CO2循環(huán)壓縮機(jī)的防喘振控制方案

彭海濱

(中國寰球工程公司,北京 100028)

0 引 言

CO2壓縮機(jī)是環(huán)氧乙烷裝置中常見的設(shè)備,用于乙烯和氧氣反應(yīng)后的CO2的運(yùn)輸,由于采用離心式壓縮機(jī),所以不可避免地要涉及壓縮機(jī)的防喘振控制和停車系統(tǒng)。被控氣體的壓力和流量大幅度地波動(dòng),會(huì)破壞工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性,使壓縮機(jī)發(fā)生喘振,效率降低,甚至造成爆炸、火災(zāi)等事故,另外還會(huì)影響和壓縮機(jī)相連的其他設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),使一些測(cè)量?jī)x表準(zhǔn)確性降低,甚至失靈。

下面就防喘振控制所涉及的壓力控制(PC)、流量控制(FC)、電流控制(IC)、用戶直接信號(hào)控制(HC)、喘振檢測(cè)報(bào)警(SDA)以及喘振聯(lián)鎖停車(TS)等方面的復(fù)雜控制進(jìn)行闡述。

1 離心式壓縮機(jī)的典型防喘振設(shè)計(jì)方案

在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,對(duì)離心式壓縮機(jī)的防喘振控制有基本要求。對(duì)于EO/EG裝置中的CO2壓縮機(jī),由于在其實(shí)際試車及開車之前需進(jìn)行氮?dú)獯祾哌\(yùn)行,故在控制器中必須增加兩者切換功能并改變相應(yīng)參數(shù),但必須停機(jī)才可進(jìn)行CO2模式和N2模式的切換。圖1為防喘振控制典型流程。為使壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,需在流量減少的情況下,為壓縮機(jī)配備一個(gè)喘振閥,用來彌補(bǔ)當(dāng)前流量與最小體積流量的差異。喘振閥通過流量喘振控制器進(jìn)行控制。喘振過程取決于各種因素(溫度,壓力等),安全邊緣必須分開喘振線和喘振控制線,以確保穩(wěn)定控制的特性,如圖2所示。

圖1 離心式壓縮機(jī)典型防喘振控制方案

圖2 防喘振控制工作原理

2 壓縮機(jī)的防喘振控制方案

防喘振控制方案如圖3所示,主要包括:

壓力控制器:如果排放過高壓力,壓力控制器打開喘振閥FCV-001。

流量控制器:如果太靠近喘振控制線,即排放過小流量,流量喘振控制器打開進(jìn)氣閥ICV 001。

電流控制器:如果電流高,電流控制器限制進(jìn)氣閥ICV-001開度。

喘振閥手動(dòng)控制 HC1:DCS模擬輸入給喘振閥,流量喘振控制器或壓力控制器可旁路該信號(hào)。

進(jìn)氣閥手動(dòng)控制HC2:DCS模擬輸入給進(jìn)氣閥,電流器可限定該信號(hào)。

喘振檢測(cè)報(bào)警:控制中的每個(gè)被檢測(cè)到的喘振都將被計(jì)數(shù)。如果在控制時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器達(dá)到報(bào)警喘振的數(shù)目,就會(huì)觸發(fā)一個(gè)喘振報(bào)警。

喘振聯(lián)鎖停車:如果在控制時(shí)間內(nèi),SDA計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到壓縮機(jī)聯(lián)鎖值,壓縮機(jī)即被停車。

圖3 壓縮機(jī)防喘振控制方案注:斜率A,斜率B——上升端以3%/s的速度從0升至100%,下降端以3%/s的速度從當(dāng)前值降至0。斜率A和斜率B原理完全一樣,升和降來自輸入變量

2.1 流量控制

流量從0到100%是由喘振閥和進(jìn)氣閥控制。依賴于排放壓力,設(shè)定流量操作范圍的0到70%是由喘振閥控制,70%至100%是由進(jìn)氣閥來控制。如果流量高于70%,喘振閥全關(guān),進(jìn)氣閥就可以在最小操作位置和100%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于流量喘振控制器的任務(wù)是防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振,故流量喘振控制器的最終調(diào)節(jié)有密碼保護(hù),并由壓縮機(jī)制造廠在試車時(shí)調(diào)試。流量可由下式得出:

