離心式壓縮機控制器性能研究與優化

劉 杰 李 文

（國家能源集團寧夏煤業公司烯烴一分公司）

離心式壓縮機在石油化工、煤化工等工業生產中應用廣泛，是重要的化工氣體壓縮運輸設備［1］，如裂解氣壓縮機、乙烯壓縮機、丙烯壓縮機、合成氣壓縮機及二氧化碳壓縮機等，都是離心式壓縮機。 如果因壓縮機喘振、超速等原因引發聯鎖停機， 會導致物料回流循環增加能耗或放火炬，造成重大經濟損失和環境污染危害，因此，防止壓縮機喘振對于保護壓縮機高效運轉和安全穩定運行意義重大。 筆者就國家能源集團寧夏煤業公司某裝置二氧化碳壓縮機控制性能缺陷展開分析與優化。

1 壓縮機結構組成和工況參數

二氧化碳壓縮機為離心式壓縮機， 是由轉子、 靜子及軸承等組成的輸送氣體的機械設備。轉子由主軸、葉輪、聯軸器、軸套及平衡盤等組成。 靜子由機殼、級間密封、軸端密封、擴壓氣及渦室等組成。 壓縮機通過高壓蒸汽驅動汽輪機經齒輪箱傳動高速運轉做功，提升二氧化碳氣體壓力，滿足下游工況需要。

國家能源集團寧夏煤業公司某裝置二氧化碳壓縮機的基本信息和工況運行數據如下：

壓縮機型號 STC-GV SST-600

機組位號 CT-40002

功率 16 814 kW

防喘振閥開度 17%～26%

入口流量 55 000～85 000 Nm3/h

入口壓力 125 kPa

出口壓力 5.8 MPa

轉速范圍 （7200±60） r/min

蒸汽流量 67.5 t/h

2 壓縮機喘振現象及其原因分析

2.1 壓縮機喘振現象

喘振對壓縮機的運行危害非常大，是損壞壓縮機的關鍵因素之一。 在正常工作范圍內，壓縮機流量隨壓力的變化是穩定的，即一定的壓力對應一定的流量。 但是當流量減到一定程度時，就會出現不穩定的工作狀態，這種現象稱為喘振或飛動。 發生喘振時有以下幾種現象：

a. 壓縮機出現劇烈振動，嚴重時甚至引起整個安裝框架甚至周邊框架和廠房振動；

b. 壓縮機壓力突然下降或上升，且升降幅度大，很不穩定；

c. 壓縮機后的高壓氣體倒流到工作輪里，過后又被壓出，氣流出現脈動，同時產生強烈噪聲，氣體正常流動規律被破壞；

d. 吸入流量劇烈波動，有時回到零位。

2.2 壓縮機喘振原因分析

引起離心式壓縮機喘振的常見因素有：

a. 壓縮機入口流量小于額定流量，造成壓縮機出口壓力突然大幅下降，管網中的氣體倒流到壓縮機，壓縮機發生喘振；

b. 被壓縮氣體壓力、溫度及成分等介質狀態發生變化，這些因素影響氣體流量，可能造成壓縮機發生喘振；

c. 出口管網壓力大于壓縮機某轉速下的最高壓力時會造成壓縮機發生喘振。

筆者調取了影響裝置二氧化碳壓縮機穩定運行的相關參數，對比分析發現壓縮機正常運行時的出口流量、出口壓力、防喘振閥開度和轉速4個參數存在波動現象，趨勢如圖1 所示。

圖1 壓縮機正常運行時4 個參數的波動趨勢

由圖1 可以看出，壓縮機出口流量最高為81 144 Nm3/h，最低為52 915 Nm3/h，平均值68 068 Nm3/h；出口壓力波動范圍在5.64～5.98 MPa；防喘振閥開度最大22%， 最小10%， 平均閥位16%；轉速波動范圍在7 159～7 259 r/min。

分析圖1 趨勢可知存在以下問題：

a.CO2用量不穩定，瞬間波幅達20 000 Nm3/h，極易造成壓縮機出口壓力迅速上漲。 相應地，導葉在自動控制狀態下自然會逐漸關小。 當出口壓力波動大于設定的0.1 MPa 時， 自動切到手動控制， 若此時監控人員沒有及時手動開大防喘振閥，極可能造成機組壓縮比大、入口流量低而發生喘振，甚至造成機組轉速波動過大，觸發聯鎖而引起跳車。

b. 壓縮機出口壓力波動較為頻繁，若入口導葉投自動狀態，出口壓力一般設定在5.8 MPa，超過設定值的±0.1 MPa 時入口導葉會切到手動狀態，造成崗位人員頻繁將導葉由手動切回自動狀態，極易發生誤操作。 圖2 顯示，3 月3 日10:02～10:58 出口壓力波動至5.9 MPa 共5 次，若入口導葉投自動且出口壓力設定5.8 MPa 時， 極易造成導葉頻繁由自動控制狀態切換為手動控制狀態的情況發生。

圖2 出口壓力波動趨勢

c. 當入口導葉在自動控制狀態時，如果CO2用量突然增大，壓縮機出口壓力降低，而導葉在自控狀態下自動開大，若此時機組轉速調整波動范圍過大，極易導致機組轉速聯鎖觸發跳車。

