離心壓縮機串聯運行的控制方案研究與實現

雷躍強

(中國石油寧夏石化公司機動處,銀川 750026)

離心壓縮機串聯運行的控制方案研究與實現

雷躍強

(中國石油寧夏石化公司機動處,銀川 750026)

壓縮機串聯運行時,兩臺壓縮機之間相互影響,相互制約,操作和控制的難度大,為了保證非正常工況下的設備安全,應在安全儀表系統中制訂串聯壓縮機的安全保護方案,使位于下游的機組非正常聯鎖停車時,上游壓縮機的出口壓力及時釋放;透平的速度控制是串聯壓縮機的基本控制,轉速和抽汽兩個變量存在耦合,通過解耦控制可以實現透平轉速和抽汽壓力的獨立穩定調節。通過設置適當的喘振裕度,可以使控制響應有效克服擾動的影響,避免壓縮機發生喘振,又使循環閥的開度盡量小,達到能耗最小的目的。負荷平衡可以使兩臺壓縮機協調工作,擾動出現時,避免入口壓力和出口壓力大幅變化。采用流量控制方案可以使壓縮機的輸出流量保持穩定。

串聯;能力;防喘振;負荷分布

0 引 言

大型離心式壓縮機是化工裝置中常見的氣體加壓設備。離心壓縮機的性能曲線決定了其運行和操作中存在防喘振問題,防喘振控制和性能控制是大型壓縮機控制的核心問題,目前,單臺離心壓縮機的防喘振技術已經比較成熟[1]。

為了提高壓力,有時需要兩臺或多臺壓縮機串聯運行,串聯運行時,壓縮機之間相互影響,相互制約,操作和控制的難度大大提高,這為壓縮機控制提出了新的問題。

寧夏石化公司二化肥裝置CO2壓縮機組原設計能力為2.47×104m3/h,2005年由于裝置50%技改的需要,對機組動靜葉片進行了改造,增加了1臺 CO2增壓機組 K101A,由10 MPa的蒸汽背壓式透平驅動,增壓機將CO2的壓力(A)由105 kPa加壓到210 kPa,可使壓縮機的能力增加到4.3×104m3/h。新系統在裝置開車期間由于控制方案配置不合理,造成機組發生喘振、推瓦等事故,經過三年來的改進,CO2壓縮機組的保護系統和控制系統運行比較成熟,該文結合該公司實際的實踐對串聯運行的CO2壓縮機組的控制方案進行探討。整個機組的工藝和控制原理如圖1所示。

圖1 串聯壓縮機的工藝和控制原理

CO2壓縮機 K101是四段離心式壓縮機,由高壓缸(HP)和低壓缸(LP)組成,在二段和三段之間有齒輪箱,該壓縮機由抽汽凝汽式透平驅動。

CO2增壓機K101A是單段離心式壓縮機,該壓縮機由背壓式透平驅動。2臺壓縮機為串聯運行,在操作中必須使2臺機組的負荷處于同一個調速系,所以控制系統中必須實現2臺機組的協調動作,使2臺機組工作在良好的性能狀態,工作點和喘振線的距離同步,負荷處于同一水平是控制方案設置的總體目標。

1 控制系統概況

1.1 控制系統描述

聯鎖保護系統主要由三冗余的 ESD實現,機組外圍的設備由DCS控制,機組的核心部分由控制器控制,同時控制器、ESD和DCS通過Modbus協議實現通信[2]。

1.2 控制系統組成

控制系統由9臺控制器組成:3臺防喘振控制器;用于負荷分配的2臺性能控制器;2臺速度控制器;1臺主控制器;1臺抽汽控制器。

1.3 存在的問題

2臺壓縮機串聯運行后的主要挑戰來自2臺機組的相互影響,當 K101轉速降低或防喘振閥打開時,很容易使 K101A出口超壓,影響管道和機械的安全,最常見的故障是推力軸承燒損,俗稱推瓦;而K101A轉速上升或防喘振閥關小會使其出口的壓力上升,從而導致 K101入口超壓,進而二段出口超壓,安全閥起跳,威脅到裝置的安全運行。相反,K101A的轉速下降或防喘振閥打開時,K101的入口壓力降低,工作點靠近喘振線,如果這時防喘振控制器處于自動狀態,防喘振閥將自動打開,進而出現上一節所述的現象。

