空壓机的防喘振控制.docVIP

马钢30000Nm3/h制氧空压机的防喘振控制 2009-07-02王胜利张瑜峰 (马鞍山钢铁股份有限公司 243011) 1 前言 ? ??马钢30000Nm3/h制氧空分装置选用的是SI-EMENS公司的离心式空气压缩机，机组的排气量为165000Nm3/h，出口压力为0.62MPa(实际工况为0.52MPa)，电机功率15000kW，电机转速1000r/min。机组的监控系统采用日本横河公司的CEN-TUMCS3000 DCS系统，主要由过程控制器FCS、工程师站WS和操作站HIS等构成。FCS完成数据采集、数据处理及现场设备的控制等功能；工程师站WS与操作站HIS主要完成编程组态、数据处理、实时监控、报警及报表处理等功能。空压机是整套空分装置的动力源泉，因此，空压机的安全平稳运行是一项非常重要的指标，而影响此指标的极大危害因素就是空压机的喘振。空压机的防喘振控制是空压机整个控制系统中的核心部分，控制复杂，控制精度要求高。 2 空压机喘振的成因 ?? 喘振是离心式压缩机特有的现象，可以从图1的特性曲线简单分析一下喘振的周期。压缩机运转过程中，随着负载的逐渐增加，出口压力逐渐升高，流量逐渐减小，压缩机运行点由D点沿性能曲线逐渐上升到喘振极限A点；随后，压缩机出现负流量即出现倒流现象，运行点由A点开始到B点，倒流到一定程度时，压缩机出口压力逐渐下降，运行点从B点到C点，然后又恢复到正向流动C点到D点。这样，气流在压缩机中的来回流动就是喘振。伴随喘振而来的是压缩机振动剧烈上升、响声巨大异常等，如果不能有效控制，会给压缩机造成严重的损伤，当发生喘振时，需采取措施降低出口压力或增大机组流量，尽量缩短喘振时间。通过对流量、压力的调节使机组避开这一区域运行，实行防喘振控制。 图1 压缩机喘振特性曲线 3 空压机喘振的危害 ??? 喘振对压缩机的危害极大，主要表现在以下几个方面： ??? (1)使机组性能显著恶化，出口压力和流量大幅波动，破坏了空分装置系统的稳定性。 ??? (2)使机组各部件承受过高的动应力，加速轴瓦、轴承等滑动部件的机械磨损。尤其对推力轴承产生冲击力，破坏润滑油膜的稳定性，使轴承合金产生疲劳裂纹，甚至烧毁。 ??? (3)压缩机连续发生喘振消耗额定功率近40％，大部分转变为热量使其内部结构承受高温，造成部分零部件烧毁变形、密封元件损坏、推力瓦烧毁等，使各级之间压力失常，振动加剧。 4 防喘振控制 ??? 压缩机的防喘振线是在现场试车过程中实测出来的，该空压机的特性曲线和喘振曲线见图2。 图2 空压机特性曲线和喘振曲线 ??? 为防止喘振发生，防喘振控制算法在喘振停车线A右边设置了一个可变的安全裕量，这样就可以在运行点达到喘振停车线A之前开始动作，增加压缩机的流量。也就是在喘振停车线A的右侧增加一条防喘振控制线C，其形状与喘振停车线A一致，且与喘振线A相距10％的差压量程值。同时为了更好地保护好机组，在喘振控制线C与喘振停车线A之间又加设一条喘振安全线B(与喘振停车线A相距2%的差压量程值)。该距离越小，放空阀打开的机会就越小，能量损失越少，但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。该距离越大，放空阀打开的机会就越大，越能保护好机组安全，但能量损失变大。 ??? 当压缩机运行在喘振控制线C右侧，防喘振阀完全关闭；当压缩机运行点即将到达防喘振控制线C时，防喘振算法设计为打开防喘振阀，当运行点缓慢移动时，防喘振控制将以PID回路控制防喘振阀，使运行点保持在非喘振区域。当工况发生恶化，运行点进一步移动到喘振安全线B时，防喘振控制程序将输出一阶跃信号，使放空阀的开度递增20％，增加压缩机的循环量，使机组快速远离喘振区；如果运行点停止移动，控制信号将以指数函数慢慢关闭阀门，直到进入PID控制。 ? ??在防喘振控制中采用了多段折线代替直线的防喘振线，使喘振控制线C几乎与喘振停车线A平行，这样，最大限度地扩展了压缩机的安全运行区域，减少了采用单参数控制仅是一条直线而造成的不必要的回流，从而节约了能源。 ??? 该系统具有手动/自动的无扰动切换功能，当控制器处于自动模式时，控制器的输出按照设计好的防喘振控制程序计算结果执行，这时，手动值完全无效。当防喘振控制处于手动模式时，控制程序可以自动检测操作员送来的信号，并实时与防喘振的程序计算结果进行比较。如果发现操作员的操作将导致错误的发生，控制程序则不接受操作员的操作，以保证机组的安全运行。所以，如果手动模式下，现场操作员发生手动操控失灵的情况，并不一定是系统错误，完全可能是系统在避免操作上的失误。 ??? 在调试过程中，对部分控制方案实施进一步优化，在防喘振控制线上设定边界死区，这样当工作点向左缓慢移动，到达防喘振控制线附近但没有越过。或越过很少后又自动返回时，如果控制参数设置的比