大型空分裝置的空氣透平壓縮機自動控制

1、大型空分裝置的空氣透平壓縮機自動控制作者：趙陽 近幾年來，空分裝置的規(guī)模越來越大，內(nèi)壓縮流程已成為主流工藝。其配套的空氣壓縮機（包括內(nèi)壓縮用的增壓壓縮機）的規(guī)格也隨著增大，國內(nèi)原有的產(chǎn)品已難以滿足需要，因而大型空分裝置的透平壓縮機（包括增壓機）大部分從國外進口。我公司已經(jīng)進行了多套不同廠商的大型壓縮機的控制設(shè)計和調(diào)試，現(xiàn)將有關(guān)控制的情況和心得介紹如下。1、 控制原理透平壓縮機的基本控制要求是在保證安全平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的前提下充分利用壓縮機允許的工作區(qū)，讓機組工作在工藝要求的壓力和用量變化范圍內(nèi)（如變負荷時的調(diào)節(jié)和空分裝置吹掃時壓力和用量的調(diào)節(jié)），工況穩(wěn)定可靠，操作方便，自動化程度高。壓縮機的工作狀態(tài)盡

2、可能地對操作人員透明，便于分析和操作，有較長的歷史趨勢可查。2、 控制實施方法根據(jù)項目要求的不同，壓縮機可以有不同的控制實施方法，一般為以下兩種：（1） 壓縮機機組由機組自帶的控制系統(tǒng)（一般為plc）控制，采用通訊的方法，將機組的主要參數(shù)傳送到dcs，在dcs操作站上僅僅進行顯示，達到監(jiān)察的目的。這個做法的優(yōu)點是控制由廠商完成，一般比較成熟，設(shè)計聯(lián)絡(luò)工作量小，設(shè)計方風(fēng)險小。plc的掃描速度快，對保護有利。缺點是plc的安全可靠性不如dcs，人機界面較差，機組工作狀態(tài)對操作人員透明程度低，用戶難以深入了解和理解控制方案，現(xiàn)場修改困難，歷史趨勢記錄功能較差。有的廠商采用的是自己開發(fā)的控制器，而不是

3、通行的plc系統(tǒng)，其價格便宜，人機界面更差，且卡件損壞后購買困難，通訊故障也較多。（2） 壓縮機只配備必要的現(xiàn)場儀表、探頭和傳感器，現(xiàn)場不設(shè)機旁儀表盤，由中控室dcs控制整個機組（即我們所說的裸機進口方式），以充分發(fā)揮dcs系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢。該方法設(shè)計聯(lián)絡(luò)工作量大，由于外商提供的圖紙和資料常常不能完全滿足設(shè)計方的需要，因此該方法要求設(shè)計人員熟悉壓縮機的原理、性能和操作過程。由于控制由我方完成，因此控制方案可以在設(shè)計組態(tài)和調(diào)試過程中不斷修改，可以做得非常完善。特別是人機界面非常友好和清晰，對于好的dcs系統(tǒng)，可以做到控制線、喘振線、工作點、控制點和喘振點隨著各級入口溫度、機組入口和出口壓力的變化

4、自動補償并動態(tài)顯示（如圖1中的1、2、3點）。操作工對機組的運行狀況如工作點位置、控制點位置、喘振點位置一目了然，且對起動過程中過程各參數(shù)的變化心中有數(shù)。歷史趨勢記錄功能極強，便于分析起動過程和故障，實時修改控制參數(shù)或控制方案。與主壓縮機相比，增壓機與工藝過程聯(lián)系得更緊密，有些參數(shù)在調(diào)試過程中要經(jīng)常改動，所以增壓機的控制在中控室dcs系統(tǒng)上實現(xiàn)更為必要。中國空分設(shè)備公司成套的大型壓縮機的控制大部分采用這種方法。圖1 特性曲線圖3、 大型透平壓縮機的主要控制內(nèi)容31 基本控制根據(jù)空分工藝的要求，主壓縮機出口壓力往往采用恒壓控制（恒壓或恒流控制，究竟采用哪一種方式，還需進一步討論），內(nèi)壓縮流程中用

