丙烯透平壓縮機組防喘振控制優化改造方案研究

張鵬軍，訾旭華，石月明，馬衛東

（內蒙古伊泰集團 煤化工管理部，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

離心式壓縮機組是大型煤化工工廠中提供動力的核心設備之一，而壓縮機防喘振控制是保證壓縮機正常運行的重要因素，同時壓縮機的節能效果對于工廠整體節能也起到關鍵作用。煤化工工廠中，采用丙烯制冷壓縮機保證制冷效果，提供足夠冷量，滿足凈化裝置低溫甲醇洗對冷量的正常需求。內蒙古伊泰化工公司120萬噸/年精細化學品示范項目應用的丙烯制冷壓縮機驅動方式為蒸汽透平，高溫高壓蒸汽高速進入汽輪器推動壓縮機運轉。壓縮機采用三段壓縮機結構，壓縮介質為丙烯。壓縮機設計的調整方法為變轉速，范圍為4094rpm～5732rpm。壓縮機由抽凝式汽輪機驅動，汽輪機進汽壓力8.95MPag，抽汽壓力為4.1MPag。丙烯蒸汽通過壓縮使得氣體溫度升高，再使排出的氣體進入冷凝器冷卻成為液體。在流動過程中不斷吸收周圍物體的熱量，達到制冷的目的。目前丙烯壓縮機組運行在自動控制投用率低、防喘振回流閥開度大、能耗水平高的狀況下，亟需技術改造。

1 機組存在的問題及改造的必要性

圖1 丙烯壓縮機組操作畫面Fig.1 Operation screen of propylene compressor unit

透平丙烯制冷壓縮機組自開工以來，入口壓力自動控制回路不能投用，只能手動控制，對操作員要求高，控制效果差。裝置壓縮機的防喘振閥門不能關閉，開度大，造成壓縮機能耗居高不下。壓縮機三返一防喘振閥門開度在47%左右，三返二防喘振閥開度在32%左右，三返三防喘振閥開度在22%左右，從而導致壓縮機運行的能耗過高。

壓縮機喘振線未經實測。由于設計、制造誤差的存在，壓縮機實際喘振線和理論預測喘振線往往存在顯著差異。使用理論喘振線往往不能完成準確和適度的防喘振保護。

現有控制系統選用算法比較簡單，未根據丙烯制冷壓縮機的工藝過程使用專用的控制算法，壓縮機性能控制不能投用。現有系統設計有壓縮機入口壓力性能控制，但不能投入自動運行，基本上是由防喘振控制閥門手動調整壓力。這一般是由于系統使用簡單PID而非專用于機組控制的控制算法。

壓縮機入口壓力完全依靠人工手動操作控制，易誘發誤操作。現有系統實際上不能自動控制壓縮機入口壓力，依靠頻繁的人工介入和手動操作方可維持壓力平穩，操作難度大，控制效果差，影響裝置平穩運行和產品質量。

綜上所述，現有機組控制系統算法簡單，對人員素質要求高，存在一定安全隱患；機組運行能耗高，亟需改進，使用高效的控制方式，降低機組能耗。

2 改造的難點和解決思路

現有丙烯制冷壓縮控制系統采用壓縮機主機廠原配套的Triconex TS3000，壓縮機組控制方案中存在的問題：

1）壓縮機喘振線不能有效補償實際工況與設計工況偏差；2）機組喘振線不準確；3）機組控制處于手動操作狀態；4）壓縮機性能控制為簡單的PID串級控制（入口壓力與轉速）未考慮速度與喘振控制器之間耦合，導致性能控制無法投用。因上述原因壓縮機機組防喘閥一直處于開啟狀態，操作畫面如圖1所示。

考慮到原有系統的不足，通過技術改造方案為：

圖2 汽輪壓縮機組耦合控制實例Fig.2 Coupling control example of steam wheel compressor unit

1）現場進行喘振試驗，計算繪制實測防喘振線，實現實測防喘振控制。

2）解決從手動到自動的壓縮機組性能提升控制，對于較復雜的回路進行解耦控制。

3）基于無關坐標系的算法，得到歸一化的壓縮機喘振線進行優化控制。

3 實測防喘振控制

壓縮機廠家會提供一組壓縮機的理論計算喘振線。由于設計院或壓縮機廠家的設計余量考慮，往往給出的壓縮機喘振線比較保守，而且壓縮機出廠前，因為無法進行工藝氣配比等原因，無法實測喘振線。而通過在壓縮機開機過程中在不同轉速下實測喘振線，準確定義壓縮機的喘振線。通過壓縮機的運行工況能夠和工藝需求更好地匹配，真實地反應了壓縮機的運行工況。