式中 qV——實(shí)際流量,m3/h;qV1——溫度補(bǔ)償流量;K——?dú)怏w排放常數(shù);ΔpPDT-001——壓縮機(jī)的排放壓差,kPa;TTE-001——壓縮機(jī)排放側(cè)溫度, K;pPT-001——壓縮機(jī)排放側(cè)(表壓)壓力,kPa。

流量喘振控制器設(shè)定值S P是一個(gè)固定值(“固定喘振線”=喘振線+安全邊緣線),由壓縮機(jī)廠商在試車過程中設(shè)置。流量喘振控制器比較 S P和PV之差(S P-PV),并且總是希望二者無限接近。一個(gè)正向的差值使得控制器的輸出信號(hào)增加,喘振閥的開度增大。反之則是需要讓控制器的輸出信號(hào)減少,并使得喘振閥關(guān)閉。

喘振閥的開啟信號(hào)由壓力控制器、送給喘振閥的DCS信號(hào)(HC1)和喘振斜率B三者高選后得出。高選后的值經(jīng)由反向功能連接到喘振閥,喘振閥為故障開啟型。流量喘振控制器是一個(gè)安全控制器,因此只能在極端操作條件下才起作用,正因?yàn)檫@樣,高選后輸出的反饋返回到壓力控制器和流量喘振控制器。為保證安全,壓力控制器和流量喘振控制器的輸出比高選輸出要低4%,這個(gè)數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

如果流量喘振控制器或壓力控制器之一調(diào)至手動(dòng)(密碼保護(hù)),斜率B將降至0,調(diào)至手動(dòng)的控制器的輸出可以通過手動(dòng)更改,進(jìn)而控制喘振閥的開度。如果這兩個(gè)控制器都被重置為自動(dòng),斜率B將恢復(fù)至正常功能,整個(gè)系統(tǒng)又可以進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。如果壓縮機(jī)停機(jī),流量喘振控制器 PV置0,此時(shí)測(cè)量值和設(shè)定值的差值最大,但流量計(jì)的監(jiān)測(cè)信號(hào)要延遲40 s才能停止。

喘振閥的迅速關(guān)小或關(guān)閉會(huì)出現(xiàn)震蕩性喘振,所以要選擇對(duì)于信號(hào)反應(yīng)是快開慢關(guān)型的防喘振控制閥,也可在壓力控制器中增加一個(gè)快開慢關(guān)的非對(duì)稱輸出單元,即對(duì)喘振閥的開度增加速率不限制,但對(duì)其減少開度的速率進(jìn)行限制。另外要求喘振閥為彈簧負(fù)載型,故障開啟以減少泄氣量,符合ANSI/FCI 70.2IEC605344的六級(jí)密封要求。

2.2 壓力控制

排放壓力控制器的設(shè)計(jì)要避免壓縮機(jī)排放壓力超出最大允許值。壓力控制器比較 S P和 PV的差值,并且總是試圖實(shí)現(xiàn)二者無限接近。另外,對(duì)于流量喘振控制器控制方案來說,通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的PID控制可以較好地實(shí)現(xiàn)這一控制要求。

2.3 電流控制

電流控制器比較 S P和 PV的差值,穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),進(jìn)氣閥的開度為:

式中 P1——電流控制器、DCS信號(hào)至進(jìn)氣閥(HC2)和進(jìn)氣閥斜率 A三者低選(低選B的輸出);P2——斜率 A和進(jìn)氣閥最大開度的低選(低選A的輸出)。

電流信號(hào)4 mA對(duì)應(yīng)閥門最小開度,20 mA對(duì)應(yīng)閥門最大開度。一個(gè)反向的控制誤差(S P＜PV)產(chǎn)生一個(gè)逐漸減少的控制器輸出信號(hào)(此時(shí)進(jìn)氣閥開度受到限制);而一個(gè)正向的控制誤差則產(chǎn)生一個(gè)逐漸增加的控制器輸出信號(hào)(此時(shí)進(jìn)氣閥開度增大)。

因?yàn)殡娏骺刂破饕彩前踩刂破?在極端操作條件下才起作用,所以低選B的輸出反饋至電流控制器,為了安全,該電流控制器的輸出電流總是比低選B的輸出要低4%,這個(gè)值完全可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。另外,利用VB編程可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣閥和喘振閥的信號(hào)輸入曲線圖,把二者的中間數(shù)值輸出,通過PID調(diào)節(jié)來處理這些輸出值,可以很好地調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥和喘振閥的開度,詳細(xì)設(shè)計(jì)過程不再贅述。

