大型壓縮機(jī)組的控制和保護(hù)

發(fā)布于：02-11

熊?偉



開(kāi)封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院



摘要：介紹了透平壓縮機(jī)組控制的基本控制，論述了空壓機(jī)組自動(dòng)開(kāi)車(chē)和自動(dòng)卸載的實(shí)現(xiàn)方法，完善了以防喘振保護(hù)為核心的保護(hù)調(diào)節(jié)控制。實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)組的安全高效運(yùn)行，減少了



人為誤操作，為壓縮機(jī)組控制方案的進(jìn)一步完善提出了建議。



關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)組?基本控制?防喘振控制?自動(dòng)起動(dòng)和卸載?調(diào)節(jié)控制



1?概述



近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大化肥和煤化工等行業(yè)對(duì)大型空分裝置的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)空分裝置的安全可靠運(yùn)行提出了更高的要求?？諌簷C(jī)是為空分裝置提供低壓大流量氣源的動(dòng)設(shè)備，大型空氣壓縮機(jī)一般采用離心式壓縮機(jī)，它的穩(wěn)定運(yùn)行是整套空分裝置正常生產(chǎn)的保證，可以說(shuō)空壓機(jī)是整個(gè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)它的保護(hù)和控制是十分重要的。整套離心壓縮機(jī)組是由電氣、機(jī)械、潤(rùn)滑、冷卻、控制等部分組成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)行受油壓、水壓、軸溫、進(jìn)出口氣壓等諸多因素共同作用及相互制約。傳統(tǒng)的控制以人工控制為主，起停過(guò)程需要由操作人員按要求的順序操作相應(yīng)開(kāi)關(guān)、閥門(mén)等來(lái)完成，操作復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不易協(xié)調(diào)。因此實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)、卸載和停車(chē)具有積極的意義。



???喘振是透平式壓縮機(jī)在流量減少到一定程度時(shí)所發(fā)生的一種非正常工況下的振動(dòng)。圖1是喘振時(shí)流量起伏周期變化的過(guò)程。由于排氣量的減少，工作點(diǎn)在特性曲線(xiàn)上由點(diǎn)l移至點(diǎn)2，排氣壓力升高，點(diǎn)2表明壓力達(dá)到了最大值，同時(shí)也達(dá)到穩(wěn)定極限。由于氣流的倒流，引起了由點(diǎn)2至點(diǎn)3的突然變化。流量方向的改變迫使排壓下降，工作點(diǎn)移至點(diǎn)4。此時(shí)由于葉輪處又達(dá)到了預(yù)先的工作狀態(tài)，一個(gè)突變又產(chǎn)生，工作點(diǎn)又移到點(diǎn)1處。如果沒(méi)有及時(shí)的調(diào)整，喘振循環(huán)將再次開(kāi)始。







圖1?喘振循環(huán)曲線(xiàn)



喘振時(shí)壓力和流量周期性大幅度變化，進(jìn)一步可能會(huì)產(chǎn)生流量的反向，由此引起過(guò)大的軸振動(dòng)、軸位移和發(fā)熱，造成軸承、密封、葉輪和轉(zhuǎn)子的損壞。即使沒(méi)有明顯的危險(xiǎn)發(fā)生，機(jī)組工作壽命和效率也已降低，因此壓縮機(jī)嚴(yán)禁在喘振區(qū)域運(yùn)行。過(guò)去我們對(duì)空壓機(jī)的喘振保護(hù)僅通過(guò)壓力控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，即出口壓力高于一定值時(shí)，放空閥打開(kāi)或緊急停車(chē)，這不能實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)全工作范圍內(nèi)的保護(hù)。如何防止喘振的發(fā)生，以確保機(jī)組的安全運(yùn)行，是一個(gè)重要的課題。



2?壓縮機(jī)控制方案



2.1?基本控制



透平壓縮機(jī)的基本控制要求是在保證安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下充分利用壓縮機(jī)允許的工作區(qū)，讓機(jī)組工作在工藝要求的壓力和用量變化范圍內(nèi)(如變負(fù)荷時(shí)的調(diào)節(jié)和空分裝置吹掃時(shí)的壓力和用量的調(diào)節(jié))，工況穩(wěn)定可靠，操作方便，自動(dòng)化程度高。