5、到的增壓機根據(jù)流程的不同或采用恒流控制或恒壓控制，這是機組最基本的工藝控制。其余的控制如防喘振控制、電機過載保護控制、起動和事故連銷保護控制等均是為了機組的安全運行而設(shè)。無論恒壓控制還是恒流控制，控制的第一對象都是入口導(dǎo)葉（電機拖動，轉(zhuǎn)速不變時）。見圖2和見圖3注：出口壓力測點在壓縮機考核完畢后，可采用空氣進空冷塔前的壓力測點。注：有的壓縮機廠商采用入口縮接處的壓差或電機電流來取代出口流量。在吹掃或工藝需要時，可以改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，很容易地獲得給定的壓力或流量，并使其始終處于自動控制狀態(tài)，防喘振控制回路不需做任何修改也始終處于，防喘振控制回路不需做任何修改也始終處于自動監(jiān)控狀態(tài)。32防喘振保

6、護控制如因操作不當(dāng)或設(shè)備管道故障，壓縮機會發(fā)生喘振，可能會嚴重損壞機組。因此防喘振控制是一個重要的安全控制，目的是使工作點始終處在限定的范圍內(nèi)，而不進入喘振區(qū)，以確保機組的安全運行。它的保護范圍為機組的整個工作范圍。它綜合考慮了壓力（壓比）、流量、加上入口溫度和各級間入口溫度的補償，形成了一個設(shè)定值。該設(shè)定值隨著上述各參數(shù)的變化而自動變化流量來調(diào)節(jié)。正常時放空閥（或回流閥）全關(guān)，由于某種原因，工作點進入控制線，放空閥（或回流閥）開始快速打開，流量嗇，使工作點又離開控制線。只要故障存在，工作點就始終在控制線左右移動，但工作點始終不會進入喘振區(qū)。故障消除后，工作點將離開控制線，恢復(fù)到正常位置。一般

7、來說主壓縮機防喘振控制的對象是放空閥，增壓機防喘振控制的對象是回流閥。3.2.1喘振的一般情況喘振時壓力和流量周期性大幅度變化，進一步可能會產(chǎn)生流量的反向，由此引起過大的軸振動，軸位稱和發(fā)熱，造成軸承、密封、葉輪和轉(zhuǎn)子的損壞。即使沒有明顯的危險發(fā)生，機組工作壽命和效率已降低。圖4是喘振時流量起伏周期變化的過程。由于排氣量的減少，工作點在特性曲線上由點1移至點2，排氣壓力升高，點2表明壓力達到了最大值，同時也達到穩(wěn)定極限。由于氣流的倒流，引起了由點2至點3的突然變化。流量方向的改變迫使排隊壓下降，工作點移至點4。此時由于葉輪處又達到了預(yù)先的工作狀態(tài)，一個突變又產(chǎn)生，工作點又移到點1處。如果沒有及

8、時的調(diào)整，喘振循環(huán)將再次開始。3.2.2 特性曲線族無論是入口導(dǎo)葉控制還是變轉(zhuǎn)速控制的壓縮機，基本上都有相似形狀的特性曲線，如圖5所示。3.2.3 防喘振控制概念對應(yīng)于某個工況，喘振可以用在任何時刻保證有一個最小流量來避免，否則必須打開放空閥或回流閥以補充這個流量差。防喘振保護控制也不能過早地動作，否則將引起能量的損耗，為此控制方案必須精心設(shè)計。從控制技術(shù)觀點講，最感興趣的是系統(tǒng)的動態(tài)特性。喘振發(fā)生得非?？?，目前還沒有在價格上可以接愛以的工業(yè)儀表來直接測量喘振，控制系統(tǒng)必須能識別喘振極限線有否被越過。為此，通常人為地在喘振線右側(cè)設(shè)定一條控制線，其形狀與喘振線一致，但與控制線相距5%8%的流量量

9、程值。該距離越小，放空閥打開的機會就越少，能量損失越少，但對控制系統(tǒng)、閥門的響應(yīng)時間要求越高。該距離越大，放空閥打開的機會就越大，越能保證機組的安全，但能理損失越大。當(dāng)空壓機緊急停車時，一般要求放空閥或回流閥從全關(guān)到全開的時間大約在1s2s，高性能的閥門大約在0.5秒。只要很少的開度就中以保證壓縮機恢復(fù)至穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)。從全開到全關(guān)，由于需要克服流體阻力約需10s，不能太快，以求平穩(wěn)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)選用數(shù)字式控制系統(tǒng)，如dcs系統(tǒng)、plc系統(tǒng)或單回路調(diào)節(jié)器。如用dcs系統(tǒng)，需注意掃描速度，與防喘振控制有關(guān)的控制回路的掃描時間應(yīng)盡可能得短（如250ms或更短），從安全的角度來講，也需適當(dāng)加大控制