2.4 喘振閥手動(dòng)控制

把接收的DCS至喘振閥的信號(hào)送至高選,可隨時(shí)開啟喘振閥,而不管壓力控制器、流量喘振控制器或排放斜率B對(duì)喘振閥關(guān)閉的限制。

當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng),并經(jīng)過啟動(dòng)時(shí)間t1,負(fù)載為0,進(jìn)氣閥信號(hào) Z1已達(dá)到并超過了其最小操作位置Z2,即低選A的輸入 Z1＞Z2,且進(jìn)氣壓力大于設(shè)定的報(bào)警壓力 pAL,此時(shí)斜率 B觸發(fā),其斜率從100%到0,喘振閥的開度從100%轉(zhuǎn)為高選控制。

在啟動(dòng)期間,DCS的 HC1信號(hào)送至喘振閥,應(yīng)被設(shè)置為100%,并且可通過DCS施加給過程控制器的啟動(dòng)斜率來關(guān)閉喘振閥。如果卸載為1,或壓縮機(jī)關(guān)閉,或吸氣壓力 p下降到報(bào)警值pAL以下,斜率B觸發(fā),斜率達(dá)到100%,喘振閥得以打開。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),喘振閥的打開時(shí)間:

式中 d——喘振閥的流通口徑,in(1 in=2.54 cm)。

2.5 進(jìn)氣閥手動(dòng)控制

不管電流控制器或斜率A如何限制進(jìn)氣閥的開啟,把接收的DCS至進(jìn)氣閥的信號(hào)送至低選B,都可隨時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥。進(jìn)氣閥應(yīng)為彈簧負(fù)載和故障關(guān)閉(Fail to Close)型。

當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng),并且達(dá)到啟動(dòng)時(shí)間 t1,負(fù)載為0,A觸發(fā),從0升到100%,分兩路輸出,一路輸出至低選B;另一路經(jīng)過A,結(jié)合進(jìn)氣閥最小位置設(shè)定值進(jìn)行輸出。在開車期間,DCS的HC2信號(hào)至進(jìn)氣閥應(yīng)設(shè)置為0,經(jīng)過低選B送至高選,直至喘振閥完全關(guān)閉。如果觸發(fā)了卸載為1信號(hào)或壓縮機(jī)關(guān)閉,則斜率A觸發(fā)為0,此時(shí)進(jìn)氣閥將關(guān)閉。

如果電流控制器設(shè)置為手動(dòng)(密碼保護(hù)),使得斜率A至100%,那么輸出值就可以進(jìn)行手動(dòng)更改。如果電流控制器設(shè)置為自動(dòng),則斜率 A將恢復(fù)正常功能。

3 喘振檢測(cè)報(bào)警SDA及聯(lián)鎖TS

作為流量喘振控制器的備用,壓縮機(jī)要配備一個(gè)獨(dú)立的喘振檢測(cè)系統(tǒng),用于緊急停車。其中有三種工作模式可以選擇,即監(jiān)測(cè)壓力 pT001變化率;監(jiān)測(cè)差壓流量qVT001變化值;第三種是同時(shí)對(duì)二者進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 監(jiān)測(cè)壓力信號(hào)的斜率