3 壓縮機控制方案優化與應用

3.1 壓縮機控制方案設計

針對壓縮機出口流量、出口壓力、防喘振閥位和轉速頻繁波動問題，筆者從4 個方面采取措施：

a. 保持原恒定轉速控制方案，且目標轉速仍恒定在7 200 r/min。 原機組聯鎖條件維持不變，對防喘振控制器進行擾動濾波。

b. 增加解耦控制算法功能塊，實現出口壓力與防喘振閥及入口導葉的解耦控制，把出口壓力作為控制目標，由防喘振閥和入口導葉實現協同控制。

c. 出口壓力給定范圍5.7～5.9 MPa。 采用出口壓力與防喘振閥及入口導葉的解耦控制，防喘振閥參與出口壓力的控制，解決單純靠入口導葉調節造成出口壓力反應慢的問題。

d. 優化控制程序，實現防喘振閥在不同工況下半自動/自動控制。

3.2 壓縮機控制方案實施

3.2.1 防喘振控制器擾動濾波功能

正常工況下，壓縮機出口供氣流量在1 000～3 000 Nm3/h 波動，對圖3 所示的工作點的入口流量Qv影響較大，如果機組在自動/半自動狀態下，圖3 中的工作點（綠色）和控制點（黃色）恰在控制線附近運行時，這種頻繁波動很容易造成防喘振閥打開，所以應該消除這種波動干擾。

圖3 喘振點運動軌跡

筆者設計了如圖4 所示的防喘振控制器擾動濾波功能塊，針對一個掃描周期內變化幅值進行數據處理，消除由于數據失真帶來的影響。

圖4 喘振控制器擾動濾波功能塊

防喘振控制器濾波前、 后的趨勢如圖5 所示，可以看出，濾波后趨勢較之前平滑許多。

圖5 喘振控制器濾波前、后趨勢對比

3.2.2 開發解耦控制算法功能塊

筆者聯合廠家技術人員開發了針對出口壓力與防喘振閥及入口導葉的解耦控制算法功能塊（單獨設計，受知識產權保護），實現導葉、防喘振閥獨立控制。 被調參數出口壓力可由導葉自動控制，根據運行工況手動/自動開關防喘振閥達到協調控制壓縮機出口壓力和入口流量的目的，既能維持出口壓力穩定，又能保證機組安全，還可提升機組節能效果。 表1 為解耦控制功能塊輸入輸出引腳功能說明。

表1 解耦控制功能塊輸入輸出引腳功能說明

3.2.3 優化導葉出口壓力控制器

在原控制器基礎上進行程序改進優化，修改了“超限就退出自動控制”的不合理設計，根據固定極限流量法工作原理，控制器設定值在手動狀態下跟蹤測量值。 原程序設定值固定為5.8 MPa不可修改，修改后取消了限制，且操作員可在操作界面上修改設定值，為防止誤操作，修改值被限定在5.7～5.9 MPa（圖6）。 另外，出口壓力在穩定區間內控制器不可調節，防止了控制器的頻繁動作。

圖6 導葉出口壓力控制器算法

3.2.4 優化原程序

在原程序中增加了模式選擇功能，實現防喘振閥在不同工況下4 種模式的無擾動切換。

模式0。 手動控制。

模式1。入口導葉自動控制出口壓力，按需求手動開關防喘振閥。

模式2。 防喘振閥自動控制出口壓力和入口流量，按需求手動開關導葉。

模式3。解耦控制，導葉和防喘振閥全自動控制（防喘振閥也可以半自動）。

4 應用效果

如圖7 所示，通過對以上4 部分控制程序的改進和優化， 蒸汽量由優化前的平均67～68 t/h降低為64.2～65.8 t/h，節能效果明顯，按照節能量2.2 t/h 蒸汽計算， 一年可得直接效益2.2×24×365×60=115.632 萬元。

圖7 性能控制優化后壓縮機蒸汽流量趨勢

壓縮機出口壓力，優化前為5.693～5.925 MPa（圖8），優化后為5.736～5.858 MPa（圖9）。

圖8 控制優化前出口壓力趨勢

圖9 控制優化后出口壓力趨勢

速度控制，設定值7 200 r/min，優化后的運行值7 184～7 221 r/min（圖10），防喘振已實現壓線控制（圖11），并投入全自動控制，操作崗位實現了無人值守。

圖10 控制優化后壓縮機轉速趨勢

圖11 控制優化后壓縮機全自動控制

綜合關鍵參數指標可知，筆者設計的優化措施效果明顯，達到了預期目標。

5 結束語

通過對離心式壓縮機控制器性能的分析和研究，針對引起壓縮機喘振的流量、壓力、轉速等關鍵參數進行分析，提出喘振控制器和導葉出口壓力解耦控制優化方案， 并改進程序控制策略，性能控制投用后， 實現了機組負荷自動調整，以及入口導葉和防喘振閥之間的高效調節，避免了機組轉速過高產生的額外能耗，保障了機組高效運行，避免了物料回流循環放火炬導致的環境污染，同時實現了崗位無人值守，減少了誤操作，降低了人員的勞動強度， 經濟效益和社會效益顯著。