防喘振控制方法（共8篇）
防喘振控制方法 篇1
引言
压缩机在工作过程中, 当入叶轮的气体流量小于机组该工况下的最小流量 (即喘振流量) 限时, 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, 具体体现在机组连同它的外围管道一起会作周期性大幅度的振动。消除喘振的方法有好几种, 甲醇厂主要采用给压缩入口增加流量的方法, 保证压缩机入口流量大于最小流量值。在日常运行过程中, 往往存在喘振控制回路故障导致压缩无法正常启动的现象。本文将阐述防喘振控制回路的原理, 从而提出控制系统故障导致压缩机无法启动的原因及解决办法, 对日后压缩系统的正常运行有着重大意义。
1 故障现象
在发生闪停电时, 压缩机由于联锁导致停车。当供电正常准备重新启动压缩机时, 压缩机因为条件不具备而不能启动。在GUS机上打开流程画面, “启动许可”对话框里显示“第一循环凡尔位置信号故障”, 如图1所示。
2 原因分析
2.1 防喘震回路介绍
主循环凡尔主要指的是一区喘振阀的阀位反馈信号, 在正常启动压缩前, 喘振阀一般要求全开。每次开车前, 都要求阀位反馈信号的偏差值不能超过10%, 检查反馈信号, 发现在17%左右, 到现场检查阀, 阀位正常。检查各控制回路仪表和PLC状态, 也都正常, 调整阀门反馈仪表的零点, 重新标定, 启动许可正常。判断故障原因, 确认为这次压缩不能正常启动, 主要由于系统通过送入PLC的ZT901的信号进行逻辑判断, 判断阀门只有73%开度, 发出信号导致启动许可信号失败。
ZT901主要用的是4201的阀门反馈仪表, 仪表里有一个10千欧的可变电阻, 当阀位置发生变化时, 可变电阻跟随变化, 反馈到GUS上显示阀位信号。通过检测, 发现该电阻线性变差, 这也是导致反馈仪表零点漂移的主要原因。
2.2 故障原因分析
通过以上处理, 故障现象基本排除, 但喘振控制阀的反馈是否参与了后面的喘振控制, 阀反馈不准对整个控制系统是否有影响, 下面分析如下:
(1) 防喘振控制回路的简介
防喘振控制主要分为一级喘振和二级喘振, 一级喘振主要由仪表PT900B、FT900、PT902、FY901、ZT901和FC901组成。其中信号源主要为PT900B、PT902、FT900, FC为PC组态的调节器, FY为现场调节阀, ZT为阀位反馈。喘振控制回路包括手动/自动, 当调节器处于手动时, 信号源不起作用, 阀开度由手动输入控制;当处于自动时, 阀门开度可以通过FC的设定值自动调整阀门开度。
由于一、二级防喘振回路的原理相似, 下面以一级防喘振控制为例介绍控制流程。PT900B、PT902、FT900作为主要的信号源输入到PLC模块中, 经过调节器的PID分析运算, 将控制信号输出到一区喘振阀FY901的阀门定位器, 从而驱动阀做相应的动作。一区防喘振控制回路的示意图如图2所示。
(2) 防喘振控制的电路原理
该回路与以下模块、仪表有关, 分别为FY901、AO-301、AO-302、AI-01、ZT901、AI-301/AI-302、DI-04、DO-02。
一区防喘振控制回路的模块、仪表连接的具体原理如图3所示, 二区防喘振控制回路与一区的相似。
其中, 喘振控制回路由PT-900B、FT900、PT-902组成, ZT-901为现场阀FY-901的阀位反馈信号。FC901为逻辑调节器, 由PLC内部的梯形逻辑图构成。SC-2801在这里有两个作用, 一是将0-5V的电压信号转换为4-20m A的电流信号, 二是起到软件冗余的作用, 一旦PLCA失去作用, 则可以切换到PLCB工作。DI-04模块在这里为SC-2801提供一个PLCA/B的状态信号, 通过控制2821继电器输入信号到SC-2801的数字量输入端, DO-02模块在这里从SC-2801获得一个PLCA/B的状态信号, 通过控制923继电器的常闭触点输入信号到DO-02模块。这两个模块和SC-2801组成了PLCA/B对FY-901冗余的基本回路。PLCA与PLCB的模拟量输出信号 (AO-301/AO-302) 的作用相同, 都是用来控制同一台调节阀, 这时它们都送到MDS。然后MDS根据PLCA/B送来信号控制现场的调节阀, 同时将状态信号送往PLCA/BD的DI (的DO (DO-02) 信号, 通过内部的逻辑运算和判断, 送出模拟量DI-04) 模块。这样就实现了信号的冗余输出。具体线路图如图4:
当PLCA/PLCB状态正常时, PLC发出1信号, 923线圈带电, 2821线圈带电, 2821触点闭合, DI-04输入1信号, PLCA工作, PLCB备用, 现场由两台PLC控制;
当PLCA正常, PLCB故障时, 回路和两台完好一样, PLC发出1信号;经SC-2801运算后, 返回1信号, 由PLCA控制 (即选用AO-301输出的阀信号) 。
当PLCA故障, PLCB正常时, PLC发出1信号, 923线圈失电, 923常闭触点断开, 2821线圈失电, 2821常闭触点断开, 经SC-2801运算后, 返回0信号, 由PLCA控制 (即选用AO-302输出的阀信号) 。
(3) 分析结论
通过对整个喘振控制回路的分析, 发现阀反馈信号不参与后续喘振控制, 但在整个压缩启动过程中, 为保证开机前压缩入口流量大于设定的最小流量, 一般都会要求喘振阀的开度不能小于某个开度, 从某种意义上来说, 也从而保证了压缩的入口流量。
3 解决方法
原因分析中得知位置反馈器的零点有所偏移, 不能准确地反映阀位, 可靠性下降, 但由于压缩机各控制回路性能之前一直比较稳定, 目前位置反馈器和可变电阻没有备料而不能更换, 作为应急措施压缩机此次不能启动的时候我们调整了位置反馈器的零点, 并且标定, 配合开机。以后报料再做更换。为了避免故障再次出现, 检修期间我们会更重视控制回路、PLC的调试校验工作, 保证控制系统的可靠运行。
4 总结
总结这次压缩不能启机的故障, 虽然问题很小, 但从中我们认识到检修过程中对各测量仪表标定校验, 对整个控制系统测试的的重要性, 也为我们以后的仪表维护工作积累了经验。
参考文献
[1]施仁, 刘文江, 郑辑光.自动化仪表与过程控制.北京:电子工业出版社, 2004.
[2]姜培正等.过程流体机械.北京:化学工业出版社, 2004.
防喘振控制方法 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).
防喘振控制方法 篇3
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4
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
[1]大庆空气分离工厂操作手册,第二卷[Z].空气压缩机:11-14.
[2]苏灵波,房旭鹏.压缩机喘振及其预防[J].压缩机技术,2011,(1):2-4.
[3]刘一闻,张威丹.压缩机喘振及其预防方法[J].城市建设理论研究(电子版),2013,(25):3-5.
[4]严天宏,李青.压缩机的现状、发展及新型技术展望[J].压缩机技术,2011,(1):52-58.
[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.
防喘振控制方法 篇5
1 离心式压缩机组存在的问题①
C-401、C-402制冷压缩机组采用变转速的方法进行工况调节,即通过改变压缩机转速来改变其运行工况点以适应工艺系统的要求。压缩机不同的转速均有与之对应的特性曲线,其主要参数如下:
C-401、C-402压缩机组调速控制系统主要由两个转速传感器(霍尔效应传感类型的DSF探头)、安全栅、软件调速器(GE RX7I PLC)、WOODWARD电液转换器、阻尼器、液压执行机构(错油门和油动机)和调节阀组成。防喘振控制系统在随机组引进的GE RX7I PLC冗余系统内由软件算法实现。该冗余系统可将调速控制系统和防喘振控制系统合为一个整体,并通过各种控制模块之间的耦合和解耦运算实现压缩机的控制功能。压缩机组控制系统结构示意图如图1所示。
在开车调试过程中发现,两套压缩机组控制方案均存在如下缺陷:
a.两台制冷压缩机投运后存在的主要问题是,压缩机防喘振控制系统在全循环状态时喘振点工作在非安全区内,机组开工时无法正常关闭防喘振阀,必须人为手动强制关闭,存在极大的安全隐患。另外,在装置达到95%负荷的情况下,防喘振阀仍有一定开度,增加了机组的能耗。
b.透平机的电子调速系统存在问题,尤其是刚开车需要尽快将机组稳定下来时,调速系统无法实施自动升速,而一般手动升速一次仅提升5r/min。以C-401乙烯机组为例,从调速器动作(10 182r/min)到压缩机正常运行(12 318r/min),需要不间断增加近2 000r/min,而手动操作在升速过程中至少需要10min以上的时间,在此期间还要不断地人工对机组喘振阀、喷淋阀等进行调整,制约了机组的稳定操作。而且,每次开车过程中遇到机组波动时,都要花费相当长的时间来调整,造成大量的原料排放火炬,既严重浪费能源又对环境造成污染。
