某項(xiàng)目中，冰機(jī)裝置制冷劑丙烯氣壓縮采用了二段離心式壓縮機(jī)。本文簡(jiǎn)要介紹了該套壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的控制方案及其特點(diǎn)。
1、壓縮機(jī)主要控制方案
該丙烯氣壓縮機(jī)為兩段離心式壓縮機(jī)組，主要控制方案如圖1所示。主要考慮了壓縮機(jī)的防喘振控制、壓縮機(jī)性能控制、性能-喘振解耦控制，以及壓縮機(jī)主電機(jī)限電流控制。
圖1 壓縮機(jī)控制方案示意
圖1中，ps壓縮機(jī)入口壓力；ps1為一段壓縮機(jī)出口壓力，同時(shí)也是二段壓縮機(jī)入口壓力；pD為壓縮機(jī)出口壓力； pT-4為入口緩沖罐壓力；II-1為壓縮機(jī)主電機(jī)電流。
1.1 壓縮機(jī)防喘振控制
喘振是離心式壓縮機(jī)的一種固有特性：在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓縮機(jī)的入口流量小于最小流量時(shí)，壓縮機(jī)排氣管的壓力比壓縮機(jī)內(nèi)部的壓力高，導(dǎo)致氣體瞬時(shí)倒流，繼而使壓縮機(jī)排出側(cè)的氣體壓力降低，機(jī)組內(nèi)部壓力升高，使氣體流量恢復(fù)，直到壓縮機(jī)出口壓力再次升高；之后重復(fù)上述過程，周而復(fù)始。盡管壓縮機(jī)喘振對(duì)下游生產(chǎn)以及壓縮機(jī)本身都有較大的破壞作用，但可以通過科學(xué)的防喘振控制技術(shù)，準(zhǔn)確快速地預(yù)測(cè)喘振的發(fā)生，并提高壓縮機(jī)的工作效率。壓縮機(jī)防喘振控制原理如圖2所示，圖2中，橫坐標(biāo)表征喘振流量，由壓縮機(jī)入口差壓法流量計(jì)測(cè)出的差壓值Δp，經(jīng)過溫壓補(bǔ)償和運(yùn)算后與 ps之比。喘振線為壓縮機(jī)廠家根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，喘振點(diǎn)即根據(jù)出入口壓力比從曲線中得到的流量，工作點(diǎn)根據(jù)壓縮機(jī)出入口壓力比以及流量不同，位于不同的位置，當(dāng)工作點(diǎn)向左側(cè)移動(dòng)進(jìn)入到喘振線左側(cè)時(shí)，喘振控制器將檢測(cè)為已發(fā)生喘振，喘振點(diǎn)和工作點(diǎn)之間的距離為喘振裕度。
圖2 壓縮機(jī)防喘振控制原理示意
防喘振控制就是為了確保在當(dāng)前運(yùn)行條件下保證壓縮機(jī)的吸入流量大于最小流量, 阻止喘振的發(fā)生。
該套壓縮機(jī)組的防喘振控制的控制功能包括：兩段壓縮機(jī)喘振PID控制，一段壓縮機(jī)喘振超馳控制，二段壓縮機(jī)補(bǔ)充流量超馳控制，喘振安全裕度校正，以及自動(dòng)/部分手動(dòng)/全手動(dòng)控制。
1.1.1 喘振PID控制
兩段壓縮機(jī)的喘振PID控制類似，因此以分析一段壓縮機(jī)喘振PID控制為例。
喘振PID控制實(shí)際上就是喘振裕度的PID控制。喘振PID控制器的測(cè)量值(PV)為經(jīng)過溫壓補(bǔ)償?shù)娜肟隗w積流量，減去喘振點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量；喘振PID控制器的設(shè)定點(diǎn)(SV)并不是一個(gè)固定值，它被設(shè)定在防喘振控制線與設(shè)定點(diǎn)徘徊線之間，設(shè)定點(diǎn)徘徊線設(shè)定為控制線加20%，根據(jù)壓縮機(jī)工作點(diǎn)所在區(qū)域不同而變化。
壓縮機(jī)工作點(diǎn)根據(jù)所設(shè)定區(qū)域范圍不同，采取措施包括以下幾個(gè)方面：
1)當(dāng)工作點(diǎn)在設(shè)定點(diǎn)徘徊線右側(cè)且與設(shè)定點(diǎn)距離超過一個(gè)預(yù)先設(shè)定值，設(shè)定為5%時(shí)，防喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)被固定在設(shè)定點(diǎn)徘徊線上，此時(shí)防喘振控制器的輸出為零，關(guān)閉防喘振控制閥。
