蒸汽壓縮機控制優(yōu)化方案

蔡翠平

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

蒸汽壓縮機控制優(yōu)化方案

蔡翠平

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

針對壓縮機工作區(qū)域窄，容易出現(xiàn)喘振、液擊和跳車等情況，采用了入口導(dǎo)葉開度、出入口壓力、入口溫度的多參數(shù)防喘振控制方案；在壓縮機出口增加回流管線，通過過熱蒸汽回流控制方案，避免了液擊的發(fā)生。并對開停車聯(lián)鎖進行了改造，經(jīng)過反復(fù)試驗及開車證明： 修改后的方案邏輯嚴(yán)密,壓縮機運行穩(wěn)定。

蒸汽壓縮機 防喘振控制 過熱蒸汽 性能曲線

蒸汽壓縮機是熱回收系統(tǒng)提高蒸汽壓力的關(guān)鍵設(shè)備，具有流量大、體積小、運行效率高等優(yōu)點。但是，蒸汽壓縮機也存在一些缺陷，例如穩(wěn)定工作區(qū)域窄，容易發(fā)生喘振；蒸汽易液化，含水氣流對葉輪沖擊較大。針對壓縮機容易出現(xiàn)喘振的情況，不同于傳統(tǒng)的流量單參數(shù)控制系統(tǒng)，優(yōu)化方案中的蒸汽壓縮機控制系統(tǒng)采用入口導(dǎo)葉開度、出入口壓力、入口溫度等多參數(shù)進行防喘振控制，規(guī)避了流量對前后直管段要求高、測量精度低的問題，改善了防喘振品質(zhì)，節(jié)省了成本和調(diào)節(jié)空間。針對液擊現(xiàn)象，在壓縮機出口增加1條回流管線，通過過熱蒸汽回流控制方案，使進入葉輪的氣體為干飽和蒸汽，避免了液擊的發(fā)生。另外，該蒸汽壓縮機形成了一套完善的開停車系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機組的有效、協(xié)調(diào)控制。

1 壓縮機組的基本組成及檢測保護

某天然堿項目蒸汽壓縮機入口流量為117 t/h， 主要為汽提濃縮裝置提供生產(chǎn)過程所需的蒸汽，壓縮機工藝流程如圖1所示。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由蒸汽系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、密封系統(tǒng)四個單元組成，主要設(shè)備有壓縮機、主電機、齒輪箱、輔助油泵、油加熱器、油過濾器等。

為保證壓縮機組的穩(wěn)定和安全運行，在關(guān)鍵點設(shè)置了檢測和保護。比較典型的需要檢測和保護的工藝環(huán)節(jié)如下：

1) 氣路系統(tǒng)的監(jiān)測控制。如入口蒸汽溫度(t1)、入口蒸汽壓力(p1)、蒸汽回流溫度(t11)、出口蒸汽壓力(p2)的報警和聯(lián)鎖，防喘振閥(ASCV)、過熱蒸汽控制閥(SHS)及入口導(dǎo)葉閥(IGV)的控制和檢測。

2) 離心壓縮機組的機械保護。如軸向位移、機械振動、軸承溫度的監(jiān)測及保護。

3) 離心機組的溫度保護。如供油壓力控制報警、供油溫度控制報警、過濾器壓差報警、油箱油溫控制。

2 壓縮機防喘振控制

2.1 喘振產(chǎn)生的原因

喘振是離心式壓縮機的固有特性，即當(dāng)壓縮機的入口流量小于極限流量時，氣體的輸送將出現(xiàn)強烈的振蕩，帶動壓縮機機身強烈振蕩，嚴(yán)重的可能造成事故。防喘振的效果直接影響了壓縮機的正常運行和使用壽命。

圖1 壓縮機工藝流程示意

2.2 防喘振的幾種實現(xiàn)方法

防喘振的常規(guī)做法主要包括：

1) 打開放空管線上的放空閥將壓縮機出口氣體排向大氣。

2) 打開回流管線上防喘振閥讓壓縮機出口氣體回流。

相比而言，采用回流閥的控制方案，在降低出口管線壓力的同時，增大了壓縮機的入口流量，避免喘振發(fā)生的同時也避免了能量浪費，是離心式壓縮機防喘振控制的推薦方案。

2.3 防喘振控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)做法

防喘振控制的方法就是通過控制回流閥使壓縮機性能曲線在喘振控制線以下，喘振線對應(yīng)壓縮機穩(wěn)定運行的最小流量極限，為避免出現(xiàn)喘振，將喘振線右移5%～10%，形成喘振控制線。文中壓縮機性能曲線是通過對同一轉(zhuǎn)速下測得的不同點進行曲線擬合，進而得到該轉(zhuǎn)速下的性能曲線。同理，直接通過實驗測得若干喘振點，然后將其擬合為喘振線。

早期的離心式壓縮機通常采用單參數(shù)控制系

統(tǒng)，防喘振回路由流量指示控制器控制旁通閥，當(dāng)管網(wǎng)流量不大于最低流量時，開啟回流閥，使部分氣體回流到壓縮機入口管線，增加通過壓縮機的流量。該類防喘振系統(tǒng)存在兩方面的問題： 由于控制回路是簡單的模擬量回路，有很多因素?zé)o法考慮；流量計對前后直管段要求高，因為空間因素很難滿足，流量測量存在精度不高的問題，所以影響了防喘振效果。

2.4 防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)壓縮機的性能曲線與進口壓力、溫度等因素的關(guān)系，采用數(shù)字多參數(shù)控制系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的防喘振控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要通過控制出口壓力來控制喘振，其控制流程如圖2所示。