c.防喘振控制系统不稳定,抗干扰性差,经常出现阶梯开阀响应,引起工艺出现较大扰动,尤其对段间温度变化非常敏感,影响了裂解装置的平稳运行。
d.GE RX7I PLC系统的人-机界面HMI防喘振控制面板为英文界面,操作人员操作困难,缺少人性化。
e.性能控制与防喘振控制功能不够清晰,两者相互关联,无法有效调节压缩机性能。
2 改进的防喘振控制系统控制方案
2.1 总体思路
针对压缩机组投运过程中存在的问题,仪表技术人员和压缩机厂家技术人员经过多次反复交流论证,在确保前期投资和施工时间的基础上,尽量简化现场施工量,确定的改进方案如下:
a.在保持原GE RX7I PLC硬件系统和开车联锁逻辑不做较大改动的前题下,增设两套CCC S5 Duplex Vanguard系统,分别实现乙烯和丙烯机(C-401、C-402)的速度控制、喘振控制与入口压力控制,优化每台机组的控制操作。确保CCC S5Duplex Vanguard系统在机组达到最小转速后,防喘振控制在PID作用下能够自动投运。
b.参与速度、性能和喘振控制的信号通过信号分配器在端子柜分为两路,然后分别进入CCC S5 Duplex Vanguard系统和原GE RX7I PLC系统并参与相关的控制功能。CCC S5 Duplex Vanguard与GE RX7I PLC之间的停车、启动及系统故障等关键信号则通过硬接线连接。
c.保留原GE RX7I PLC系统在开车阶段的全部功能,在暖机升速正常后,再将乙烯制冷压缩机C-401、C-402的速度控制、入口压力控制和一、二段防喘振控制回路由GE RX7I PLC系统无扰动切换到CCC S5 Duplex Vanguard系统,实现同时在两个系统中的C-401、C-402机组速度控制、入口压力控制一、二段防喘振控制,确保CCC S5Duplex Vanguard系统具有单独暖机升速的能力[1]。
d.配置两台CCC Train View II操作站,用于操作C-401、C-402机组,两者具有互备功能,且其中一台可作为工程师站使用。通过同时在CCC S5 Duplex Vanguard系统内进行现场实测乙烯/丙烯制冷压缩机各段喘振曲线,对制冷压缩机组实施安全、高效的防喘振和性能控制。
2.2 改造实施过程
在2010年装置大检修期间完成的主要改造调试工作有以下几点:
a.原GE RX7I PLC系统中显示的模拟输入AI信号(段间压力、流量、温度信号)经过P+F一进二出安全栅分配器后,分出一路信号进入CCC S5 Duplex Vanguard系统。同时保留GE RX7I PLC系统原有的控制机柜、联锁逻辑功能和相应的操作画面,对现场变送器的供电方式和控制室内的接线做相应的变更和调整。
b.原机组的现场转速传感器(霍尔效应传感类型的DSF探头)保持不变,两路速度检测信号转换成高速频率信号后进入原GE RX7I PLC系统的高速脉冲输入卡IC697HSC700和CCC S5Duplex Vanguard系统的频率输入卡。采用将安全栅MTL5032的11(-)、12(+)端子并接的方式实现信号分配。
c.原GE RX7I PLC系统的速度控制、喘振控制模拟输出信号分别以硬连接的方式先接入CCC Vanguard系统的模拟输入卡,与CCC S5 Duplex Vanguard系统内相应软件控制器的输出信号进行追踪处后再通过CCC S5 Duplex Vanguard系统的模拟输出卡以4~20m A模拟信号进入输出电隔离安全栅,经驱动后输出到现场执行机构(WOODWARD电液转换器等)。
d.压缩机组在开车暖机升速过程中,仍以GE RX7I PLC系统为主,CCC S5 Duplex Vanguard系统仅监视运行信号是否干预GE RX7I PLC系统的开车过程。当机组达到最小转速后,通过辅助操作台上的手动按钮来实现CCC S5 Duplex Vanguard系统控制器对过程输出信号的接管,以软件切换的方式实现模拟输出信号的单向无扰动切换。