以上過程往往是在很短的時間內發生,操作人員手動調節非常困難,所以必須使2臺機組完全投自動,并協調動作。

2 安全保護方案

對于2臺串聯運行的壓縮機,除了常規的振動、位移、超速、油壓等保護措施外,為了在非正常情況下保護機組的安全,必須實施以下聯鎖。

2.1 出口壓力高聯鎖

防喘振閥HV-8162是 K101最重要而且動作最頻繁的控制閥,其大幅動作極易造成 K101A超壓,進而造成推瓦事故。而轉速波動是 K101超壓的另一個因素,為了在非正常情況保護增壓機的安全,必須設增壓機出口高聯鎖,當出口壓力(A)高于265 kPa時,增壓機聯鎖停運,主蒸汽速關閥關閉,防喘振閥打開[3]。

2.2 入口快速排放邏輯

當 K101A跳車時,K101必須聯鎖停車,而當K101停車時,K101A不是必須停車,但增壓機的出口沒有放空閥,當 K101停車時,增壓機的出口將壓力高聯鎖,為了實現 K101停車時,K101A不停車,可以將CO2從合成裝置的放空閥PV24A/B及時放空,通過兩個步驟可以實現該要求。

a)給防喘振控制器UIC-3設置壓力極限,當壓力(A)超過230 kPa時,通過快速的比例響應打開防喘振閥,使出口壓力迅速釋放,控制在聯鎖值以下。

b)將聯鎖邏輯改為當K101停車時PV24B的電磁閥失電打開30 s,以迅速釋放增壓機的入口壓力,并將PV24A的閥位在DCS中置于50%,操作模式改為手動,使操作人員可以根據壓力的情況適當地調節。

3 控制方案

3.1 速度控制

速度控制的首要目的是克服負載變化、蒸汽壓力變化等擾動,使轉速的測量值跟蹤設定值。

轉速的測量一般采用磁性探頭,每個透平配置7個測速探頭,其中6個為無源探頭,3個用于超速保護,3個用于控制;1個有源探頭,做為狀態監測的鍵相信號。與無源探頭相比,有源探頭可以測量到更低的轉速,只要是高于5 Hz的頻率信號,都可以被有源的轉速測量系統識別[4]。

調速器的執行器一般采用電液伺服機構,與氣動執行機構相比,液動裝置的穩定性更好,動作更迅速,K101A使用 Woodward的液壓伺服機構,速度控制器輸出20～160 mA的大功率信號,可以得到更好的控制精度,K101配置Voith的電液轉換器,速度控制器輸出4～20 mA的標準信號,但電液轉換器需要供電[5]。

速度控制的算法與常規的 PID算法基本相同,比例、積分、微分的控制響應 CRP,CRI,CRD如式(1)

式中 e——偏差;PB——比例帶;KI——積分常數;TD——微分常數。

壓縮機在低速時一般防喘振閥全開,出口壓力較小,所以負載非常輕,而在正常工作時轉速范圍一般在額定轉速附近,所以轉速對象的非線性特性非常明顯,速度控制必須采用非線性算法,用來克服速度對象的非線性。這種非線性是通過設置非線性的比例帶實現的,非線性算法如式(2)

函數 f1(N)和 f2(N)為自定義的分段函數,通過定義10個點將不同轉速的比例帶和積分常數分為9段,每一段都可以設置不同的比例帶和積分常數。當轉速控制波動大或偏差大時,只需對相應段的參數優化即可[6]。

3.2 抽汽控制

K101的透平是抽汽凝汽式的透平,其控制原理如圖2所示,該系統中存在2個輸入變量:抽汽壓力和轉速,2個輸出變量V1和V2,形成二階矩陣,2臺閥的相互作用:V1閥開大而V2閥閥位保持不變,將會使透平的輸出功率增加、抽汽壓力升高;V2閥開大而V1閥閥位保持不變,將會使透平的輸出功率增加、抽汽壓力降低;所以必須對2臺閥的控制進行解耦。解耦的方程如式(3)