2)當(dāng)工作點(diǎn)在控制線與設(shè)定點(diǎn)徘徊線之間時(shí)，防喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)低于工作點(diǎn)并以預(yù)先設(shè)定值5%來跟蹤工作點(diǎn)。當(dāng)工作點(diǎn)向左移動(dòng)時(shí)，設(shè)定點(diǎn)并不是立即左移，而是按照程序給定的跟蹤速率(默認(rèn)為1.0%/s)向左移動(dòng)。如果工作點(diǎn)的移動(dòng)速率大于設(shè)定點(diǎn)的下降速率且工作點(diǎn)到了設(shè)定點(diǎn)左側(cè)，盡管工作點(diǎn)還沒有到達(dá)控制線，但此時(shí)防喘振控制器也將產(chǎn)生輸出，打開防喘振閥，使壓縮機(jī)工作點(diǎn)向右移動(dòng)以避免喘振；而當(dāng)工作點(diǎn)右移到設(shè)定點(diǎn)右側(cè)時(shí)，防喘振控制器的輸出減小，防喘振控制閥關(guān)閉，防喘振控制器設(shè)定點(diǎn)則維持設(shè)定值5%跟蹤工作點(diǎn)。
3)當(dāng)工作點(diǎn)移動(dòng)到防喘振控制線左側(cè)時(shí)，防喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)被固定在控制線上，工作點(diǎn)低于設(shè)定點(diǎn)，防喘振控制器增大輸出，打開防喘振控制閥以防止喘振發(fā)生。
1.1.2 一段喘振超馳控制
壓縮機(jī)超馳控制原理示意如圖3所示。當(dāng)一段壓縮機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)入喘振超馳線左側(cè)時(shí)喘振超馳線設(shè)定為安全裕度70%處，壓縮機(jī)即將發(fā)生喘振，這時(shí)正常的PID控制無法提供足夠快的響應(yīng)，超馳控制開始起作用。超馳控制實(shí)際上就是純比例控制，即當(dāng)工作點(diǎn)在喘振超馳線上或右側(cè)時(shí)，比例控制器輸出為0，一段壓縮機(jī)防喘振閥按照1.1.1節(jié)描述的喘振PID控制方案控制；當(dāng)工作點(diǎn)在喘振線上，比例控制器的輸出為100%；當(dāng)工作點(diǎn)在超馳控制區(qū)域中某一點(diǎn)時(shí)，比例控制器的輸出正比于壓縮機(jī)工作點(diǎn)跨過喘振超馳線的距離。
圖3 壓縮機(jī)超馳控制原理示意
1.1.3 二段壓縮補(bǔ)充流量超馳控制
如圖1所示，二段壓縮防喘振控制時(shí)，如果二段壓縮機(jī)防喘振閥全開但二段壓縮機(jī)工作點(diǎn)仍然在喘振控制線左側(cè)，二段壓縮補(bǔ)充流量超馳控制器將打開一段壓縮機(jī)防喘振閥對(duì)二段壓縮機(jī)提供補(bǔ)充流量，使二段壓縮機(jī)工作點(diǎn)右移，避免喘振。
二段壓縮補(bǔ)充流量超馳控制就是二段防喘振PID控制器輸出的分程控制原理如圖4所示。分程點(diǎn)設(shè)在二段防喘振PID控制器輸出的80%處。當(dāng)在分程點(diǎn)左邊時(shí)，如果二段壓縮機(jī)工作點(diǎn)持續(xù)左移，二段防喘振PID控制器通過打開二段防喘振控制閥進(jìn)行二段壓縮機(jī)的防喘振PID控制；當(dāng)二段PID控制器輸出達(dá)到分程點(diǎn)時(shí)，二段防喘振控制閥全開，此時(shí)如果二段壓縮機(jī)工作點(diǎn)仍然在喘振控制線左側(cè)，則二段PID控制器輸出繼續(xù)增加，開始打開一段防喘振控制閥，為二段壓縮機(jī)提供補(bǔ)充流量，阻止工作點(diǎn)繼續(xù)左移而發(fā)生喘振。
圖4 二段壓縮補(bǔ)充流量超馳控制原理示意
1.1.4 安全裕度校正
