內壓縮流程制氧機自動控制系統的研究

胡述龍

（南陽理工學院，南陽 473000）

0 引言

內壓縮流程是制氧生產的關鍵設備，但其存在穩定工作區域窄及容易發生喘振等問題，其中喘振對壓縮機的危害極大，必須配備控制系統來防止喘振的發生[1]。隨著計算機控制技術的發展，防喘振的控制手段和控制品質都得到了提高，但防喘振控制還存在大量氣體放空導致的能源浪費及控制回路單一導致的控制質量不好等問題[2]。

針對某新型雙導葉離心式內壓縮流程制氧機生產中存在的控制難點，本文提出了一套綜合控制策略，即采用自適應動態干預控制改進了常規的基于PID控制的防喘振算法，建立了多重防御體系，抑制了喘振的發生；同時采用最小二乘曲線擬合方法求得了雙導葉隨動專家經驗公式，實現了雙導葉的協調動作。

1 自適應PID防喘振控制

離心式壓縮機雖然有體積小、流量大、調節性能好、控制氣量的變化范圍廣等優點，但它也有本身固有的喘振、軸向推力、軸振動等不足，需要設計合理的系統對喘振進行控制及實現連鎖保護[3]。

通過一定的數學推導，可以得到如下的離心式壓縮機制氧裝置的近似喘振曲線：

其中，p2為離心式壓縮機出口氣體壓力；Δ p1為離心式壓縮機入口氣體壓差；a與b為與離心式壓縮機工作參數相關的常數。這樣在p2-Δp1關系圖上可用一條直線來近似描述離心式壓縮機的喘振曲線，為保證壓縮機工作在安全區，其工作點首先應滿足不等式 p2＜ a + bΔ p1，再保留一定的安全裕度8%～15%，這樣便可適當的選取系數a和b的獲得滿意的防喘振效果。

實際應用時工業現場工況的影響因素眾多，根據一條防喘振線進行常規的PID控制算法往往難以適時有效地預防和抑制喘振的發生，需要采用多種控制方式建立多重防御體系(如圖1所示)以提高控制系統的適應性和魯棒性。

圖1 喘振自適應多重防御示意圖

壓縮機喘振自適應多重防御體系中的6條線把控制區域分割成6個區域根據壓縮機當前的工作點位置自適應地進行控制，基于此構建的的離心式壓縮機喘振自適應控制系統的控制框圖建立如圖2所示。

圖2 喘振自適應控制系統框圖

壓縮機喘振自適應控制系統工作原理如下：1）喘振控制線L4是防喘振控制器的基準線將壓縮機喘振線L1右側的區域劃分為控制區和安全區，調控時基于壓縮機實際工作點根據PID運行結果減小或增加防喘振閥的開度以使工作點回到控制線L4。2) 緊關線L5右側為“絕對安全區”，壓縮機工作在該區域時控制器輸出電流大于額定值強制防喘振閥完全關閉，而當壓縮機的工作點左移時控制器首先將輸出信號跳回額定值，然后再實施正常的控制作。3) 設置快速響應線L3作為非線性控制方式的起動線，即根據測量與給定偏差的大小和方向來改變PID對偏差信號的調節增益，以實現非線性自適應控制。4) 釋放線L2使防喘振控制系統可以通過檢測控制偏差的減小速率來判斷工作點的左移速度，進而階躍性地減小輸出信號以增大氣體流量，梯度性地讓壓縮機脫離喘振危險。5) 控制器檢測到壓縮機工作點移至保安線L6的左側，即已發生喘振時立即將控制線L4向右移動適當距離以抑制喘振再次發生，并發出報警信息以提醒操作人員查找并排除喘振原因，然后再將控制線復位到初始位置。

