统 篇6
1.1燃气轮机增压站工程:本工程为孟加拉国同吉80MW燃气轮机机组电厂新建工程, 主要包括一台燃气轮机、发电机、增压站、附属系统等。燃气轮机系统设备和发电机系统设备由美国GE公司设计, 其控制系统为:MARK-V SPEEDTRONIC。
1.2增压站的重要作用:增压站在燃气轮机机组中起着重要的作用, 它将厂外来的低压天然气进行升压, 达到燃机所需要的燃气压力和流量等参数, 以确保燃气轮机机组正常可靠运行。本机组增压站主要包括:增压泵和增压泵进、出口管道及相应设备, 如过滤器、冷却器、阀门、仪表等。增压泵设备由沈阳鼓风机厂成套供货, 增压泵进出口管道及相应设备由荷兰PETROGAS公司成套供货。增压泵电机为佳木斯电机厂设备, 为6KV、3218KW高压电机, 电机通过对轮和齿轮箱驱动增压泵压缩机, 压缩机为离心式压缩机, 型号为2MCL458, 额定转速为12474r/min。增压泵额定参数如下:流量3600Nm3/H, 入口压力3.7868bar, 入口温度35℃, 出口压力27.1bar, 出口温度134.8℃。
2 燃气轮机增压站控制系统
2.1 控制系统流程图:
其中:FT01为增压站压缩机入口燃气流量;TE01为增压站压缩机入口燃气温度;
PT01为增压站压缩机入口燃气压力;TE02为增压站压缩机出口燃气温度;
PT02为增压站压缩机出口燃气压力;
TE03为增压站出口燃气温度;
FT02为增压站出口燃气流量;
PT03为增压站出口燃气压力;
A01为防喘振气动阀;
A02为气动调节阀;
2.2控制系统功能:本机组增压站控制系统由荷兰PETROGAS公司成套设计并供货, 采用日本YOKOGAWA PLC控制系统, 主要控制功能如下:增压泵启动系统控制功能、增压泵跳闸系统控制功能、润滑油系统控制功能、再循环系统控制功能、防喘振系统控制功能、过滤器系统控制功能、冷却器系统控制功能、干气密封系统控制功能、空压机系统控制功能、制氮系统控制功能、循环冷却水系统控制功能、实时报警系统控制功能。
3 增压站压缩机的防喘振控制系统
3.1增压站压缩机防喘振原理:当来自离心式压缩机出口处的天然气压力管网的阻力增加到一定值时, 排气流量将快速下降。当排气流量降到某一点时, 一个周期性的气流波动在压缩机管道内发生, 排气压力和流量波动很大, 同时意味着异常的噪音出现, 这种现象叫喘振。当喘振发生时, 很容易损害压缩机, 因此压缩机不允许在喘振区内工作。增压站压缩机防喘振的基本原理是:无论压缩机运行状况如何, 均应确保入口流量大于喘振时的流量。只在这样, 才能确保压缩机稳定地工作。这就需要找出真实的喘振线来确保压缩机在更稳定的工作区域工作。
3.2增压站压缩机防喘振阀的性能分析:
3.2.1防喘振阀主要作用:当压缩机即将发生喘振时, 迅速打开, 增加入口流量。图1中的A01为防喘振气动阀, 其气动原理图如图2:
3.2.2防喘振气动阀各组成元件的性能:
a.气动阀:本防喘振阀为气关阀, 有压力气源时关阀, 无压力气源时开阀。
b.定位器:向PLC反馈位置信号为4~20m A, 相对应于阀门开度0%~100%。PLC向定位器输出相对应于阀门开度0%~100%的4~20m A调节信号, 定位器便输出一个与输入开度调节信号 (0%~100%) 相反的压力调节气源 (100%~0%) 。
c.电磁阀:带电时1和2通、2和R断, 失电时1和2断、2和R通, R为排气孔。
d.滑阀:首先有一个主气源P作为导通信号, 当滑阀输入的压力气源信号P1由100%向0%变化时, 滑阀向防喘振阀输出的压力气源信号P2也由100%向0%变化。
e.释放阀:当P有气源压力时A和R断, 当P无气源压力时A和R通。
