內(nèi)壓縮流程制氧機自動控制系統(tǒng)的研究

胡述龍

（南陽理工學(xué)院，南陽 473000）

0 引言

內(nèi)壓縮流程是制氧生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，但其存在穩(wěn)定工作區(qū)域窄及容易發(fā)生喘振等問題，其中喘振對壓縮機的危害極大，必須配備控制系統(tǒng)來防止喘振的發(fā)生[1]。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，防喘振的控制手段和控制品質(zhì)都得到了提高，但防喘振控制還存在大量氣體放空導(dǎo)致的能源浪費及控制回路單一導(dǎo)致的控制質(zhì)量不好等問題[2]。

針對某新型雙導(dǎo)葉離心式內(nèi)壓縮流程制氧機生產(chǎn)中存在的控制難點，本文提出了一套綜合控制策略，即采用自適應(yīng)動態(tài)干預(yù)控制改進了常規(guī)的基于PID控制的防喘振算法，建立了多重防御體系，抑制了喘振的發(fā)生；同時采用最小二乘曲線擬合方法求得了雙導(dǎo)葉隨動專家經(jīng)驗公式，實現(xiàn)了雙導(dǎo)葉的協(xié)調(diào)動作。

1 自適應(yīng)PID防喘振控制

離心式壓縮機雖然有體積小、流量大、調(diào)節(jié)性能好、控制氣量的變化范圍廣等優(yōu)點，但它也有本身固有的喘振、軸向推力、軸振動等不足，需要設(shè)計合理的系統(tǒng)對喘振進行控制及實現(xiàn)連鎖保護[3]。

通過一定的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到如下的離心式壓縮機制氧裝置的近似喘振曲線：

其中，p2為離心式壓縮機出口氣體壓力；Δ p1為離心式壓縮機入口氣體壓差；a與b為與離心式壓縮機工作參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。這樣在p2-Δp1關(guān)系圖上可用一條直線來近似描述離心式壓縮機的喘振曲線，為保證壓縮機工作在安全區(qū)，其工作點首先應(yīng)滿足不等式 p2＜ a + bΔ p1，再保留一定的安全裕度8%～15%，這樣便可適當?shù)倪x取系數(shù)a和b的獲得滿意的防喘振效果。

實際應(yīng)用時工業(yè)現(xiàn)場工況的影響因素眾多，根據(jù)一條防喘振線進行常規(guī)的PID控制算法往往難以適時有效地預(yù)防和抑制喘振的發(fā)生，需要采用多種控制方式建立多重防御體系(如圖1所示)以提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。

圖1 喘振自適應(yīng)多重防御示意圖

壓縮機喘振自適應(yīng)多重防御體系中的6條線把控制區(qū)域分割成6個區(qū)域根據(jù)壓縮機當前的工作點位置自適應(yīng)地進行控制，基于此構(gòu)建的的離心式壓縮機喘振自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制框圖建立如圖2所示。

圖2 喘振自適應(yīng)控制系統(tǒng)框圖

壓縮機喘振自適應(yīng)控制系統(tǒng)工作原理如下：1）喘振控制線L4是防喘振控制器的基準線將壓縮機喘振線L1右側(cè)的區(qū)域劃分為控制區(qū)和安全區(qū)，調(diào)控時基于壓縮機實際工作點根據(jù)PID運行結(jié)果減小或增加防喘振閥的開度以使工作點回到控制線L4。2) 緊關(guān)線L5右側(cè)為“絕對安全區(qū)”，壓縮機工作在該區(qū)域時控制器輸出電流大于額定值強制防喘振閥完全關(guān)閉，而當壓縮機的工作點左移時控制器首先將輸出信號跳回額定值，然后再實施正常的控制作。3) 設(shè)置快速響應(yīng)線L3作為非線性控制方式的起動線，即根據(jù)測量與給定偏差的大小和方向來改變PID對偏差信號的調(diào)節(jié)增益，以實現(xiàn)非線性自適應(yīng)控制。4) 釋放線L2使防喘振控制系統(tǒng)可以通過檢測控制偏差的減小速率來判斷工作點的左移速度，進而階躍性地減小輸出信號以增大氣體流量，梯度性地讓壓縮機脫離喘振危險。5) 控制器檢測到壓縮機工作點移至保安線L6的左側(cè)，即已發(fā)生喘振時立即將控制線L4向右移動適當距離以抑制喘振再次發(fā)生，并發(fā)出報警信息以提醒操作人員查找并排除喘振原因，然后再將控制線復(fù)位到初始位置。

同時所設(shè)計的離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)還設(shè)計了許多安全措施以防止壓縮機正常投運和報警狀態(tài)下人為因素給壓縮機帶來危險。