10、線與喘振線的距離。如用plc系統(tǒng)，建議每一機組單獨用一個plc控制器，否則，如一個plc控制器控制的內(nèi)容太多，特別是模擬量處理太多，其掃描速度也將變得緩慢。在組態(tài)完后，要檢查掃描時間。在與國外壓縮機廠商第一次接觸時，他們往往會強調(diào)控制系統(tǒng)的掃描時間不大于50ms100ms ，但他們又承認dcs系統(tǒng)可以控制他們的機組。只要經(jīng)過討論，以下方案他們也會同意：在dcs系統(tǒng)上防喘振控制用的功能塊選用250ms掃描時間，并且適當(dāng)加大控制線與喘振線的距離（如采用8%）。多次實踐證明，這樣的考慮是成功的。各級入口溫度的變化對喘振線的位置有很大的影響，控制上必須考慮各級入口溫度和變化的補償。圖6為某一

11、壓縮機入口溫度對特性曲線的影響示意圖。入口溫度越高，喘振線越右移，壓縮機的工作范圍減小。入口溫度從-190c到+320c或者+420c，其影響可達百分之幾。特性曲線上可以定義出喘振線和控制線，這些特性曲線首先由壓縮機廠商給出理論曲線，在工廠試車或現(xiàn)場試車時再進行修正。有的廠商僅給出特性曲線圖及入口溫度補償公式，設(shè)計組態(tài)者要根據(jù)特性曲線及溫度補償補償公式自己綜合出一個公式；有的廠商直接給出特性曲線的公式，組態(tài)后在現(xiàn)場進行修改和調(diào)整。防喘振用的流量控制器的測量值來自出口流量變送器，它是一個外給定的調(diào)節(jié)器。外給定的值來自上述代表防喘振控制用的控制線的綜合公式，也就是說，該流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值是隨著入

12、口壓力和溫度、節(jié)間溫度、出口壓力和溫度的變化并按照一定的關(guān)系而變化。在工況正常時，工作點遠離控制線，如圖1中的點1，此時調(diào)節(jié)器迫使放空閥或回流閥關(guān)閉。當(dāng)由于某種原因流量變小，因為恒壓調(diào)節(jié)的作用，工作點將沿著圖1中虛直線向左移動，當(dāng)移過控制線上點2時，即防喘振流量調(diào)節(jié)器的測量值小于設(shè)定值時，該調(diào)節(jié)器開始有輸出，防喘振放空閥（或回流閥）開始打開；適當(dāng)調(diào)整該調(diào)節(jié)器的p、i參數(shù)，使調(diào)節(jié)器有大的放大倍數(shù)和靈敏的反應(yīng)能力，缺少的流量值可以瞬間得到補充，工作點向右移動，離開控制線，以保證工作點不進入喘振區(qū)。只要故障存在，工作點就在控制線上的這一點（控制點）左右來回移動；故障消除后，工作點向右移到工況需要流量

13、的正常工況點上。3.2.4防喘振閥的選型防喘振閥是防喘振控制的唯一執(zhí)行機構(gòu)，也是連鎖保護的重要機構(gòu)。在選型時要注意：（1） 在電磁閥失電時，閥從全關(guān)到全開的時間小于1s2s，最好是小于0.5s。僅僅將電磁閥裝于緊靠閥門膜頭處的方法不一定能達到這個要求。應(yīng)該在氣路上采取措施，使用大口徑的單向節(jié)流閥（注意該閥的動作壓力應(yīng)與閥門的膜頭控制氣信號一致，目前國內(nèi)可能還沒有這種規(guī)格的閥），且在閥門選型時最好選用反作用氣差式執(zhí)行機構(gòu)，以利用閥芯本身的重量加快閥門打開。（2） 閥的特性應(yīng)選用直線型。在防喘振調(diào)節(jié)器剛開始作用時，即閥處于小開度時，相對流量值的變化可大些，有利于喘振一開始就被快速地克服。（3） 認

14、真考慮好該閥門的允許差壓，即選好執(zhí)行機構(gòu)和通徑。（4） 正確選擇該閥門的匯漏等級（5） 閥門的通徑一般應(yīng)滿足全量放空的要求3.2.5流量孔板（或噴嘴）安裝注意事項我們認為對于作為單機購買的并采用中控室dcs系統(tǒng)控制的壓縮機，應(yīng)該配置流量測量用的儀表，如孔板或噴嘴（如文丘里管子）等，它用于單機試車和考核以及防喘振保護。但這樣的設(shè)置將增加阻力損失，能耗增加。如不設(shè)流量測量裝置，在簽定合同時，應(yīng)約定以后單機試車和考核的辦法。各個壓縮機廠商對流量孔板（有的廠商利用入口處變徑管大小兩端處的差壓，根據(jù)自身的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化成入口流量）的設(shè)置位置是不一樣的，有的設(shè)置在入口處，有的設(shè)置在出口處，有的不設(shè)流量測量元件而