安全裕度初始設(shè)置為10%。當(dāng)工作點(diǎn)向左移動(dòng)進(jìn)入喘振線左側(cè)時(shí)，喘振控制器將檢測(cè)為已發(fā)生喘振，此時(shí)需要增加安全裕度，盡早使防喘振控制發(fā)揮作用，避免壓縮機(jī)再次產(chǎn)生喘振。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到第1次喘振，喘振控制線右移2%，安全裕度由原來的10%變成12%；以此類推，如果檢測(cè)到第5次喘振，控制線累計(jì)右移10%，安全裕度變?yōu)?0%，如果該過程中沒有將喘振計(jì)數(shù)器復(fù)位，喘振累計(jì)達(dá)到5次后，壓縮機(jī)將聯(lián)鎖停機(jī)。聯(lián)鎖復(fù)位后，或者在喘振發(fā)生已經(jīng)查明喘振原因后，必須將喘振計(jì)數(shù)器復(fù)位，使安全裕度重新回到初始值。
1.1.5 防喘振控制器控制模式
防喘振控制器可分為自動(dòng)/部分手動(dòng)/全手動(dòng)控制模式。在自動(dòng)模式下，二段防喘振控制閥接受的信號(hào)為二段防喘振PID控制器輸出經(jīng)過補(bǔ)充流量超馳控制器分程后的輸出(輸入0-80%，輸出0-100%)；一段防喘振控制閥接受的信號(hào)為一段防喘振PID控制器輸出，一段喘振超馳控制器輸出，解耦控制器輸出和二段防喘振PID控制器輸出經(jīng)過補(bǔ)充流量超馳控制器分程后輸出(輸入80%-100%，輸出0-100%)的高選。為防止壓縮機(jī)波動(dòng)，當(dāng)一段喘振超馳控制器的輸出高于一段喘振PID 控制器的輸出時(shí)，PID 控制器的輸出跟蹤比例控制器的輸出。全手動(dòng)模式時(shí)，輸出選擇模塊選擇手動(dòng)輸入值作為防喘振閥的開度；半手動(dòng)模式時(shí)，輸出選擇模塊選擇自動(dòng)控制輸出和手動(dòng)輸入值的高值作為防喘振閥的開度。
2、壓縮機(jī)性能控制
冰機(jī)裝置是通過壓縮機(jī)壓縮制冷劑丙烯氣，控制冰機(jī)出口冷凍水溫度到設(shè)定值，供工藝裝置使用。因此，壓縮機(jī)性能控制實(shí)質(zhì)上就是冰機(jī)出口冷凍水溫度控制。
壓縮機(jī)性能控制原理如圖1所示。冰機(jī)出口冷凍水溫度控制器TIC-4和壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力控制器PIC-4構(gòu)成了串級(jí)回路，溫度控制器的輸出作為壓力控制器的設(shè)定值，通過壓力控制器的輸出控制壓縮機(jī)入口節(jié)流閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)性能控制。
如果冰機(jī)出口冷凍水溫度比設(shè)定值高時(shí)， TIC-4降低PIC-4的設(shè)定值，PIC-4通過增加入口節(jié)流閥開度，降低入口緩沖罐壓力，從而降低冰機(jī)出口冷凍水溫度；如果冰機(jī)出口冷凍水溫度比設(shè)定值低時(shí)，TIC-4提高PIC-4的設(shè)定值， PIC-4通過降低入口節(jié)流閥開度，增加入口緩沖罐壓力，從而提高冰機(jī)出口冷凍水溫度。
2.1 壓縮機(jī)性能控制和喘振解耦控制
2.1.1 性能控制與防喘振控制的耦合關(guān)系
當(dāng)壓縮機(jī)組的性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置時(shí)，它們之間就存在耦合關(guān)系。
