60 000m3空壓機(jī)喘振保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)

李學(xué)波

（山東萊鋼集團(tuán)公司 自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

空氣壓縮機(jī)作為大型空分裝置氣源供應(yīng)的大型設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到全套制氧機(jī)的停機(jī)率和安全性。為此，從現(xiàn)有的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)研究大型離心式壓縮機(jī)的機(jī)械特性和拖動(dòng)系統(tǒng)的電氣特性以及現(xiàn)有控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，采用硬件檢測(cè)和軟件編程相結(jié)合的手段，以60 000m3萊鋼制氧機(jī)空壓機(jī)為目標(biāo)，通過(guò)建立一套喘振保護(hù)系統(tǒng)，有效地避免停機(jī)故障的發(fā)生以及縮短停機(jī)故障處理時(shí)間。

1 喘振的危害及形成原理

“喘振”在專業(yè)術(shù)語(yǔ)中一般是表示壓縮機(jī)中不可控制的流量能引起壓力、流量強(qiáng)烈的周期波動(dòng)，這反過(guò)來(lái)又使壓縮機(jī)出現(xiàn)高振動(dòng)、高溫，從而導(dǎo)致對(duì)壓縮機(jī)組件（如軸承、密封件）的損壞，甚至對(duì)葉輪和轉(zhuǎn)子都會(huì)產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致維修費(fèi)用提高。就算沒(méi)有明顯的損壞發(fā)生，也會(huì)影響壓縮機(jī)的使用壽命以及生產(chǎn)效率。

圖1為一個(gè)連續(xù)的喘振周期示意圖。在點(diǎn)①到點(diǎn)②這個(gè)過(guò)程中，壓縮機(jī)出口壓力增大，出口流量減少；點(diǎn)②表示了在此過(guò)程中出口壓力達(dá)到最大點(diǎn)，且是一個(gè)穩(wěn)定極限值；在點(diǎn)③的位置一股流量拖動(dòng)壓縮機(jī)葉輪使其突然陷入停轉(zhuǎn)的狀態(tài)，此時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)的壓力小于其出口壓力，從而導(dǎo)致氣體從管路回流到壓縮機(jī)，而回流的流量迫使壓縮機(jī)出口壓力急劇下降到點(diǎn)④的位置，因此形成了一個(gè)喘振周期。如果沒(méi)有有效的調(diào)節(jié)，作用在壓縮機(jī)葉片上的氣流會(huì)一次再一次地出現(xiàn)，喘振周期也將會(huì)循環(huán)出現(xiàn)。這種現(xiàn)象可以通過(guò)一直調(diào)節(jié)足夠的、微小的氣流的方式來(lái)預(yù)防，但最有效的方式是通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)回流閥的開(kāi)度來(lái)控制。

由于喘振是由流量的變化引起的，因此它的發(fā)生是非?？焖俚?。就目前來(lái)說(shuō)，還沒(méi)有一種標(biāo)準(zhǔn)的儀器來(lái)衡量或者測(cè)量喘振，作為一個(gè)可以接受的方式，就是把壓縮過(guò)程中的各種參數(shù)變化作為一個(gè)可依賴的警告。因此，在控制系統(tǒng)中，必須把喘振的參數(shù)控制在喘振線以內(nèi)，最有效的方式就是調(diào)節(jié)放空閥或者回流閥。這兩個(gè)閥的時(shí)間限制是必須在2s以內(nèi)能夠全部打開(kāi)，有時(shí)候稍微開(kāi)一點(diǎn)就可以使壓縮機(jī)回到正常的工作范圍中，從而保護(hù)壓縮機(jī)遠(yuǎn)離不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖1 連續(xù)喘振周期示意圖

2 喘振保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化配置

我們采用軟、硬件結(jié)合的手段，利用分布式模塊的智能化功能和現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊診斷能力，充分發(fā)揮?？怂共_I／A Series DCS系統(tǒng)的先進(jìn)理念，通過(guò)將ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、全光纖通信的MESH網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，建立大型離心式空壓機(jī)的喘振保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)空壓機(jī)的喘振進(jìn)行有效地區(qū)分甄別，對(duì)有可能的喘振進(jìn)行合理的判斷和預(yù)處理，并為生產(chǎn)管理者提供所需的信息，從而使故障判斷的準(zhǔn)確性以及故障的處理速度顯著提高，有效地降低空壓機(jī)的喘振和停機(jī)率。

控制器采用ABB的PROTRONIC 500，并設(shè)有就地操作面板，對(duì)逆流保護(hù)、放空閥打開(kāi)、喘振連鎖等報(bào)警提示，并將控制器的處理結(jié)果傳到DCS系統(tǒng)。系統(tǒng)的編程采用時(shí)間中斷的方式，以盡可能短的掃描周期獲得空壓機(jī)排氣壓力和吸入流量的工藝參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化算法達(dá)到快速保護(hù)壓縮機(jī)的目的。