15、用電機電流來代替。入口處設(shè)置孔板，孔板前后直管段的要求容易滿足，可避免由于安裝備件不滿足而引起的測量的偏差。但孔板尺寸相對較大，且由于內(nèi)部氣量的泄漏，不利于正確考核出口流量。出口處設(shè)置孔板，孔板相對較小且正確地反映了出口流量，利于機組的考核和驗收。但是特別要注意的是，由于是安裝在壓縮機的出口處，被壓縮的空氣流動狀態(tài)相當(dāng)紊亂，如孔板前后的直管段僅僅滿足較低的要求（如前10d后5d），孔板前后的差壓會有較大的波動，也即出口流量值波動較大，如不采取措施，甚至?xí)乐氐郊炔荒苓M行流量的考核，也不能進行防喘振的控制。壓縮機為了防喘振的需要，一般又對出口放空閥到機駔出口端的最大距離作出限制，以限制氣體容量。

16、利于氣體迅速放空，因此孔板的前后直管段基本上只能最大到17d左右。為了克服這個矛盾，建議在孔板直管段前嗇整流器，此方法對于穩(wěn)定氣流、減小孔板前后的差壓波動既經(jīng)濟又實用。用電機電流代表出口流量避免了上述流量測量的波動，測量值比較平穩(wěn)。但如無流量測量孔板，將無法直觀地了解機組的排出流量，無法進行機組的事實上考核。如采用空分裝置中的進冷箱的空氣流量孔板進行考核，單機考核時間要扒遲，且因為存在著空氣的切換損失和設(shè)計制造的責(zé)任界區(qū)爭工，這個方案實際可操作性很差。電機電流與排出流量存在一定的對應(yīng)關(guān)系，但對于一些特定的情況（如級間短路時）又不一定有對應(yīng)關(guān)系，此時又顯得不盡合理。供應(yīng)廠商往往不提供電流與流量的

17、關(guān)系圖，在dcs系統(tǒng)組態(tài)時將不能進行機組特性曲線的動態(tài)特性顯示，人機操作界面很差。3.3電機過載保護為防止電機過載，設(shè)置了電機過載保護。當(dāng)電機電流超過額定時值時，電機過載保護調(diào)節(jié)器開始與原出口壓力調(diào)節(jié)器同時迭加在一起，調(diào)整主壓縮機入口導(dǎo)葉的開度，保護電機不過載。對于組合式壓縮機（即主空壓機和增壓機組合成一臺壓縮機），因為增壓機的負荷只占壓縮機總負荷的小部分，所以電機過載保護只可調(diào)節(jié)壓縮機入口導(dǎo)葉。對于主壓縮機和增壓機各自獨立的機組，則主壓縮機和增壓機均應(yīng)設(shè)置獨立的電機過載保護。3.4出口壓力過高保護控制對于恒壓控制的壓縮機，當(dāng)由于某些原因，入口導(dǎo)葉開度的調(diào)整還不能使出口壓力穩(wěn)定在設(shè)計值而繼續(xù)升

18、高并達到某一值時，出口壓力過高保護調(diào)節(jié)器開始起作用，與原防喘振調(diào)節(jié)器一起調(diào)整放空閥（回流閥）的開啟保護出口壓力不再升高。增壓機同樣設(shè)置了出口壓力過高保護控制。3.5起動聯(lián)鎖邏輯只有在相關(guān)的工藝或機械條件全部滿足后，機組才能投入運轉(zhuǎn)，因此必須設(shè)置起動條件邏輯的判斷。在這個邏輯里，通常還包括了油壓聯(lián)鎖邏輯即副油泵的自動起動邏輯以及軸振動聯(lián)鎖在起動過程中的解除。我們通常應(yīng)用測振儀的報警三倍增功能，在起動過程使機組的振動或位移既在安全監(jiān)控范圍內(nèi)又能順利地渡過臨界區(qū)，完成起動過程。3.6停車聯(lián)鎖或卸載邏輯出現(xiàn)任何一個重要的工藝參數(shù)超限或機組故障時，將緊急停車，以確保機組的安全。事故停車后再起動時，必須經(jīng)