3.3增压站压缩机防喘振气动阀工作原理:当电磁阀带电时, PLC向定位器输入调节信号4~2 0 m A (对应于气动阀开度0%~100%) , 定位器便相应输出压力调节气源信号100%~0% (对应于气动阀开度0%~100%) , 此信号经电磁阀输入至滑阀P1处, 滑阀便输出压力气源信号100%~0%, 气动阀便由全关至全开调节, 此时释放阀的A和R断;当电磁阀失电时, 滑阀因无气源压力调节信号P1输入, 故输出P 2为0, 气动阀全开, 此时, 释放阀的A和R通, 确保气动阀内的压力气源排出, 而快速达到全开位置。
4 增压站压缩机防喘振控制逻辑及其改进
4.1 增压站压缩机原防喘振控制逻辑:
4.1.1原防喘振控制过程:在增压站压缩机正常运行时, 当压缩机入口压力PT01下降到2.0bar以下, 那么, 此时防喘振阀将立即打到全开位置, 防止增压泵入口出现低负压, 防止喘振出现, 当入口压力PT01升到2.2bar以上时, 防喘振阀再逐渐关闭。当压缩机启动或停机时, 防喘振阀全开, 防止出现喘振现象而损害设备。
4.1.2原防喘振控制逻辑的缺陷:原防喘振控制逻辑在做防喘振线和喘振线时, 仅仅考虑了压缩机入口压力一个因素, 其他如燃气分子密度、流量、入口温度、出口温度、出口压力等因素的变化影响均未考虑, 显然太简单, 无法反映真实的喘振线和防喘振线。因原有防喘振逻辑与实际相差较大, 故不能保证压缩机正常稳定地工作, 会给压缩机带来很大的损害。
4.2 改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑:
4.2.1压缩机性能曲线分析:通过对压缩机管道内燃气分子密度、流量、入口压力、入口温度、出口压力、出口温度等因素变化影响的考虑, 根据压缩机性能曲线.做出下列算式:
式 (1) (2) 中, QCTRL为防喘振线上压缩机入口燃气流量, 单位为Nm3/h;
QSRG为喘振线上压缩机入口燃气流量, 单位为Nm3/h;
P为压缩机出口燃气压力, 单位为kpa;
通过以上算式, 做出如下坐标图图3:
在图3中能显示出改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑是如何工作的。图中S L表示喘振线, C L表示防喘振线, Qsl表示喘振线上压缩机燃气入口流量, Q c l表示防喘振线上压缩机燃气入口流量, P表示压缩机出口压力PT02, Q入表示压缩机入口流量FT01。SL线和CL线将工作区分成三个部分, 位于SL左侧为喘振部分, 位于SL线和CL线之间的为调整部分, 位于C L线右侧为安全部分。
4.2.2防喘振控制过程:共有1、2、3、4等4种状况:
1区:工作点在喘振线上方移动, PLC对防喘振阀的控制信号为100%, 防喘振阀全开, 电磁阀失电;
2区:工作点在防喘振线下方移动, PLC对防喘振阀的控制信号为100%, 电磁阀带电;
3区:工作点由2区向3区移动过程中, 当Q=Qcl时, PLC对防喘振阀的控制信号开始由100%逐渐递减, 速率为0.5%/S, 直至防喘振阀全关为止, 此过程, 电磁阀始终带电;
4区:工作点由3区向4区移动过程中, 当Q=Qcl时, PLC对防喘振阀的控制信号开始由0%逐渐递增, 当Q=Q s l时, 刚好为1 0 0%, 此时, 电磁阀刚好断电。
4.2.3防喘振控制系统:共有三种控制方式可以设定:自动方式、半自动方式, 手动方式。
a.自动方式:整个防喘振系统均采用自动控制方式;
b.半自动方式:当工作点在喘振线上方时, 可采用手动控制, 其他均采用自动控制方式;
c.手动方式:整个防喘振系统均采用手动控制方式;
当压缩机启动或停机时, 防喘振阀均全开, 然后再逐渐关上。
5 改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑程序:
6 结束语