喘振界限與導(dǎo)葉閥開度有直接關(guān)系，采用多項式差值擬合可以近似得出壓縮機的喘振線，喘振極限的表達式為

Ymax=Az4+Bz3+Cz2+Dz+E

(1)

式中：Ymax——最大壓縮能量頭，J/kg；z——入口導(dǎo)葉閥開度；A，B，C，D，E——參數(shù)。

圖2 防喘振控制流程示意注： t——防喘振控制閥的關(guān)閉時間

壓縮機性能曲線與入口蒸汽溫度t1,p1,p2的表達式為

(2)

式中：Y——壓縮能量頭，J/kg；T1=t1+273.15， K；K2，EXP——參數(shù)。

利用最小二乘法進行多項式擬合，用Matlab編程可以得出喘振線和性能曲線參數(shù)，優(yōu)化后的喘振線如圖3所示。

圖3 喘振臨界曲線示意

實踐證明： 通過出入口壓力、入口溫度的多參數(shù)防喘振控制系統(tǒng)簡單可靠，節(jié)省成本的同時節(jié)省了空間，大幅提高了防喘振效果。

3 壓縮機過熱蒸汽控制系統(tǒng)

如果吸入壓縮機蒸汽溫度過低，容易產(chǎn)生液滴，對葉輪造成損壞。過熱保護系統(tǒng)主要通過保證入口蒸汽溫度高于飽和蒸汽溫度3℃，防止吸入壓縮機的氣體帶液。控制系統(tǒng)采用PID控制，以Δt=t1-ts為被控變量，對過熱蒸汽控制閥SHS進行調(diào)節(jié)，其中,ts為入口壓力對應(yīng)的飽和溫度，計算公式如下：

ts=2.82p1+71.262

啟動壓縮機時，SHS閥開度設(shè)定在40%；壓縮機正常運行后，過熱保護控制投入使用，當(dāng)Δt>3℃時，回流閥關(guān)閉，當(dāng)Δt≤3℃時，回流閥打開以保證溫差大于3℃。

4 壓縮機的自動啟停

為了避免誤操作、減少操作強度，該蒸汽壓縮機采取了自動啟動機組的方式。同時，為確保機組故障或者上下游工段異常的情況下，能自動安全停車同時避免不必要的誤動作造成的停車，設(shè)置了聯(lián)鎖停車系統(tǒng)。機組的自動啟動和正常停車在中心控制室DCS上實現(xiàn)。

4.1 壓縮機自動啟動系統(tǒng)

4.1.1 壓縮機自動啟動順序

壓縮機啟動是順序操作過程，當(dāng)相關(guān)的工藝和機械條件全部滿足后，機組允許啟動。壓縮機啟動的過程中，輔助油泵和主電機啟動的先后順序、防喘振控制和過熱蒸汽控制何時激活、導(dǎo)葉閥的開度設(shè)定是關(guān)鍵所在。該蒸汽壓縮機的自動啟動過程如圖4所示。

4.1.2 對壓縮機自動啟動的幾點說明

針對壓縮機啟動過程中容易反復(fù)跳車的情況，進行了以下優(yōu)化措施：

1) 在啟動的過程中，機組的振動和溫度、入口溫度、蒸汽回流溫度報警聯(lián)鎖值提高，避免了因為開車過程中的振動和溫度過高引起的停車。

2) 主電機啟動時，防喘振閥和過熱控制閥設(shè)定在一定開度，主電機啟動之后，防喘振控制和過熱蒸汽控制開始投入使用，這樣既避免了防喘振和過熱蒸汽過早啟動會增加能量的消耗，也保證了控制可及時投入運行。

圖4 蒸汽壓縮機的自動啟動過程示意

4.2 壓縮機聯(lián)鎖停車系統(tǒng)

壓縮機停車主要有以下幾種情況： 機組故障觸發(fā)停車；上下游工段引起的停車；急停按鈕觸發(fā)停車；DCS界面點擊停車按鈕觸發(fā)停車。壓縮機的停車過程如圖5所示。

圖5 蒸汽壓縮機的停車過程示意

為避免因機組故障或者急停按鈕引起的停車，先停主電機，再進行其他操作。急停的情況下，入口導(dǎo)葉閥開度保持不變。

5 結(jié)束語

該蒸汽壓縮機采用出入口壓力、入口溫度的多參數(shù)防喘振控制系統(tǒng)替代流量單參數(shù)控制系統(tǒng)，節(jié)省了成本和空間，提高了防喘振效果；采用過熱蒸汽控制避免了液擊的發(fā)生；自動開停車系統(tǒng)運行穩(wěn)定。對控制和聯(lián)鎖的優(yōu)化，大幅度提高了蒸汽壓縮機運行的安全性與可靠性，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

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Optimization Program of Control for Steam Compressor

Cai Cuiping

(China Tianchen Engineering Corporation, Tianjin, 300400, China)

s： Aiming at the problem of narrow stable work area, easy surge,liquid hammer, break-down and other condition of the compressor, multi-parameter anti-surge control is applied to the open of inlet vane, outlet and inlet pressure,inlet temperature. Reflux pipeline is added to the outlet of the compressor to avoid liquid hammer with superheated steam reflux control. Modification of interlock for startup and shutdown is carried out. The modified program is proved logically rigor after repeated testing and startup. The compressor runs stably.

steam compressor; anti-surge control; superheated steam; performance curve

蔡翠平(1986—)，女，山東泰安人，2011年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工過程信息工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表專業(yè)設(shè)計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)04-0022-04

稿件收到日期： 2017-04-11。