e.GE RX7I PLC系统负责机组的启动,在启动前GE RX7I PLC系统的防喘振和性能控制器应投在“手动”状态,操作台上的硬切换开关全部打在“GE控制”位置,操作员需要确认此时防喘振阀全开。同时,操作员需要复位CCC S5 Duplex Vanguard系统,确保从CCC S5 Duplex Vanguard系统输出到GE RX7I PLC系统的ESD信号已复位,GE RX7I PLC系统所有启动允许条件均处于OK状态。从GE HMI上启动压缩机,当机组升速到最小控制转速后,喘振阀仍全开,此时操作员需要启动CCC S5 Duplex Vanguard系统,验证CCC S5 Duplex Vanguard系统的速度控制器跟踪GE速度信号,然后操作员把操作台上的硬切换开关切换到“CCC控制”位置,由CCC S5 Duplex Vanguard系统进行机组的性能和防喘振控制。
f.CCC S5 Duplex Vanguard系统负责机组的正常停机,按照原GE RX7I PLC系统设计的停机参数来组态速度控制器,确保机组能安全停机,避免机组在临界转速区产生振动。当机组转速下降到暖机转速1 500r/min(1st暖机速度)时,CCC速度控制器产生一个跳闸信号,通过ESD信号输出到GE RX7I PLC系统进而跳闸停机。
g.GE RX7I PLC系统全面负责所有的安全联锁停机(如超速保护、振动/位移等),生产过程异常发出紧急跳闸停机信号的同时输出硬线连接的ESD信号(通断信号)到CCC S5 Duplex Vanguard系统,进而跳闸CCC速度控制器并全开防喘振阀(软件实现,非电磁阀硬件实现),通过ESD信号来确保两套系统的协调工作。需要注意的是,在开车过程中必须在30s之内达到100r/min以上,否则系统速度控制器将启动停机联锁。
3 使用效果
针对开车期间工艺的复杂性,CCC S5 Duplex Vanguard系统优化了喘振控制、性能控制和回路间的解耦控制,消除了压缩机的喘振威胁。尤其对于工艺装置开工初期的喘振,减少了低负荷下压缩机的回流量,消除了剧烈工艺扰动造成的压缩机入口流量突变和装置波动或停工。同时,为了克服装置运行中的工艺生产扰动,使用了入口压力限制控制、POC控制和出口压力POC控制,以防止由于工艺扰动造成入口分液罐和压缩机损坏,防止出口超压造成的工艺波动或停车[2]。CCC S5 Duplex Vanguard系统在确保透平机组与工艺流程可用性的同时,还可以将计划外的停车时间降至最小,即使在工艺扰动下,CCC S5 Duplex Vanguard系统的解耦控制、前馈控制及压力超驰控制等先进控制亦可增加工艺流程的稳定性。
原压缩机组防喘振控制系统在全循环状态时喘振点工作在非安全区内,开工时无法正常关闭防喘振阀,即使正常全负荷工作时,多数防喘振阀也无法全关,部分防喘振阀甚至有20%左右的开度,极大地消耗了装置的能源。为解决此问题,在查阅压缩机厂家基础设计文件的基础上,重新核算了每个流量测量元件的性能曲线、防喘振阀性能曲线和压缩机喘振线,对原曲线增加了折线点,保留了适当的控制裕度,并在确保机组设备安全的情况下,现场进行了实测喘振曲线,最终达到了全部关闭喘振阀和节能降耗的设计目标。
硬件开路检测功能能够判断现场回路是否故障,同时每个Conditioning Module中设有熔断器,使得每个信号回路都能够在线维护。由于系统采用的是在变送器输入失常后仍可继续运行的保退控制策略,因而可使系统的可用性和可靠性得到提高,降低了故障停机率。同时,在现场实践中每个I/O通道都可以进行仿真模拟(无现场信号时可由计算机输入仿真信号),即当机组运行过程中有现场信号故障而该信号未设置旁路开关时,模拟功能可以将该信号旁路维持机组运行,从而在线维修现场故障。在实际运行中维护现场仪表时,经常发生因测量孔板结焦而导致的流量下降,此时必须现场排放处理引压系统,以保证机组的正常运行。
制冷压缩机组控制系统改造投运后,全面提高了装置的自动化操作水平,实现了机组转速全自动升速控制,缩短了开工时间,减少了开车过程中的火炬放空。防喘振阀可以随工艺负荷和条件做自动调整,能够在开车初期即投入自动运行,并最终关闭,缩短了装置开工稳定的过渡时间,极大地减少了操作员的工作量。同时,全面提高了压缩机运行的可靠性,降低了机组和工艺的停车率。
4 结束语
制冷压缩机组防喘振控制系统自改造投运后一直运行平稳,该方案既充分利用了原GE RX7I PLC系统的硬件优势,节省了成本,又充分发挥了CCC S5 Duplex Vanguard系统在压缩机组防喘振控制技术方面的技术先进性。在工艺多次出现较大波动的情况下,系统能够自动开关防喘振阀门,无需人工介入,避免了装置非计划停车,且调试时间较短,简化了现场接线,提高了可靠性。实践证明,该系统改造方案功能完整、安全实用。
参考文献
[1]翁刚,李志峰,钟相奎.两台不同功率裂解气压缩机并联控制系统研究[J].石油和化工设备,2009,12(3):27~28.