如上所述，壓縮機(jī)組的性能控制是通過冰機(jī)出口冷凍水溫度和入口罐壓力構(gòu)成的串級(jí)控制實(shí)現(xiàn)的。壓縮機(jī)入口壓力的變化，通過壓縮機(jī)的氣體流量發(fā)生變化，也就使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在防喘振控制原理圖上的位置發(fā)生變化，壓縮機(jī)工作點(diǎn)的改變，通過防喘振控制器使防喘振控制閥的開度發(fā)生變化，防喘振控制閥的開度變化反過來又會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)組的入口壓力發(fā)生變化?？梢?，離心壓縮機(jī)組的性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)之間相互影響，存在著很強(qiáng)的耦合關(guān)系。這會(huì)使壓縮機(jī)組的性能控制系統(tǒng)和防喘振控制系統(tǒng)都不能正常發(fā)揮作用，為此必須對(duì)壓縮機(jī)組進(jìn)行解耦控制才能使壓縮機(jī)組正常、穩(wěn)定地運(yùn)行。
2.1.2 解耦控制
由上述可知，壓縮機(jī)耦合現(xiàn)象就是因?yàn)樵谡{(diào)整冰機(jī)出口溫度以保證壓縮機(jī)性能的同時(shí)，又改變了防喘振閥的開度防止壓縮機(jī)喘振造成的。歸根到底，壓縮機(jī)組耦合是因?yàn)閴嚎s機(jī)組性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置造成的，解除壓縮機(jī)組的耦合就是要將壓縮機(jī)的性能控制系統(tǒng)與防喘振控制系統(tǒng)整合為一個(gè)解耦控制系統(tǒng)，其目的是防止防喘振控制器的 PV 低于防喘振控制器的設(shè)定值，避免由防喘振控制器控制防喘振控制閥，而改由解耦控制系統(tǒng)控制防喘振控制閥，這樣就避免了性能控制與防喘振控制同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到解耦控制的目的。
解耦控制器即可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的性能控制又可進(jìn)行防喘振控制，并且使性能控制和防喘振控制不能同時(shí)進(jìn)行。壓縮機(jī)解耦控制原理如圖5所示，解耦控制器實(shí)質(zhì)就是動(dòng)態(tài)分程控制。動(dòng)態(tài)分程控制的主控變量為壓縮機(jī)入口罐壓力，利用壓縮機(jī)入口罐壓力控制器的輸出調(diào)整入口節(jié)流閥和防喘振閥開度，既使得壓縮機(jī)入口罐壓力既滿足性能控制要求，又避免了壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振。將壓力控制器控制入口節(jié)流閥開度切換到控制防喘振控制閥開度的切換點(diǎn)稱為動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)(DBP)。當(dāng)壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)跟蹤壓力控制器輸出，并保持低于壓力控制器輸出一個(gè)給定的裕度，
圖5 壓縮機(jī)解耦控制原理示意
圖6 動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)位置移動(dòng)示意
動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)根據(jù)不同區(qū)域所體現(xiàn)位置、措施包括以下幾方面：
1)如果壓縮機(jī)工作點(diǎn)在動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)快速線右側(cè)，設(shè)定動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)的下降速率較快，這是因?yàn)樵谶@一工作區(qū)域，可以使入口節(jié)流閥開度降低較多而不使壓縮機(jī)喘振。