6.1改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑程序对于机组运行的作用和意义:因原有防喘振逻辑设计有错误, 故在现场对防喘振逻辑进行了重新设计。现有防喘振逻辑设计时, 考虑的因素比较全面, 做出的防喘振线和喘振线更接近于真实的防喘振线和喘振线, 因此确保了压缩机有更稳定的工作区域, 工作更安全, 更进一步确保燃机的稳定运行。
6.2随着西气东输的开展, 越来越多的燃气电厂和化工厂即将投入运行, 离心式压缩机具有广阔的应用前景, 深刻理解增压站压缩机防喘振控制过程和控制逻辑, 对于燃气增压系统的安全运行有着重要的意义。
参考文献
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离心式压缩机的防喘振控制 篇7
随着石化装置自动化程度不断提高以及DCS和PLC技术的发展,对离心式压缩机防喘振的控制要求也日益提升。笔者以独山子石化制氢装置的天然气压缩机为研究对象,分析了其防喘振控制算法及其功能的实现,并给出了实际操作中的注意事项。
1 离心式压缩机的喘振
1.1 喘振产生的原因
离心压缩机的喘振是其本身的固有特性。离心式压缩机在运行过程中,负荷下降到一定数值时,管网气体会倒流至压缩机,当压缩机的出口压力大于管网压力时,压缩机又开始排出气体,气流会在系统中产生周期性的振荡,气体的排送会出现强烈的振荡,机身随之发生剧烈振动,这些现象被称为喘振。喘振产生的原因是,当压缩机工作流量小于最小流量时,气流在离心式压缩机叶片进口处与叶片发生冲击,使叶片一侧气流边界层严重分离,出现漩涡区,从而形成旋转脱离或旋转失速[1]。
1.2 喘振极限与安全操作线
离心式压缩机的压缩比(出口压力p2和入口压力p1之比)与入口气体体积流量Q之间特性曲线如图1所示。每条曲线在不同转速下都有不同的一个最高点。连接最高点的虚线a是一条表征产生喘振的极限曲线。虚线左侧区域是喘振区,若压缩机工作点在喘振区,会出现喘振现象。为保障压缩机安全运行,压缩机的实际工作点距离喘振极限曲线应留有一些余地,一般在喘振极限曲线a右面再作一条与之近似平行的曲线b,即压缩机的安全操作线。
ni——离心式压缩机的转速,i=1,2,3,…;
Qv ——临界流量;
M1,M2 ——任意两个临界工况点
1.3 防喘振控制原理
只要保证压缩机的工作流量大于最小流量就不会发生喘振。因此采用部分回流法,既可适应低负荷生产的要求,又能满足流量大于最小极限值(即喘振点流量Qv)的需要。气体返回循环防喘振的工作原理如图2 所示,只要Q返≥Qv -Q入,就能防止压缩机发生喘振。
离心式压缩机防喘振控制常采用两种方法[2]:定极限流量法,也即压缩机的流量始终保持大于某一定值流量,避免进入喘振区运行。此法通常用于恒速运行的离心式压缩机且流量控制器的给定值大于额定喘振点流量的7%～10%,虽控制简单,但当机组变速运行且处于低负荷情况时,防喘振控制投用过早,会造成能耗加大;变极限流量法,在变速运行的压缩机中,随着工况变化,极限喘振流量也随之变化。根据压缩机的不同工况沿安全操作线自动改变防喘振流量控制器的给定值,使防喘振控制器沿安全控制线工作,既安全又节能。独山子石化制氢装置中天然气压缩机的防喘振控制即采用此法。
2 防喘振控制算法
防喘振控制算法是将通过喉部差压值经过折线运算得出的出口压力作为防喘振控制器的设定值SP,与出口压力测量值PV相减得到偏差后运用PID控制作用实现的。防喘振控制的偏差e=PV-SP,即为出口压力的控制偏差。防喘振控制器设为反作用,正常状况下偏差e<0,当e≥0时发生喘振[3]。防喘振控制功能框图如图3所示。该算法成功地解决了防喘振线的形成、防喘振曲线工作点的动态干预、比例增益K的自整定、循环阀快开慢关功能以及停机时的喘振处理等技术难题。
2.1 防喘振线的形成