壓縮機(jī)出口壓力控制有恒壓控制和恒流控制兩種，本設(shè)計(jì)采用了恒壓控制，原理圖見(jiàn)圖2，其中PICll01為入口導(dǎo)葉控制，PT1101為壓力檢測(cè)反饋，HCll01為空氣進(jìn)空分閥門(mén)控制，這是機(jī)組最基本的工藝控制，其余的控制如防喘震控制、電機(jī)過(guò)載保護(hù)控制、自動(dòng)載人起動(dòng)和事故連鎖保護(hù)停車(chē)控制等均是為了機(jī)組的安全運(yùn)行而設(shè)置。







圖2?空分裝置中壓縮機(jī)恒壓控制原理圖



2.2?防喘振控制



防喘振控制是一個(gè)重要的安全控制，目的是使工作點(diǎn)始終處在限定的范嗣內(nèi)，而不進(jìn)入喘振區(qū)，以確保機(jī)組的安全運(yùn)行。它的保護(hù)范圍為機(jī)組的整個(gè)工作范圍，綜合考慮了壓力(壓比)、流量，加上入口溫度和各級(jí)間入口溫度的補(bǔ)償，形成了一個(gè)設(shè)定值。該設(shè)定值隨著上述各參數(shù)的變化而自動(dòng)變化流量來(lái)調(diào)節(jié)。正常時(shí)放空閥全關(guān)，由于某種原因，工作點(diǎn)進(jìn)入控制線(xiàn)，放空閥開(kāi)始快速打開(kāi)，流量增加，使工作點(diǎn)又離開(kāi)控制線(xiàn)。只要故障存在，工作點(diǎn)就始終在控制線(xiàn)左右移動(dòng)，但工作點(diǎn)始終不會(huì)進(jìn)入喘振區(qū)。故障消除后，工作點(diǎn)將離開(kāi)控制線(xiàn)，恢復(fù)到正常位置。



入口溫度的變化對(duì)喘振線(xiàn)的位置有很大的影響，控制上必須考慮各級(jí)入口溫度和變化的補(bǔ)償。圖3為某一壓縮機(jī)入口溫度對(duì)特性曲線(xiàn)的影響示意圖。入口溫度越高，喘振線(xiàn)越右移，壓縮機(jī)的工作范圍減小。







圖3?壓縮機(jī)入口溫度對(duì)特性曲線(xiàn)影響示意圖



對(duì)應(yīng)于某個(gè)工況，喘振可以用在任何時(shí)刻保證有一個(gè)最小流量來(lái)避免，否則必須打開(kāi)放空閥以補(bǔ)充這個(gè)流量差。防喘振保護(hù)控制也不能過(guò)早地動(dòng)作，否則將引起能量的損耗，為此控制方案必須精心設(shè)計(jì)。從控制技術(shù)觀點(diǎn)講，最感興趣的是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。喘振發(fā)生得非?？欤壳斑€沒(méi)有在價(jià)格上可以接受的工業(yè)儀表來(lái)直接測(cè)量喘振，控制系統(tǒng)必須能識(shí)別喘振極限線(xiàn)有否被越過(guò)。為此，通常人為地在喘振線(xiàn)右側(cè)設(shè)定一條控制線(xiàn)(圖4為喘振控制線(xiàn))，其形狀與喘振線(xiàn)一致，但與控制線(xiàn)相距5％～8％的流量量程值。該距離越小，放空閥打開(kāi)的機(jī)會(huì)就越少，能量損失越少，但對(duì)控制系統(tǒng)、閥門(mén)的響應(yīng)時(shí)間要求越高。該距離越大，放空閥打開(kāi)的機(jī)會(huì)就越大，越能保證機(jī)組的安全，但能量損失越大。當(dāng)空壓機(jī)緊急停車(chē)時(shí)，一般要求放空閥或回流閥從全關(guān)到全開(kāi)的時(shí)間大約在l～2秒，高性能的閥門(mén)大約在0.5秒。只要很小的開(kāi)度就足以保證壓縮機(jī)恢復(fù)至穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)。從全開(kāi)到全關(guān)，由于需要克服流體阻力約需10秒，不能太快，以求平穩(wěn)。