2)如果壓縮機(jī)工作點(diǎn)在分程點(diǎn)最大區(qū)域線右側(cè)且在分程點(diǎn)快速線左側(cè)時(shí)，設(shè)定動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)下降的移動(dòng)速率較慢。這是由于這一區(qū)域與喘振控制線較近，在不發(fā)生喘振的前提下壓縮機(jī)入口節(jié)流閥開度下調(diào)余量較小，當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)以較快速率向左移動(dòng)且低于動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)時(shí)，解耦控制系統(tǒng)停止繼續(xù)減小節(jié)流閥開度，而是通過開大防喘振控制閥開度來維持壓縮機(jī)入口罐壓力的穩(wěn)定。
3)如果壓縮機(jī)工作點(diǎn)在最大區(qū)域線與最小區(qū)域線之間，則設(shè)定壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)的位置不動(dòng)，等待壓縮機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)入到其他工作區(qū)域。
4)當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)在最小區(qū)域線的左側(cè)時(shí)，設(shè)定解耦控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)以較慢速率上升，這是因?yàn)檫@一工作區(qū)域與喘振控制線非常接近，為使壓縮機(jī)不發(fā)生喘振，解耦控制系統(tǒng)增加壓縮機(jī)入口節(jié)流閥開度，從而提高進(jìn)壓縮機(jī)的氣體流量，由于壓縮機(jī)入口節(jié)流閥開度增加，使壓縮機(jī)入口罐壓力下降，則解耦控制系統(tǒng)的壓縮機(jī)入口罐壓力控制器輸出下降，開大防喘振控制閥可使壓縮入口壓力提高，如此可使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)向右遠(yuǎn)離防喘振控制線。
將動(dòng)態(tài)分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分程點(diǎn)限定在壓力控制器輸出的50%-100%，當(dāng)解耦控制系統(tǒng)壓力控制器的輸出在動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)時(shí)，解耦控制系統(tǒng)使防喘振閥全關(guān)(0)；當(dāng)壓力控制器的輸出在動(dòng)態(tài)分程點(diǎn)減去50%時(shí)，解耦控制系統(tǒng)使防喘振閥全開(100%)。
解耦控制系統(tǒng)的動(dòng)作過程：當(dāng)壓縮機(jī)的入口罐壓力降低時(shí)，壓力控制器的輸出降低，使壓縮機(jī)入口節(jié)流閥開度減小，以升高壓縮機(jī)的入口罐壓力，當(dāng)入口節(jié)流閥開度減小到即將引起壓縮機(jī)喘振時(shí)，在利用防喘振控制器控制防喘振控制閥之前，解耦控制器就停止繼續(xù)減小節(jié)流閥開度，而是開啟防喘振控制閥來維持壓縮機(jī)入口罐壓力穩(wěn)定，避免在調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)又調(diào)整防喘振控制閥，這樣就達(dá)到了使壓縮機(jī)既能滿足性能要求又使壓縮機(jī)不發(fā)生喘振的目的。
3、壓縮機(jī)主電機(jī)限電流控制
如圖1所示，壓縮機(jī)主電機(jī)限電流控制為標(biāo)準(zhǔn)PID控制，它通過調(diào)節(jié)入口節(jié)流閥開度防止壓縮機(jī)主電機(jī)過電流。壓縮機(jī)入口節(jié)流閥接受的信號(hào)為解耦控制器輸出和壓縮機(jī)主電機(jī)限電流控制器輸出的低選。
4、結(jié)束語
本文分析了某項(xiàng)目冰機(jī)裝置用離心壓縮機(jī)的主要控制方案。應(yīng)用這些控制方案既滿足了壓縮機(jī)在各種工藝條件下的性能控制要求，又保證了壓縮機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
作者：李曉冬，郭建嶺(中國天辰工程有限公司)