同時所設計的離心式壓縮機防喘振控制系統還設計了許多安全措施以防止壓縮機正常投運和報警狀態下人為因素給壓縮機帶來危險。

2 雙導葉隨動專家控制

所研究內壓縮流程制氧機的空氣壓縮機由于在一級壓縮吸入口和二級壓縮吸入口都裝有入口導流葉片，如果兩個導葉的開度匹配不好，便會導致壓縮機吸入氣流不順、功耗上升及效率下降，嚴重時甚至會造成壓縮機喘振或極端情形導致機械損壞。投入使用初期，該兩級入口導葉開度的調整都是由現場操作人員手動進行，這不僅導致人員的勞動強度大，而且經常出現兩個導葉的開度匹配不好的情況，這些都嚴重影響了工廠的生產效益。

通過認真分析壓縮機歷史操作數據(如圖3所示)，可以發現這些數據近似分布在一條直線上下，從而考慮通過最小二乘法擬合出了操作曲線。

圖3 一、二級入口導葉開度經驗數據散點圖

具體地，可根據歷史數據構建如下的擬合方程組求取一、二級入口導葉開度匹配的線性函數關系式系數a與b：

其中，xi與yi分別為一、二級入口導葉IGV1與IGV2的開度數據。代入該壓縮機已積累的歷史經驗數據得到兩者的函數關系為y=27.83+0.71x，這樣構建如圖4所示的離心壓縮機雙導葉隨動專家控制系統。

雙導葉隨動專家控制系統可使壓縮機吸入氣流順暢、使壓縮機的能耗穩定在較低的水平、同時也大幅度降低了能耗波動與提高生產的自動化水平。

圖4 雙導葉控制系統框圖

3 現場控制系統調試結果分析

現場雙導葉離心式壓縮制氧機控制系統由PCS7 DCS、Profibus現場總線、ET200M遠程I/O等硬件組成，控制系統軟件采用PCS7軟件包，提供有CFC、LAD、IL、SFC等圖形化組態手段和WINCC6.0監控軟件。由于各種調節閥門、導葉執行機構等，一般都接收4～20mADC標準信號。我們在其定位執行器輸入端加入標準的4mA、8mA、12mA、16mA及20mA模擬量控制信號，通過觀察相應裝置是否對應0%、25%、50%、75%、100%的開度而判斷其工作的正確性，從而研究所設計控制系統的有效性。

現場離心式壓縮機制氧機組有100多個受控閥門，這樣調試時記錄的數據很多，受篇幅限制，在此僅列出了氧氣流量調節閥FV200A的調試記錄數據如表一所示。可見本文所設計的PID自適應控制方案較常規PID控制方法能更好地跟蹤調節信號，能夠更好地抑制離心式壓縮制氧機出現喘振現象。

表1 氧氣流量調節閥FV200A的調試記錄數據

圖5 壓縮制氧機升壓曲線

傳統操作人員手動與雙導葉隨動專家控制兩種情況下雙導葉離心式壓縮制氧機升壓過程如圖5所示，圖中紅線和紫線分別表示壓縮機的出口壓力和驅動電機電流。可見采用人工手動調節兩個導葉進行升壓時壓縮機的出口壓力曲線和電機電流曲線波動較大，而采用雙導葉隨動專家控制后出壓縮機的出口壓力曲線和電機電流曲線都比較平滑穩定，壓縮機的能耗和工作穩定性大為改善。

4 結束語

針對內壓縮流程制氧機喘振及雙導葉開度調節問題，本文改建立了自適應多重防御控制系統，使得控制器反應更加迅速，能夠更快和更有效的防止喘振的發生，且節能效果明顯；采用最小二乘曲線擬合方法得到了雙導葉隨動專家經驗公式，實現了雙導葉的協調動作、節約了能源、降低了人員勞動強度。工業現場實用表明所研制的內壓縮流程制氧機自動控制系統性能穩定，控制效果良好。

[1]李方濤,李書臣, 蘇成利, 等.離心式壓縮機防喘振控制及故障診斷系統研究與應用[J].化工自動化及儀表,2011,38(5):589-592.

[2]阮榮波.離心式壓縮機的調節控制系統[J].中國石油和化工標準與質量,2012,33(13):65-66.

[3]李永生.離心式壓縮機的抗喘振控制[J].大氮肥,2009,32(3):177-180.