不同的静叶角度对应的喘振点是不同的,而静叶角度和喉部差压有关。因此,以喉部差压为横坐标计算出对应的出口压力作为纵坐标,并将之设定为防喘振控制器的设定值SP。最简易的安全操作线的确定方法是根据压缩机制造厂提供的如图1所示的气体压缩机特性曲线图中喘振极限曲线上的任意两个临界工况点M1,M2的数据折算成与差压变送器(测量喉部差压)及压力变送器(测量出口压力)的刻度值相对应的Δp和p2的相对值(%),在如图4所示的坐标上确定与M1,M2相对应的M1′和M2′点,连接M1′和M2′就可画出压缩机的喘振极限曲线a,为研究方便,将其近似为一条直线。然后再在其右侧画一条与a线平行的直线b线为安全操作线(防喘振控制给定线)。为保证一定的安全裕度,防喘振控制器的给定值与喘振极限值之间的水平间距Δh设为流量刻度的7%～10%。
该制氢装置应用了CS3000 DCS系统中Regulatory PV运算类模块中专门的折线函数运算General Linearization(GENLIN),采用11点10段的折线算法,确定出了理想的防喘振线,由此运算得出11点坐标构成的一条参考轨迹,即安全操作线。这种控制算法是DCS的预测控制,它利用工业过程中较易获得的对象阶跃响应曲线将采样周期内得到的一系列参数作为控制器设定值,从而使在未来一段时间内的测量值与经过柔化后的设定值之间的偏差达到最小。
2.2 防喘振曲线工作点的移动
防喘振PID控制器一般在偏差e>2%时系统发出喘振报警。当偏差e>7%并且发生压缩机逆流报警时,设计采用动态干预方式将防喘振线下移1%,以扩宽裕度。为了保证离心式压缩机的功效,最多下移5次。功能模块中还设置有手动复位功能。当防喘振线下移时,新设定值SP为折线算出的SP′减去移动次数n乘以下移量1%(即SP=SP′-n×1%)。
2.3 K的自整定运算
PID控制器中的一个重要的参数就是比例增益K,K值的取值会极大地影响系统的过渡过程,对控制系统的快速性和稳定性有很重要的意义。本装置的K值以前由仪表或工艺人员根据系统运行情况人为调整,这必然会导致控制不力或系统波动。现运用GENLIN折线运算块实现K值的自整定控制(整定参数根据被控对象的特性自动地调整)。如图5所示, 初始K值置为90,当偏差e≤0时,K值不变;当偏差e>0.1%时喘振条件具备,通过折线运算后共11点坐标形成3段斜坡折线得出K′,根据计算公式K=(90×25.0)÷(K′+25.0),即可得到K值。随着e变大,K值逐渐减小。采用本方法自整定K值提高了系统的自适应能力,使控制质量大大提高。
2.4 循环阀的快开慢关
压缩机循环阀快开慢关的特性对压缩机而言尤为重要,由工艺及设备的特性决定。偏差e≥0时,要求循环阀快速打开。由于阀打开,使工作点开始回到防喘振线以下时,进入正常工况。阀的动作应慢慢放缓,即要求循环阀开关动作是变速的。该功能在CS3000 DCS系统中运用控制传送模块HY1054实现的。设置两个压缩机的循环阀HY1054A/B均为气关阀,当偏差增大防喘振控制器的输出减小时,循环阀开始正常打开;反之,即当偏差小于0,使PID的输出呈增大的趋势时,循环阀的输出则以0.1%递减慢关。
2.5 停机时的喘振处理
联锁停机时,紧急停车子程序将PID输出自动置0%,使两个循环阀自动全开。该程序如下:
3 防喘振控制在线仿真
通过在线模拟压缩机由正常状况转为喘振状态时防喘振控制器的动作情况,对前述功能进行在线仿真测试,测试结果状态如图6所示。图6中的曲线图直观地反映出喘振后各个参数的变化情况[4],尤其是设定点和工作点的变化特点。在正常状况下,设定点应始终延防喘振线波动,工作点应始终在设定点的下方。但在喘振时,图6的防喘振线已经下移了5次,设定点“+”已远离防喘振线一段距离,工作点“●”到达了喘振区。防喘振的输出最小,循环阀全开。前面所述功能全部成功实现。