3 喘振保護(hù)系統(tǒng)的控制方案

圖2為防喘示意圖。

動(dòng)態(tài)壓縮是由增加氣流的特定機(jī)械能量（用多變壓頭表示）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)多變壓頭的壓力計(jì)算公式如下：

其中：T1為吸入溫度；R為壓縮比；p1為吸入壓力；p2為排放壓力；K為常數(shù)。

出口流量的計(jì)算公式如下：

其中：dp為出口差壓。

將入口導(dǎo)葉打到不同的開(kāi)度，通過(guò)壓縮機(jī)喘振實(shí)驗(yàn)得到在入口導(dǎo)葉不同開(kāi)度下壓頭壓力H和出口流量Q的數(shù)據(jù)，再通過(guò)一個(gè)7波段的喘振曲線函數(shù)計(jì)算出喘振線1的位置，對(duì)喘振線右移5%得到安全線2，右移10%得到控制線3。一般我們把壓縮機(jī)的工作區(qū)域控制在控制線以下。

圖2 防喘示意圖

3.1 入口導(dǎo)葉的控制

3.1.1 電流控制器的輸出

將主電機(jī)的電流作為入口導(dǎo)葉電流控制器PID的輸入值，主電機(jī)的額定電流作為控制器PID的設(shè)定點(diǎn)，PID的輸出值作為入口導(dǎo)葉的電流控制器的輸出值。

3.1.2 壓力控制器的輸出

將出口壓力p2作為入口導(dǎo)葉壓力控制器的輸入值，通過(guò)PID計(jì)算后的輸出作為入口導(dǎo)葉壓力調(diào)節(jié)器的輸出值。

3.1.3 流量控制的輸出

將出口流量Q作為入口導(dǎo)葉流量控制器PID的輸入值，PID的輸出值作為入口導(dǎo)葉流量控制器的輸出值。

3.1.4 卸載控制的輸出

當(dāng)壓縮機(jī)卸載的時(shí)候，入口導(dǎo)葉要求全部關(guān)閉（開(kāi)度≤5%）。

將以上4個(gè)輸出值進(jìn)行低選，最終的結(jié)果就是入口導(dǎo)葉的閥位控制值。

3.2 放空閥的控制

3.2.1 壓力控制器的輸出值

將出口壓力p2作為放空閥壓力控制器的輸入值，通過(guò)PID計(jì)算后的輸出作為放空閥壓力調(diào)節(jié)器的輸出值。

3.2.2 流量控制的輸出

將出口流量Q作為放空閥流量控制器PID的輸入值，PID的輸出值作為放空閥流量控制器的輸出值。

3.2.3 開(kāi)度最小保護(hù)的輸出

放空閥開(kāi)度的高、低限幅分別為95%和5%，當(dāng)閥位大于95%時(shí)，認(rèn)為閥門(mén)打開(kāi)；小于5%時(shí)，認(rèn)為閥門(mén)關(guān)閉。同時(shí)設(shè)有聯(lián)鎖和報(bào)警（放空閥閥位大于95%是啟動(dòng)空壓機(jī)的聯(lián)鎖條件之一）。當(dāng)冷箱關(guān)閉時(shí)，放空閥閥位要求為75%。當(dāng)增壓機(jī)一段卸載時(shí)，放空閥閥位要求為60%；當(dāng)增壓機(jī)二段卸載時(shí)，放空閥閥位要求為45%。當(dāng)設(shè)定點(diǎn)在安全線的左側(cè)時(shí)，要求放空閥有10%的開(kāi)度；當(dāng)設(shè)定點(diǎn)在喘振線的左側(cè)時(shí)，要求放空閥有75%的開(kāi)度。

3.2.4 加載控制的輸出

空壓機(jī)剛加載時(shí)，放空閥通過(guò)斜坡控制來(lái)逐步關(guān)閉，斜坡的控制速度為每秒1%。

將以上4個(gè)輸出值進(jìn)行高選，最終的結(jié)果就是放空閥的閥位控制值。

3.3 喘振保護(hù)器的控制

喘振保護(hù)器通過(guò)采集空壓機(jī)的入口差壓、入口壓力、出口壓力、出口流量等數(shù)據(jù)，對(duì)空壓機(jī)喘振前出現(xiàn)的逆流等現(xiàn)象進(jìn)行有效的控制。如果出現(xiàn)喘振等狀況，第一時(shí)間通過(guò)硬線連接對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行卸載處理，并向DCS傳出報(bào)警信息及處理結(jié)果。

3.4 移線控制

如果發(fā)生喘振，每喘振一次控制線右移1%，最多右移5%?？刂飘?huà)面上顯示移線值、移線次數(shù)，并設(shè)有移線報(bào)警、移線到最大報(bào)警。同時(shí)設(shè)有喘振復(fù)位按鈕，當(dāng)按鈕按下時(shí)，控制線回復(fù)原位。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓縮機(jī)喘振保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了壓縮機(jī)運(yùn)行的安全可靠性，防止因?yàn)橐馔庠蛟斐傻膲嚎s機(jī)損害，避免了由此引起的長(zhǎng)期停機(jī)和生產(chǎn)損失。