假定輸入值掃描的周期為30 ms,從這些掃描值中,可以計(jì)算出斜率Δh/dt(Δh=h2-h1),即在30 ms內(nèi)的信號(hào)改變率。引入掃描的數(shù)量,就可以計(jì)算出斜率長度。測(cè)量參數(shù)持續(xù)過程須按照特定應(yīng)用來進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)際斜率要與試運(yùn)行期間的斜率限定值進(jìn)行比較。根據(jù)壓縮機(jī)固有喘振曲線進(jìn)行分析,對(duì)于某一固定轉(zhuǎn)速,其排放壓力和排放流量的曲線是固定的。在排放壓力(或出口和入口壓力比)達(dá)到最大時(shí),如果該壓力(或壓力比)減小,同時(shí)流量減小,壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū),即只有壓力(或壓力比)的反向斜率才被認(rèn)為是有效喘振。計(jì)算值達(dá)到或低于第一個(gè)斜率限定值,即被檢測(cè)為一個(gè)喘振,放入計(jì)數(shù)器中,用于報(bào)警和聯(lián)鎖。在探測(cè)到第一次喘振時(shí),隨后的斜率必須要達(dá)到第二個(gè)限定值,才被計(jì)為第二個(gè)喘振,此時(shí)第一個(gè)斜率限定值大于第二個(gè)斜率的限定值,如果前者小于后者,說明轉(zhuǎn)速在降低,壓縮機(jī)并未進(jìn)入喘振區(qū),不能記為一次喘振。喘振測(cè)量參數(shù)的選擇都要在試車期間經(jīng)過評(píng)估和選擇。對(duì)每一個(gè)壓縮機(jī),第一斜率、第二斜率和用于斜率計(jì)算的測(cè)量掃描數(shù)量都是確定的,都必須由壓縮機(jī)制造廠進(jìn)行調(diào)整。

3.2 監(jiān)測(cè)差壓流量

由于壓縮機(jī)在喘振時(shí)流量會(huì)停滯和逆轉(zhuǎn),整個(gè)流量計(jì)的差壓會(huì)下降,當(dāng)其低于極限值,便被檢測(cè)為一個(gè)喘振,導(dǎo)入到計(jì)數(shù)器用于報(bào)警和聯(lián)鎖。不論何時(shí),只要差壓信號(hào)降至限定值以下即被檢測(cè)為一個(gè)喘振。在下一次檢測(cè)到喘振之前,差壓信號(hào)必須增加到差壓限定值和差壓限定滯后之和以上。對(duì)于每一個(gè)壓縮機(jī),差壓限定和差壓限定滯后的值也都是確定的,必須由壓縮機(jī)制造廠進(jìn)行調(diào)整。

3.3 聯(lián)鎖停車

喘振監(jiān)測(cè)壓力信號(hào)和/或差壓流量信號(hào),一旦壓縮機(jī)啟動(dòng),并且達(dá)到啟動(dòng)時(shí)間,喘振檢測(cè)系統(tǒng)即處于激活狀態(tài);當(dāng)壓縮機(jī)關(guān)閉,則喘振檢測(cè)系統(tǒng)停止。第一個(gè)被探測(cè)到的喘振將啟動(dòng)一個(gè)時(shí)控計(jì)數(shù)器。每個(gè)被檢測(cè)到的喘振都將被計(jì)數(shù)。如果在控制時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器達(dá)到報(bào)警喘振的數(shù)目,就會(huì)觸發(fā)一個(gè)喘振報(bào)警;如果在控制時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到壓縮機(jī)聯(lián)鎖值,觸發(fā)一個(gè)故障聯(lián)鎖,壓縮機(jī)即被停車。在控制時(shí)間終止之前,如果計(jì)數(shù)器沒有達(dá)到喘振探測(cè)報(bào)警和聯(lián)鎖的數(shù)目,該計(jì)數(shù)器將被清零。

在控制時(shí)間達(dá)到之后,復(fù)位一次即可消除當(dāng)前的所有警報(bào)。在壓縮機(jī)運(yùn)行期間,存儲(chǔ)的最大探測(cè)斜率、第一到第四喘振值和所有探測(cè)到的喘振數(shù)都不能被重置,但使用密碼保護(hù)屏上的復(fù)位鍵將會(huì)復(fù)位所有報(bào)警和聯(lián)鎖。

4 結(jié)束語

防喘振控制對(duì)于CO2壓縮機(jī)的穩(wěn)定傳送發(fā)揮重要的作用,通過熟悉掌握工藝過程和壓縮機(jī)的操作性能,通過采用壓力控制、溫度控制、流量控制、電流控制,結(jié)合串級(jí)控制、比例積分控制和非對(duì)稱輸出,使壓縮機(jī)機(jī)組具有足夠的靈活性和可靠的防喘振保護(hù)系統(tǒng)。在非滿負(fù)荷的工況下,效率最高,操作范圍寬,設(shè)備安全。對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組控制和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和調(diào)試,獲取最合適的控制方案,確定壓縮機(jī)機(jī)組的診斷系統(tǒng),從而使壓縮機(jī)控制系統(tǒng)達(dá)到最佳化和最優(yōu)化。

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