防喘振控制方法 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
[1]郝点, 等.压缩机手册.北京中国石化出版社.书号:7-80164-303
[2]王书敏, 何可禹.离心式压缩机技术问答 (第二版) .北京中国石化出版社.书号:7-80043-545-8.2005年1月
[3]高可源.计算机控制技术.中央广播电视大学出版社.2001年2月
防喘振控制方法 篇7
首钢迁安钢铁股份有限公司2160热轧生产线有4座采用普通烧嘴的加热炉。正常生产时,每座加热炉都有2台助燃风机同时为加热炉提供助燃风,2台助燃风机根据风机出口风压调节入口百叶阀,百叶阀开度由风压调节PID程序设定相同的风压设定值,当2台助燃风机电流偏差较大时,只能由操作人员把2个百叶阀打到手动模式分别调节各自的开口度,以保证助燃风机的负荷平衡。2013年根据节能需要,先后改造2号炉和3号炉为蓄热式加热炉,每座加热炉仍配备原有的2台助燃风机,2号炉和3号炉之间用管道将4台助燃风机联通,2座加热炉之间用切断阀来实现联通与切断,这样便实现了多种组合方式的供风。风机配置如图1所示,2座加热炉的风机可以互为备用,也可以使用3台风机为2座加热炉供风,减少风机数量,达到降低能源消耗的目的。当选用不同的助燃风机组合进行供风时,需要考虑每台助燃风机之间的负荷平衡问题,平衡控制原理以电动机负载电流为依据[1]。为实现风机负荷的自动平衡,作者根据风机电流大小,编写助燃风机入口百叶阀开度补偿程序,实现所有联通在一起的风机的负荷平衡调节。
助燃风机是轧钢加热炉安全稳定运行的重要设备,为了使风机安全稳定运行,必须防止风机发生喘振。改造前,助燃风机没有检测喘振的程序,也没有自动避免喘振发生的程序,作者根据风机电流的变化,编写了喘振检测程序和喘振发生后让助燃风机离开喘振区域运行的自动程序。
1 助燃风机负荷平衡控制
2号炉和3号炉4台风机选型一致,规格参数如表1所示。助燃风机负荷平衡控制包括每座加热炉2台风机之间的平衡控制和2座加热炉连通后1台风机与另外2台风机之间的平衡控制。
(1)单座加热炉2台风机之间的平衡控制。风机控制过程中,通过HMI选择某1台风机为主风机,另1台则为从风机。从风机电流应接近主风机电流,当2台风机电流差超过±5 A时,认为主从风机负荷不平衡,这时需要调节从风机的百叶阀开度使其电流接近主风机电流。具体控制流程如下。检测助燃风机电流并对其进行滑动平均值滤波,分别得到滤波后的2台风机电流I1和I2,其差值ΔI=I1-I2不在±5 A之内时,认为负荷不平衡,这时平衡PI调节器输出1个入口百叶阀开度补偿值C。当选择1号助燃风机为主风机时,1号助燃风机入口百叶阀开度实际设定值为SV1=SV(SV为助燃风机出口风压PI调节器设定值),2号助燃风机入口百叶阀开度实际设定值为SV2=SV-C;当选择2号助燃风机为主风机时,1号助燃风机入口百叶阀开度实际设定值为SV1=SV+C,2号助燃风机入口百叶阀开度实际设定值为SV2=SV。根据偏差大小和偏差存在的时间不断调整C值,从而改变从助燃风机入口百叶阀的实际设定开度值,进而影响从助燃风机的电流使其接近主助燃风机电流值。平衡PI调节器设定值(2台助燃风机的电流差)为0,反馈值为ΔI,入口百叶阀补偿值的上、下限值为±15%,以防止其超出合理范围。