4 结束语
CS3000 DCS系统可靠性高,易操作,组态灵活,功能强大而丰富,便于组态各种复杂控制,这使得离心式压缩机的多项防喘振功能在DCS上得以实现。本装置的防喘振控制系统自投用后,运行效果很好,压缩机没有再发生喘振现象,机组运行平稳,达到了设计要求,取得显著的经济效益。
摘要：针对离心压缩机的喘振影响其正常工作的问题,分析喘振发生的原因,运用折线函数确定防喘振线、动态干预防喘振曲线工作点及比例增益的自整定运算,用CS3000DCS的HY1054模块控制循环阀的快开慢关,实现了离心式压缩机在线运行防喘振控制。投运结果表明,防喘振功能在CS3000系统中能够实现,并且运行效果良好。
关键词：喘振极限,安全操作线,折线函数运算,偏差e,比例增益K,循环阀快开慢关
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防喘振控制系统 篇8
关键词：轴流机,防喘振,ESD,3C,喘振控制线,持续改进
1 引 言
催化裂化装置的主风机组在整个装置的生产运行中主要担负向再生器提供主风的任务, 用来满足烧焦需要的氧气, 同时也起着维持再生器压力, 保持热平衡、氧平衡、压力平衡及流化的关键作用。如果主风机组停运, 催化裂化反应也将被迫停止, 因此主风机组的运行状况直接影响整个催化裂化装置的安全稳定长周期运行。而大型压缩机组的防喘振控制更是机组控制的关键和核心部分。因为一旦喘振得不到及时的遏制, 进而发展为逆流、持续逆流就会发生毁机的严重后果。
2 主风机机组防喘振控制工作原理
防止压缩机喘振的控制方法有两类。一类是使压缩机的流量不小于临界值, 当流量接近喘振临界值时就打开旁路阀;另一类是按某种计算函数来实现关系。飞动点的轨迹在坐标图上接近一根曲线, 当流量/ (入口压力-出口压力) 小于某一临界值后, 压缩机将进入喘振区域。此时应将旁路阀打开, 以增加压缩机的进气量, 同时使入口压力减小, 出口压力增大, 有利于防止喘振[1]。
大型轴流式风机的防喘振宜采用随动式喘振控制方案。绘制防喘振曲线有两种方法。一种是跟据制造厂所提供的机组特性曲线绘制, 另一种是通过现场实测轴流风机的运行数据绘制。在轴流风机的防喘振控制中, 通过喉部差压控制防喘振调节阀V2, 其防喘振调节器的设定值取自出口压力和静叶角的函数SV=F (P, 2) , 见图1中的防喘振线, 检测信号取自喉部差压。当轴流机运行在防喘振线以下时, 即:PV>SP, 调节器输出20 mA, 防喘振放空阀全关;而当轴流风机运行超过防喘振线时, 即:PV
防喘振曲线是根据厂家提供的数据表和开工初期经过在不同静叶角度下喘振临界点的数据, 即:出口压力值和喉部差压值, 实际测得的轴流风机喘振曲线。在此曲线上, 将曲线向右偏移喘振流量的10%作为控制余量, 就得到了防喘振控制线[2]。
3 原设计的防喘振控制系统
大庆石化公司炼油厂1×106 t/a重油催化裂化装置在1992年建装置之初, 该装置主风机防喘振控制系统由一台PMK调节仪进行简单的PID回路控制, 防喘振系统的测量值只有喉部差压PDT005、出口压力PI004。图2所示为简单的防喘振控制。
该控制系统不能实现复杂的防喘振控制, 只是用PID参数进行调节, 当测量值低于某一固定值时, 输出一个报警信号, 使电磁阀带电, 调节阀全开。因此, 防喘振控制方法较简单, 无法充分发挥机组潜能。
4 ESD防喘振控制系统
1998年6月主风机控制系统进行改造, 采用美国ICS公司生产的ESD控制系统进行机组保护及控制。在ESD系统上主要进行了主风机启机、自动操作、安全运行、逆流保护、紧急停机、润滑油自启动、动力油自启动、防喘振控制等功能。它采用了性能可靠的三重化技术, 其CPU模件、电源、CPU总线及I/O总线均采用TMR配置。CPU模件及I/O卡件采用硬件容错 (HIFT) 技术和硬件表决方式, 加快了系统反应速度, 使控制系统的可靠性和安全性更高。该控制系统在1998年8月使用以来, 没有出现过误动作或其它故障, 比较稳定。