根據實際情況經驗，有相當數量的壓縮機的實際喘振線在理論喘振線的右下位置，即壓縮機會比理論預測更早喘振。在這種情況下依照理論喘振線控制是無法防止壓縮機喘振的，也是比較危險的。這也是部分防喘振控制無法投入自動控制，防喘振閥門長期保持相當開度的原因之一。所以實測壓縮機喘振線是壓縮機防喘振控制非常必要的一環。

在實測喘振線的基礎上，進一步實現自動壓線控制，不僅是在壓縮機負荷高，工作點遠離喘振線時能夠投入自動控制，即使在低負荷下，甚至是在開工初期運行波動較大時仍可以投入自動運行。壓線控制不但能實現最大的節能效果，更重要的是擴展了壓縮機的操作空間。

1）臨界喘振點測試

依據經驗大多數的壓縮機正常運行中，防喘振閥完全關閉后實際工作點都遠離喘振區，而在啟、停車或不正常狀態時工藝條件不是正常的操作條件，防喘振閥的打開對工藝不會造成影響。

2）喘振點測試

對于要準確測試到喘振點的機組，通過判斷主要依靠看出口壓力表，這是機械式的儀表沒有延時反應快。聽聲音的變化喘振將要發生時機組運行的聲音有明顯的跡象，快于參數的變化，能更早的發現喘振點。

通常選取以往常用速度附近的3～5個速度75%，80%，85%，95%，100%，做實測喘振測試。

4 解耦控制

壓縮機防喘振控制回路之間、防喘振控制回路和性能控制回路之間，存在強烈的耦合關系，調整一個回路會立即、顯著地影響到其它的控制回路，缺少解耦控制也是一般控制系統無法投入自動運行的重要原因之一。

以圖2的壓縮機系統為例，當進氣調速閥門開大時，進氣量增大，會導致壓縮機組轉速上升，提供給壓縮機組出力增大。當抽氣閥開大時，會導致壓縮機組轉速下降，提供給壓縮機組出力變小。所以回路的相互影響，會使得轉速調節達到平穩狀態很困難，特別是在裝置不是滿負荷工況有變化的情況下，尤為明顯。

不僅如此，丙烯壓縮機組為三段壓縮式制冷機組，存在三段返一段、三段返二段、三段返三段3個相互耦合的防喘振閥。為了消除回路間的相互耦合干擾，使用一般控制系統時操作員只能把閥門投到手動，并且人為開大一點，讓壓縮機的運行點離喘振控制線遠一點。這樣雖然能夠消除干擾，但造成能耗變大。采用更高級的解耦控制算法，能夠同時監控和協調各段的運行情況，做到全自動的協調控制。

5 無關坐標系算法

即用于壓縮機控制的喘振極限線SLL的計算與氣體分子量MW、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口氣體比熱比Ks和入口氣體壓縮因子Zs無關，而只與壓縮機組本身的內部機械構造有關。使用無關坐標系算法得到歸一化的壓縮機喘振極限線。

簡化壓頭計算：

簡化流量平方計算：

圖3 無關坐標系防喘振控制五線示意圖Fig.3 Independent coordinate system anti-surge control five line diagram

圖4 三段返一段改造后，預期工況與實際工況對比Fig.4 3 Comparison of expected working conditions and actual working conditions after the transformation of the return section

Pd——壓縮機出口壓力（絕壓）。

Ps——壓縮機入口壓力（絕壓）。

Td——壓縮機出口溫度（絕對溫度）。

Ts——壓縮機入口溫度（絕對溫度）。

防喘振控制算法采用基于無關坐標系的5條計算與控制曲線，結合了閉環主PI控制響應和開環階梯保護響應，使得壓縮機在運行中無論是面對一次緩慢的降負荷過程擾動，還是面對由于工藝設備異常工況造成的劇烈擾動，都能夠迅速、準確地增加壓縮機的流量、保護壓縮機始終工作在安全區域；同時，由于采用了先進的、準確的基于無關坐標系的防喘振控制算法，使得壓縮機的回流流量（或放空流量）保持在最低水平，從而最大限度地降低能量消耗。

6 結論

通過實施防喘振控制優化，實現如下效果：

1）改造后節約9.5MPa高壓蒸汽3t/h，經濟效益明顯。

2）在4094rpm～5732rpm調速范圍內選取5個轉速點，分別測得壓縮機一段、二段和三段的真實喘振點，從而生成真實喘振線。

3）防喘振實現全自動控制，保證不發生喘振的前提下機組可以使控制線自動運行。

4）一段入口壓力自動控制，自動維持壓力平穩。