(2)2座加热炉助燃风机之间的平衡控制。当某台助燃风机发生故障需要维修时,或者为了降低电能损耗,2座加热炉可以减少1台助燃风机运行,即使用3台助燃风机为2座加热炉供风,这时需要把2号炉与3号炉之间的连通切断阀打开。2座加热炉连通后,为了满足加热炉供风压力稳定的工艺要求,对2座加热炉助燃风机入口百叶阀开口度的2个SV值进行高选,作为3台助燃风机入口百叶阀的设定值。为了简化程序逻辑,将2台助燃风机运行的那座加热炉中选择的主助燃风机作为3台助燃风机的主风机,其他2台从助燃风机的电流要接近主助燃风机的电流值,控制程序类似于单座加热炉2台助燃风机之间的平衡控制。
2 防喘振控制
通过电流监测及时发现风机是否发生喘振,并在助燃风机供风流量达到低值限值时自动打开热风放散阀,防止风机在低负荷时继续产生喘振。
2.1 喘振检测
由于喘振发生时风机电流会剧烈变化,所以根据风机电流变化就可以判断风机是否发生了喘振。风机发生喘振时的电流变化如图2所示。
用风机电流实际值减去其滑动平均值,差值小于-5 A或者大于5 A时,就可以认为其发生了喘振。滑动平均值采样周期设定为1 s,采样数为20。
2.2 防喘振控制
低负荷时助燃风机容易发生喘振,所以在程序中设置助燃风机供风流量低值限值为2台助燃风机同时工作时额定供风流量的25%,即58 000×0.25×2=29 000(m3/h)。根据助燃风机的实际供风量来调节空气放散阀的开度,确保助燃风机的供风量总是大于29 000 m3/h,以降低助燃风机发生喘振的概率。即使助燃风机发生喘振,喘振检测程序也会监测到喘振发生并报警,同时给定放散阀开度,使其迅速打开到全开位置,使风机离开喘振区域。
3 结束语
该方法自2014年1月投入使用以来,平衡控制程序运行良好,各风机之间的电流差能控制在±5 A以内。喘振检测程序应在风机启动30 s以后投入运行,以防止发生误报警,经前期调试后,各参数设定合理,能够及时检测到喘振的发生,并且可以快速离开喘振区。
摘要：针对2台或2台以上风机并联工作时风机负荷分配不均、防止风机发生喘振以及发生喘振后能及时检测到等问题,通过监测风机电流,对风机入口百叶阀开度进行补偿,使多台风机之间的负荷达到平衡;同时,实现风机喘振检测和防喘振控制。该方法 2014年1月投入以来,控制效果良好。
关键词：防喘振控制,负荷平衡,风机,加热炉
参考文献
防喘振控制方法 篇8
在国民经济的很多领域,特别是石油、石化、天然气、煤化工、动力和冶金等,广泛使用压缩机来输送气体和提高气体压力。
透平式压缩机是一种叶片式旋转机械,它利用叶片和气体的相互作用,提高气体的压力和动能,并利用相继的通流元件使气体减速,将动能转变为压力的提升。正是因为透平式压缩机的这个特点,不同段之间会因为气体压力和流量等工艺参数的瞬间变化而导致气体阻塞,引起压缩机轴温、轴振动、轴位移等参数剧烈变动,这就是压缩机的喘振现象,严重时会引起机组停车或损坏设备。合理的防喘振方案能有效保护机组远离喘振,为机组的安全平稳运行提供保障。
北京康吉森自动化设备技术有限公司(以下简称北京康吉森公司)提供的透平式压缩机的防喘振控制方案具有响应速度快、安全性高,能以最少的放空量或回流量防止机组的喘振,减少对工艺的干扰和能源的消耗等特点。其实现的主要功能有:通过防喘振线计算模块消除了分子量变化的影响;温度、压力补偿;任意折现函数;抗积分饱和;在喘振线附近进行控制;根据需要设置喘振控制快开线;安全裕度重校;可变增益;喘振预防;纯比例控制;快开慢关;电磁阀安全失电。
1 防喘振控制的基本原理和算法简介
1.1 防喘振控制基本方法
透平式压缩机发生喘振的原因有很多种,从实际应用中防喘振的原理来讲,主要有两类方式来避免压缩机喘振的发生:工艺介质压缩机的防喘振采取介质打回流的方法来避免入口流量的减小而引起的喘振;空气压缩机则采用放空的方式来避免出口压力过高引起的喘振。图1为透平式压缩机的防喘振示意图。