圖4?喘振控制線(xiàn)



2.3?自動(dòng)起動(dòng)和卸裁



為了盡可能地避免人為的操作，即避免誤操作、減小操作強(qiáng)度，對(duì)壓縮機(jī)組采用自動(dòng)起動(dòng)機(jī)組的方式。在自動(dòng)起動(dòng)時(shí)不允許人為操作，僅當(dāng)起動(dòng)完成或機(jī)組已投人正常運(yùn)行后，操作工可以進(jìn)行卸載、卸壓的操作，即：入口導(dǎo)葉只能在原來(lái)的開(kāi)度基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)小的操作，放空閥只能在原來(lái)的開(kāi)度基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)大的操作。在操作時(shí)，有時(shí)確實(shí)會(huì)發(fā)生極偶然的誤操作，限制操作工只能向安全方向操作是有實(shí)際意義的。機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)包括主壓縮機(jī)的自動(dòng)起動(dòng)，主壓縮機(jī)在卸載后的自動(dòng)恢復(fù)(加載)?？諌簷C(jī)的起動(dòng)、加載和卸載都是通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)入口導(dǎo)時(shí)和放空閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。



機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)包括主壓縮機(jī)的自動(dòng)起動(dòng)和卸載后的自動(dòng)恢復(fù)(加載)。



空壓機(jī)的卸載過(guò)程分為正常停車(chē)卸載和聯(lián)鎖保護(hù)卸載兩種情況。正常停車(chē)卸載過(guò)程：操作人員選擇正常停車(chē)方式，程式自動(dòng)慢慢關(guān)閉進(jìn)口導(dǎo)葉至10％左右，防喘振閥以較快速度全開(kāi)，壓縮機(jī)組卸載至小負(fù)荷，然后停主電機(jī)，在主電機(jī)停止運(yùn)行后，進(jìn)口導(dǎo)葉全關(guān)，正常停車(chē)過(guò)程結(jié)束。聯(lián)鎖保護(hù)卸載過(guò)程分為兩種情況：A.由于停車(chē)聯(lián)鎖條件滿(mǎn)足而引起的停車(chē)，此時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，防喘振電磁閥失電，防喘振閥快速打開(kāi)，進(jìn)口導(dǎo)葉慢慢全關(guān)。B.在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中工作點(diǎn)進(jìn)入安全線(xiàn)與喘振線(xiàn)之間，防喘振電磁閥失電，防喘振閥快速打開(kāi)，進(jìn)口導(dǎo)葉慢慢關(guān)至10％，壓縮機(jī)組不停機(jī)，機(jī)組在小負(fù)荷下運(yùn)行。卸載程式見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖5。







圖5?卸載程式結(jié)構(gòu)圖



空壓機(jī)系統(tǒng)的操作、邏輯控制和監(jiān)視等均在DCS系統(tǒng)內(nèi)完成。通過(guò)在DCS系統(tǒng)內(nèi)的組態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)、停車(chē)，防喘振保護(hù)等相關(guān)保護(hù)和機(jī)組的參數(shù)監(jiān)控功能。在設(shè)計(jì)中還實(shí)現(xiàn)了儀電一體化的控制，將電氣控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖在DCS內(nèi)實(shí)現(xiàn)，完成主電機(jī)、油泵和加熱器等的控制和相關(guān)電氣參數(shù)的顯示，簡(jiǎn)化了接線(xiàn)和操作，增強(qiáng)了可靠性且降低了用戶(hù)維護(hù)量。



3?結(jié)論



3.1?空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開(kāi)車(chē)和自動(dòng)卸載，完善了以防喘振保護(hù)為核心的保護(hù)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的安全高效運(yùn)行，減少了人為誤操作；



3.2?由于受到工藝研究水平的限制，很多地方還缺乏定量的數(shù)據(jù)關(guān)系，不能建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；流量測(cè)量誤差較大，如空壓機(jī)出口流量的測(cè)量等，影響了測(cè)控效果，需要加強(qiáng)流量?jī)x表的設(shè)計(jì)和研究；



???3.3?控制系統(tǒng)對(duì)空分裝置的故障診斷(預(yù)判)和統(tǒng)計(jì)分析能力有待進(jìn)一步研究。



摘自2009年1期《氣體分離》