4.1 ESD防喘振控制系统构成
ESD的防喘振控制系统是由ESD内部程序实现的。参与防喘振控制的共有四个参数, 分别是喉部差压值PDT005、出口压力PT004、入口温度TI011及入口压力PT005。在ESD系统中, 通过“BIC004”、“B1”、“B2”等功能块实现防喘振控制功能。主要用于建立防喘振控制曲线、防喘振的调节控制及实现喘振阀门的快开慢关等性能。
4.1.1 ESD防喘振控制曲线的建立
在“B1”、“B2”功能块中, 对14 ℃和28 ℃两条防喘振曲线进行了定义。防喘振曲线通过逻辑语言分段编写而成。针对冬季和夏季不同的环境温度下机组的性能曲线不同, 分别作出了两条防喘振曲线, 即冬季的14 ℃和夏季的28 ℃两条防喘振曲线。
两条曲线按照喉部差压值的百分数进行分段控制, 将七条线段连接起来, 就是该温度时的防喘振曲线。然后向右移动一定的余量, 即为轴流风机的防喘振设定曲线, 防喘振调节回路采用PID算法。图3为14 ℃时的防喘振曲线。
4.1.2 ESD防喘振的控制方案
在“BIC004”功能块中, 程序定义了机组的工作点与喘振线进行比较。当PV值小于SP值时 (即工作点远离防喘振线) , HIC004 (喘振阀控制输出) 为全关;当PV值大于SP值时 (即工作点超过防喘振线) , HIC004全部打开。同时分别定义了喘振阀门的快开速率及慢关速率, 从而保证装置的平稳运行。
4.2 ESD防喘振控制系统存在的问题
美国ICS公司生产的ESD控制系统主要致力于机组的保护控制, 并非专业的机组防喘振控制专家, 其防喘振系统不能将机组的效率最大化, 当装置的再生器压力控制超出0.235～0.245 MPa时, 整个机组就会出现发电困难、催化剂消耗高、能源耗大的缺点。
5 3C防喘振控制系统
针对ESD控制系统存在的问题, 该装置于2002年针对防喘振系统引进了美国CCC公司的PLUS+系列控制器, 以下简称3C控制器。
通常机组发生防喘振时, 一是必须将部分流量回流到压缩机入口或放空, 以使压缩机工作点远离其喘振极限。二是回流或放空部分气体要损失掉大量的压缩功。美国CCC公司是一家专业从事机组研究的公司。在机组控制中解决了压缩机的压缩功损失这一经济性难题。3C控制系统能够精确地确定压缩机工作点离喘振点有多远, 从而维持一个足够但又不过分大的回流量。
5.1 3C防喘振控制系统构成
该装置主风机机组的3C防喘振控制系统, 是通过喉部差压值PDT005、出口压力PT004、入口温度TI011、入口压力PT005及出口温度TI012等参数进行复杂运算, 控制BIC004调节阀。3C控制器防喘振控制示意图如图4所示。
5.2 控制器中防喘振多种控制线的定义
在3C控制器中, 根据轴流风机喘振的特点, 控制器定义了若干曲线[3], 当压缩机操作点越过这些曲线时, 控制器随即动作产生响应, 避免压缩机喘振, 减少生产过程不必要的波动和循环能量的消耗。控制器内定义的各种曲线如图5所示。
5.3 3C防喘振控制方案
在控制器内部, 喘振极限是一个复杂的函数, 它随各种工艺条件如:气体组分、入口压力和温度, 转速和入口导流叶片角度的变化而变化。因此使用了多元函数来计算工作点相对于喘振极限的趋近程度。对于小而慢的扰动, 则使用比例-积分控制, 并能在控制阀完全关闭时防止复位。对快速扰动, 控制器将产生一个微分响应, 从而加大安全裕量, 提高比例-积分响应的控制速度。
防喘控制器通过多种开环路和闭环控制算法来制定对扰动大小的响应, 从而避免一个很宽的浪费能量的安全裕量。
5.4 3C防喘振控制器的特点