1.2 压缩机防喘振的控制原理
康吉森公司提供的防喘振控制功能,基于喘振线和控制线两条基本性能曲线,根据实际工况计算出当前工作点坐标、当前裕度、安全裕度、回旋裕度等关键参数,并根据这些参数的实时变化进行自适应计算得到防喘振PID功能块的增益和积分,从而进行PID计算,做为防喘振阀门的主要输出值。
防喘振控制示意图如图2所示,主要参数:
(1)压比:压缩机出口压力和入口压力的比值,是工作点的纵坐标的值。
(2)流量(%):流量的百分数,由当前流量经过温度压力补充后的流量与流量最大值的比值乘以100得到,是工作点的横坐标。
(3)工作点:由当前压比和流量(%)为纵坐标和横坐标所确定的点。
(4)喘振线:由压缩机厂家实际测定的一条折线,在图2中,工作点位于喘振线以左即表示发生喘振,工作点位于喘振线以右表示没有发生喘振。因此,工作点在喘振线以左区间时,防喘振阀门应该全开,从而保护压缩机设备不受损坏。
(5)控制线:由喘振线的横坐标加上总安全裕度后得到。控制线以右区域为安全区域,工作点在此区间,防喘振阀门要慢慢地关闭,直至全关;控制线和喘振线之间为防喘振区域,工作点在此区间时,防喘振阀门打开以便将工作点拉回到控制线以右。
(6)当前裕度:工作点的横坐标减去当前对应的喘振线横坐标得到的值,表示当前工作点到喘振线的距离。
(7)总安全裕度:控制线到喘振线的距离,正常情况下,防喘振控制总试图将工作点控制在控制线上,这是最节省能源的一种工况。
(8)回旋裕度:根据当前裕度和总安全裕度经过回旋点计算功能块得到,是防喘振PID的设定值。
(9)回旋点:由回旋裕度加上当前喘振线的横坐标得到,是工作点的下一个目标位置。
根据图2,一般都希望将工作点控制在喘振线以右,最佳位置在控制线上,但实际操作中,由于对安全性的考虑,能完全控制在控制线的情况很少,大多的时候都在控制线右边,并根据工况的变化而游动。
1.3 防喘振控制算法
北京康吉森公司为实现图2中的防喘振控制原理,用自己特定的功能块来实现各个参数的计算,并融入了先进合理的控制理念,形成了一套完整的防喘振控制算法,该算法的逻辑方块图如图3所示。防喘振算法由各个独立的功能模块组成,每个模块都有各自定义的功能,并通过输入输出变量与其它功能模块相互连接。
2 防喘振算法的功能实现
2.1 防喘振算法的功能
防喘振算法的功能:在工作点向喘振线窜动时及时打开防喘阀;如果喘振发生,喘振安全裕度可以自动调整;特殊的喘振控制器带有适应增益及快开/慢关响应等功能;比例调节功能可以“迫使”防喘阀独立于控制过程而打开;可选择手动控制帮助设定、测试和故障排除;当喘振逼近或透平跳车时,电磁阀触点输出可“打开”防喘阀。
2.2 主要功能块
(1)流量补偿功能块:将当前流量经过压力和温度的补偿后转换为设计工况下的流量值。流量补偿公式为:
式中,M_FLOW为补偿后的流量;MFLOW_max为变送器最大量程;H_pct由M_FLOW除以MFLOW_max后再乘100得到;Pfo为入口压力;Tfo为入口温度;Pfob为孔板设计压力;Tfob为孔板设计温度;P_abs_cor为绝压转换常数,通常为标准大气压值;T_abs_cor为绝压值,通常取273。
(2)工作点计算功能块:根据流量补偿功能块的输出M_FLOW和设计的温度与压力,计算出当前工况的工作点位置。计算公式:
式中,Hc_4为计算后的工作点,在图2中则表现为工作点的横坐标,其量程为0~100;补偿前的流量,Ps为入口压力,Ts为入口温度,MFLW_max为入口流量的最大值,Psb为性能曲线设计压力,Tsb为性能曲线设计温度。