2 雙導(dǎo)葉隨動專家控制

所研究內(nèi)壓縮流程制氧機的空氣壓縮機由于在一級壓縮吸入口和二級壓縮吸入口都裝有入口導(dǎo)流葉片，如果兩個導(dǎo)葉的開度匹配不好，便會導(dǎo)致壓縮機吸入氣流不順、功耗上升及效率下降，嚴重時甚至?xí)斐蓧嚎s機喘振或極端情形導(dǎo)致機械損壞。投入使用初期，該兩級入口導(dǎo)葉開度的調(diào)整都是由現(xiàn)場操作人員手動進行，這不僅導(dǎo)致人員的勞動強度大，而且經(jīng)常出現(xiàn)兩個導(dǎo)葉的開度匹配不好的情況，這些都嚴重影響了工廠的生產(chǎn)效益。

通過認真分析壓縮機歷史操作數(shù)據(jù)(如圖3所示)，可以發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)近似分布在一條直線上下，從而考慮通過最小二乘法擬合出了操作曲線。

圖3 一、二級入口導(dǎo)葉開度經(jīng)驗數(shù)據(jù)散點圖

具體地，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建如下的擬合方程組求取一、二級入口導(dǎo)葉開度匹配的線性函數(shù)關(guān)系式系數(shù)a與b：

其中，xi與yi分別為一、二級入口導(dǎo)葉IGV1與IGV2的開度數(shù)據(jù)。代入該壓縮機已積累的歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)得到兩者的函數(shù)關(guān)系為y=27.83+0.71x，這樣構(gòu)建如圖4所示的離心壓縮機雙導(dǎo)葉隨動專家控制系統(tǒng)。

雙導(dǎo)葉隨動專家控制系統(tǒng)可使壓縮機吸入氣流順暢、使壓縮機的能耗穩(wěn)定在較低的水平、同時也大幅度降低了能耗波動與提高生產(chǎn)的自動化水平。

圖4 雙導(dǎo)葉控制系統(tǒng)框圖

3 現(xiàn)場控制系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析

現(xiàn)場雙導(dǎo)葉離心式壓縮制氧機控制系統(tǒng)由PCS7 DCS、Profibus現(xiàn)場總線、ET200M遠程I/O等硬件組成，控制系統(tǒng)軟件采用PCS7軟件包，提供有CFC、LAD、IL、SFC等圖形化組態(tài)手段和WINCC6.0監(jiān)控軟件。由于各種調(diào)節(jié)閥門、導(dǎo)葉執(zhí)行機構(gòu)等，一般都接收4～20mADC標準信號。我們在其定位執(zhí)行器輸入端加入標準的4mA、8mA、12mA、16mA及20mA模擬量控制信號，通過觀察相應(yīng)裝置是否對應(yīng)0%、25%、50%、75%、100%的開度而判斷其工作的正確性，從而研究所設(shè)計控制系統(tǒng)的有效性。

現(xiàn)場離心式壓縮機制氧機組有100多個受控閥門，這樣調(diào)試時記錄的數(shù)據(jù)很多，受篇幅限制，在此僅列出了氧氣流量調(diào)節(jié)閥FV200A的調(diào)試記錄數(shù)據(jù)如表一所示?？梢姳疚乃O(shè)計的PID自適應(yīng)控制方案較常規(guī)PID控制方法能更好地跟蹤調(diào)節(jié)信號，能夠更好地抑制離心式壓縮制氧機出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

表1 氧氣流量調(diào)節(jié)閥FV200A的調(diào)試記錄數(shù)據(jù)

圖5 壓縮制氧機升壓曲線

傳統(tǒng)操作人員手動與雙導(dǎo)葉隨動專家控制兩種情況下雙導(dǎo)葉離心式壓縮制氧機升壓過程如圖5所示，圖中紅線和紫線分別表示壓縮機的出口壓力和驅(qū)動電機電流?？梢姴捎萌斯な謩诱{(diào)節(jié)兩個導(dǎo)葉進行升壓時壓縮機的出口壓力曲線和電機電流曲線波動較大，而采用雙導(dǎo)葉隨動專家控制后出壓縮機的出口壓力曲線和電機電流曲線都比較平滑穩(wěn)定，壓縮機的能耗和工作穩(wěn)定性大為改善。

4 結(jié)束語

針對內(nèi)壓縮流程制氧機喘振及雙導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)問題，本文改建立了自適應(yīng)多重防御控制系統(tǒng)，使得控制器反應(yīng)更加迅速，能夠更快和更有效的防止喘振的發(fā)生，且節(jié)能效果明顯；采用最小二乘曲線擬合方法得到了雙導(dǎo)葉隨動專家經(jīng)驗公式，實現(xiàn)了雙導(dǎo)葉的協(xié)調(diào)動作、節(jié)約了能源、降低了人員勞動強度。工業(yè)現(xiàn)場實用表明所研制的內(nèi)壓縮流程制氧機自動控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制效果良好。

[1]李方濤,李書臣, 蘇成利, 等.離心式壓縮機防喘振控制及故障診斷系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2011,38(5):589-592.

[2]阮榮波.離心式壓縮機的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2012,33(13):65-66.

[3]李永生.離心式壓縮機的抗喘振控制[J].大氮肥,2009,32(3):177-180.