19、人工確認。停車邏輯的結(jié)果是電機停車，放空閥（或回流閥）快速全打開，主壓縮機入口導(dǎo)葉全關(guān)，增壓機入口導(dǎo)葉在最小位置。在空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)或分子篩純化系統(tǒng)發(fā)生故障時，聯(lián)鎖的動作是卸載，即放空閥（或回流閥）全開，主壓縮機和增壓機入口導(dǎo)葉均在最小位置（注意：不是全關(guān)位置），電機不停車。機組正常停車的卸載、卸壓和停車操作由操作員在中控室dcs上實現(xiàn)。3.7機組的自動起動大部分機組的起動采用由操作工手動操作入口導(dǎo)葉和放空閥（或回流閥）再操作輸送閥的方式。但有的用戶或機組廠商為了盡可能地避免人為的操作，即避免誤操作、減小操作強度，要求采用自動起動機組的方式。在自動起動時不允許人為操作，僅當(dāng)起動完成或機組已投入

20、正常運行后，操作工可以進行卸載、卸壓的操作，即：入口導(dǎo)葉只能在原來的開度基礎(chǔ)上進行關(guān)小操作，放空閥（回流閥）只能在原來的開棄基礎(chǔ)上進行開大的操作。在操作時，有時確實會發(fā)生極偶然的誤操作，限制操作長只能向安全方向操作是有實際意義的。機組自動起動包括主壓縮機的自動起動，主壓縮機在卸載后的自動恢復(fù)（加載）境壓機的自動起動和增壓機在卸載后的自動恢復(fù)（加載）?，F(xiàn)在以云南銅業(yè)股份公司16000m3/h空分裝置的復(fù)合型空壓機為例，介紹自動起動的技術(shù)參數(shù)。機組不設(shè)機旁控制柜，由中控室dcs控制系統(tǒng)實現(xiàn)全自動起動，即在電控柜按下同步電機起動按鈕，電機由變頻起動器起動，在規(guī)定的時間達到同步轉(zhuǎn)速，起動完畢并發(fā)出允許

21、加載信號后，壓縮機自動開始加載。根據(jù)空分裝置的工藝要求，機組的出口壓力采用了定值控制，即主壓縮機出口壓力控制在4.905bar，增壓機出口壓力控制在9.505bar?？辗稚a(chǎn)需要的流量由調(diào)整主壓縮機的送氣閥和增壓機的送氣閥的開棄來調(diào)節(jié)。3.7.1自動起動的工藝技術(shù)參數(shù)（1） 自動起動時間：約6分鐘（2） 自動起動控制的對象：1、主壓縮機的入口導(dǎo)葉和出口放空閥；2、增壓機的入口導(dǎo)葉和出口回流閥（3） 自動起動開始時控制對象的位置：1、主壓縮機的入口導(dǎo)葉全關(guān)；2、增壓機的入口導(dǎo)葉開棄30%；3、主壓縮機的出口放空閥、增壓機的出口回流閥全開；4、主壓縮機和增壓機的送氣閥全關(guān)，增壓機的入口氮肥氣（或空

22、氣）達到設(shè)計需要的壓力。（4） 自動起動結(jié)束后控制對象的位置：1、主壓縮機入口導(dǎo)葉開棄約32%；2、主壓縮機放空閥開棄約78%；3、增壓機入口導(dǎo)葉開度約40%。4、增壓機回流閥開度約68%。（5） 正常運行后控制對象的調(diào)節(jié)范圍：1、主壓縮機入口導(dǎo)葉開棄20%100%，放空閥開度0100%；2、增壓機入口導(dǎo)葉開度40100%，放空閥開度0100%。（6） 自動起動結(jié)束后的工藝參數(shù)：1、主壓縮機出口壓力為設(shè)計設(shè)定值4.905bar，流量65000m3/h；2、增壓機出口壓力為設(shè)計設(shè)定值9.505bar，流量為15000m3/h。3.7.2壓縮機自動起動后向空分裝置送氣的操作以主壓縮機為例說明（增壓機過程相似）壓縮機在自動起動完成后，應(yīng)向空分裝置送氣。此過程為手動（空壓機輸氣閥遙控）打開向空分送氣的閥，這個過程應(yīng)當(dāng)非常緩慢。由于壓縮機的各個回路均在自動狀態(tài)，在輸氣閥從開棄為0到約18%期間，該閥打開一些，流量調(diào)節(jié)器的輸出會減小一些，放空閥也會自動地關(guān)小一些。因此操作工只要慢慢開大輸氣即可，氣體會慢慢流向空分，直至放空閥關(guān)閉。此時流量約為65000m3/h，并且壓縮機出口壓力始終保持穩(wěn)定。繼續(xù)開大閥，壓縮機輸出