3C防喘振控制器, 能够将喘振的精确预报和特制的控制响应有机地结合, 使压缩机的喘振安全裕量最小, 其结果是, 既保护了压缩机, 又使浪费性的回流或放空量降到最低限度。这是3C控制器被广泛使用的主要原因。由于先进的防喘振控制方案, 压缩机可以在非常靠近喘振极限的地方运行, 而不必打回流。使机组耗能低, 更经济, 机组运行更加可靠。由于采用保守策略控制方法, 控制器能在变送器发生故障时, 继续防止喘振, 能使主风出口压力控制在0.33 MPa。
6 改进后防喘振控制系统
针对上述两套防喘振控制系统的特点, 为避免由于仪表的设备故障引起误动作停车, 采取了3C控制器与ESD 控制两套防喘振控制系统互为主备的控制方案。正常工况下采用3C控制器, 当3C控制器出现异常时及时切入ESD 系统内部控制。
6.1 改进后防喘振控制方案
由于采用了两种控制系统的互备方式, 因此各种仪表的控制信号需要同时接入两套控制系统当中。
现场输入信号通过一入二出式安全栅分别进入ESD系统和3C系统。需要同时进入两套系统的共有四个信号, 分别为PDT005、PT004、TI011、PT005, 采用MTL5043型的安全栅将输入的4～20 mA信号分两路进入ESD的AI卡及3C控制器的接线端子板。改进后的防喘振控制系统如图6所示。
6.2 改进后防喘振控制系统的切换
将3C控制器输出控制信号引入ESD, 在防喘振控制画面上增加“3C”与“ESD”切换开关, 当使用3C防喘振控制器时选择“3C”, 如3C防喘振控制器有问题可及时切换到ESD防喘振控制器控制。
6.3 改进后控制系统中的ESD系统实现动态曲线
由于ESD系统原来的防喘振曲线不能移动, 对调节轴流风机的流量产生一定的约束。对原防喘振控制进行修改:删除28 ℃曲线, 在14 ℃曲线的基础上将防喘振曲线变为动态曲线, 增加了“曲线偏移量”按钮, 通过调整曲线偏移量, 达到防喘振曲线适应环境温度变化的目的, 最大偏移量定为4%。
6.4 改进后ESD系统对控制点进行温压补偿处理
针对本地区冬夏两季的温度差异对介质的影响, 在系统中也对控制点进行了温度与压力的补偿计算。把TI011 (入口温度) 、PI005 (入口压力) 引入控制点的公式中对控制点进行温度和压力的补偿, 从而使控制点更能反应实际工况。同时在ESD防喘振操作画面上新增温压补偿开关, 可选“补偿”和“未补偿”两档, “补偿”指对入口流量进行温压补偿, “未补偿”反之。新增一个“显示补偿”和“无显示”按钮, 当按钮显示“显示补偿”在防喘振曲线图上显示两个工作点:一个是有补偿, 一个是无补偿, 防止选择温压补偿切换开关时, 因不知道另一工作点是否在喘振区内而误切换。
6.5 喘振线的重新标定和修改防喘振线
2007年该装置主风机组为了提高系统压力, 轴流风机增加了一级叶片 (由14级更改为15级) , 致使压缩机的喘振线发生变化。为了适应这一情况更准确地进行防喘振控制, 我们将3C控制系统及ESD控制系统的现场服务技术人员请到现场, 在机组运行情况下, 通过现场测试和调整的方法标定了机组变化后的真实喘振线, 并对两套系统的防喘振线进行了修改, 以确保生产的需要和机组的安全。
7 结束语
随着催化裂化装置技术的不断发展, 主风机组的控制系统也不断地得到改进和完善, 同时各石化生产厂都结合自己本单位机组的实际工况采取不同的控制方案来确保机组的安全。根据生产装置的特点及机组的运行情况, 改进的防喘振控制系统, 确保了催化裂化装置和机组能够高效、平稳、安全的生产及长周期运行并使效益最大化。
参考文献
[1]崔克清, 等.安全工程大辞典[M].北京:化学工业出版社, 1999:524-525.
[2]朱锦智.炼油催化裂化主风机组控制系统原理及技术[J].自动化仪表, 2005, 32 (5) :39-42.