式中 qm1——高壓段流量;qm2——低壓段流量; Mn——解耦系數,n=1～4;JD——功率要求; qmD——抽汽流量要求。

圖2 抽汽凝汽式透平的控制原理

圖3一般由透平的制造商提供,圖中定量地給出了功率、蒸汽、抽汽三者之間的關系。

圖3 透平功率—蒸汽—抽汽關系

3.3 防喘振控制

離心式壓縮機在正常工況時,氣體進入葉道的方向角基本上等于葉輪葉片的進口安裝角,這時不會出現氣體附著面層脫離的現象,但流量減小到一定程度時,氣體進入葉道的方向與葉片方向將發生較大的偏角,這樣在葉片的背面將形成渦流區,導致整個流道被堵塞,這樣壓縮機的出口壓力低于管網壓力[7],從性能曲線上表現為壓縮機的性能曲線存在頂點,這是離心式壓縮機的特性決定的。不同轉速下,頂點的連線形成了壓縮機的喘振線[3,8]。

該機組共有3個壓縮缸,每個缸必須配置1臺防喘振控制器,分別進行防喘振控制,循環閥HV-8162實際上被高壓缸和低壓缸共用,配置 FV-8201循環閥是為了防止高壓缸和低壓缸的喘振線不匹配,造成高壓缸的工作點遠離喘振線,而低壓缸的工作點已接近喘振線。為了使壓縮機不喘振,必須使壓縮機工作在喘振線的右側,所以,首先應該檢測并計算出壓縮機的工作點,計算工作點的通用方程如式(4)

式中 Ss——工作點,當Ss為1時,壓縮機工作在喘振線;f1——y象限的特性;f3——x象限的特性;f5——基本特性;K——喘振曲線常數;n——轉速;pd——排氣壓力;ps——入口壓力;Td——排氣溫度;Ts——入口溫度;Δpo——流量測量元件的差壓。

由于壓縮機的溫度變化較小,而且不同的壓比對應不同的轉速,因此壓比的變化也表征了轉速的變化。所以可將公式(4)簡化為公式(5)

式中 Rc——壓比。

為了便于表述,可以用圖4表示壓縮機在各種狀態下的控制線。不同的控制線將觸發不同的響應;如果工作點位于喘振控制線的左邊,將通過比例積分(PI)響應開大防喘振閥;相反,工作點位于喘振線的右側時將關小防喘振閥。當工作點位于階梯響應線的左側時將階梯打開防喘振閥,直到工作點回到階梯響應線的右側。當工作點位于安全保護線的左側時,控制器將使喘振線向右移動,這樣會使PI響應和階梯響應加快。右移的程度決定于喘振的次數。

圖4 簡化的喘振控制線

壓縮機制造廠提供了理論的喘振線,但實際安裝時會受到多種因素的影響,造成實際的喘振線偏離理論喘振線,其中影響最大的是管道配置和流量檢測元件,所以必須對喘振線實測,實測后將不要求流量計的準確性,只要求流量計的可重復性和信噪比。經過測試不同壓比條件下喘振工況對應的流量計差壓值,從而確定函數 f1的特性,根據計算出的Ss,控制器可以顯示壓縮機工作點和喘振控制線的偏差D EV值。在防喘振方案中,防喘振裕量b值是非常重要的參數,它決定了喘振線和喘振控制線的距離,如果b值太小,壓縮機在較小的擾動下將會發生喘振,如果b值太大,會使防喘振閥開度太大,造成能源的無謂損失。b值由公式(6)得到

式中 b1——基礎值,正常情況下 b=b1;b2——喘振次數對控制線的影響程度;b3——Ss的變化率對控制線的影響程度;r3——微分響應的死區。

CO2壓縮機組中3臺防喘振控制器的b1值設置見表1所列[9]。

表1 防喘振控制器的b值配置

3.4 負荷分配

3.4.1 方案選擇

負荷平衡一般有兩種方案:流量和壓力控制,壓力控制方案側重于壓縮機的性能控制,由于該裝置總體上氨和CO2不平衡,所以如果需要保證合成裝置的壓力控制閥不放空,只需將主控制器的壓力設定值低于合成裝置的壓力控制器的設定點即可實現。但如果合成裝置生產的CO2流量不穩定,將會使進入尿素合成系統的原料CO2不穩定,不利于系統的操作。流量控制方案可以更好地滿足尿素裝置對CO2流量穩定的要求,機組的流量控制和合成裝置壓力控制器相配合,當合成裝置生產的CO2多余時,PV-24A/B自動放空。為了兼顧壓縮機的性能控制,在主控制器上增加輔助極限控制,當壓力低于10 kPa時,優先控制壓力在設計范圍。