(3)压比计算功能块:将出口压力和入口压力都转换为绝对压力后相除,得到的比值即为压力比,在图2中表现为工作点的纵坐标。计算公式:
式中,Pd为压缩机出口表压;Ps为压缩机入口表压。
(4)喘振函数功能块:用来将压缩机实测后得到的喘振线用折线函数的形式来表现,其输入变量为压比,输出变量为该压比所对应的在喘振线上的点的横坐标,即该压比对应的喘振点的流量(%)。
(5)安全裕度校正功能块:具有对安全裕度的校正功能,当工作点向左穿越喘振线,表明喘振发生,该功能块会自动增加安全裕度,使控制线向右移动相应的值;同时该功能块可以记录喘振发生次数累积值、安全裕度增加累积值;并具有人工复位功能,将累积值清零,控制线回到原来的位置。
(6)安全裕度计算功能块:计算初始安全裕度。该功能块的输出加上安全裕度校正功能块的输出则为总安全裕度。
(7)回旋点计算功能块:根据当前裕度和总安全裕度,计算出回旋裕度做为防喘振PID的设定值。该功能块保证了工作点在结构化的速率下接近和远离喘振线,使阀门的动作在PID的控制下更加具有连续性。
(8)自适应计算功能块:提供了一种适应性增益(积分)特性。当工作点在喘振控制线右方时,该特性减少了比例动作。当工作点在喘振控制线右方的操作裕度超过设定距离,则调用适应性增益特性。自适应的公式和原理图如图4所示。
(9)防喘振PID功能块:即防喘振PID控制器,根据自适应块计算适应性的增益和积分,测量值为当前裕度,设定值为回旋裕度,输出值为防喘振阀门的开度,PID作用方式为反作用。PID计算公式为:
式中,K为增益,是PID反应的速率;Reset为积分,是PID反应的频率,次/分钟;Error是测量值和设定值之间的偏差;Scan T是控制系统的扫描周期,s。
(10)超驰输出功能块:该功能块独立于正常PID控制器打开防喘阀。当工作点移到喘振控制线左方,而正常PID控制器无法提供足够响应,可能导致严重的过程失序时,则进入该阶段。即工作点进入喘振控制线及喘振线之间时,该功能块使防喘阀按纯比例打开。超驰功能块原理如图5所示。
如果当前的安全裕度为10%,那么工作点从安全裕度为7%到0%的过程中,该功能块输出为0~100%,在喘振PID的输出值比较小时,可以使控制更安全可靠。
(11)阀门输出选择功能块:具有阀门输出的选择功能,可以同时接受防喘振PID输出值、超驰输出值、手动输出值等阀门开度命令,并通过手自动模式来决定最终的阀门输出值的大小。全自动模式和半自动模式适合在正常工艺使用;全手动模式适合在压缩机停车时用于对防喘振阀门的调校。阀门输出的选择结果和手自动命令之间的关系如表1所示。
阀门选择功能块具有阀门开关速率设置参数,可以设置开阀和关阀的速度,从而起到快开慢关的效果。
(12)电磁阀控制功能块:根据当前裕度的大小提供电磁阀失电的合适时机,保证工艺在喘振发生时及时切断防喘振阀门的气路,使防喘振阀门全开,加强安全性。
2.3 防喘振控制画面
康吉森公司根据防喘振算法,合理利用各个功能块的搭配,利用安全控制系统TRICONEX TS3000进行组态,组态画面简洁清晰,易于操作。防喘振控制画面如图6所示。
画面提供手自动操作选择软开关、喘振复位软按钮和手动输出操作按钮。所有操作都实行二次确认,提高了系统操作安全性。
3 结语
该系统提供的防喘振方案和算法,反应快速准确,满足实际操作需要,为工厂的正常生产提供了高效安全的保障。
摘要：介绍透平式压缩机发生喘振的原因、防喘振的基本方法和防喘振控制的原理,并对该防喘振功能的实现进行了具体说明。