3.4.2 負荷平衡計算

負荷平衡的目標是使2臺機組的負荷相等,所以必須按公式(7)先計算出壓縮機當前的負荷值

式中 A——域選擇器;CVb——負荷平衡變量; f2A(Rc)——報告流量特性;f2D(IV P)——循環流量特性;f6——平衡變量特性;IV P——期望的防喘振閥閥位;S——相對于喘振控制線的喘振趨近度;qmr——循環流量。

負荷平衡變量一般有轉速或壓比兩種選擇,由于該項目在正常的工藝條件下,總的壓比是恒定的,所以選擇了轉速。式(7)由兩部分組成,前一部分是轉速的函數,后一部分是與喘振趨近度的比例關系,喘振趨近度與期望的閥位和壓比為函數關系。域選擇器由主控制器進行計算,參數來自負荷分配控制器,負荷分配控制器在自身所關聯的防喘振控制中去選擇Smax,主控制器再選擇最大的S并計算出A,如式(8)

式中 β6——低負荷門限;β7——高負荷門限。

圖5是負荷分配的域選擇。當 Smax小于β6時,A恒等于1,所以負荷的計算結果為轉速的一元函數;當 Smax介于β6和β7之間時,L由轉速和喘振趨近度組成;當 Smax大于β7時,A等于零,負荷的計算結果由最大的喘振趨近度決定。

圖5 負荷分配的域選擇

加入 f6僅僅是為了消除負荷對象的非線性,在防喘振控制器中設置,由于透平一般有4個左右的閥頭控制,造成中間段的線性不平滑,可以用分段函數對其進行修正。

由于在正常工況下,測得2臺機組出現喘振時的流量為2.67×104m3/h左右,而最小的投料負荷高于該流量,正常生產時防喘振閥可以關閉,負荷的計算可以進行簡化。一般情況下,S總是小于1,所以只要將β6和β7設置為大于1的值,L將僅僅是轉速的函數。

3.4.3 負荷的控制回路

主控制器將計算2臺負荷分配控制器L的平均值,然后報告給負荷分配控制器,負荷分配控制器將該平均值作為負荷的設定值,進行PID計算,計算的結果作為速度控制器的遠程給定。負荷分配控制器和速度控制器之間形成典型的串級控制回路。

4 結束語

負荷分配方案的制訂首先要考慮機組的安全運行,在保證機組性能的前提下,充分兼顧后續裝置對流量、壓力的穩定需要;方案應力求簡潔,充分運用常規的PID算法,輔以先進的算法,認真研究控制對象的特性,充分挖掘控制器的性能,可以使方案得以完善。

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Research and Implementation of Control Scheme for Tandem Centrifugal Compressors

Lei Yueqiang
(The Petro-China Ningxia Petrochem.Co.,Yinchuan,750026,China)

When the compressors are running in series,interactions and mutual constraints between two compressors made operation and control difficulty.In order to ensure equipments safety in the abnormal conditions,the security program should be developed in the tandem compressors safety instrument system so that when the compressor located downstream is shutdown abnormally by interlock,the outlet pressure of the compressor located upstream should release on time;the speed control of turbine is the basic control of the tandem compressors,there exists coupling between two variables:extraction steam and turbine speed,the independent and stable regulation of the turbine speed and extraction pressure can be achieved through the decoupling control.Through appropriate surge margin,control response can effectively overcome disturbances to avoid the occurrence of compressor surge,also make the circulation valve opening small,to achieve minimum energy consumption.Load balance allows the coordination operation of two compressors,avoids substantial change of inlet pressure and outlet pressure.The flowrate control scheme can make the output flowrate of compressor stable.

series;capability;anti-surge;load distribution

TP273

B

1007-7324(2011)01-0026-05

2010-11-30(修改稿)。

雷躍強(1972—),男,甘肅天水人,現工作于中國石油寧夏石化公司,任工程師。