离心式空压机防喘振优化

李亚伦，李 伟，孙建平

（华北电力大学自动化系，河北保定 071003）

离心式空压机防喘振优化

李亚伦，李 伟，孙建平

（华北电力大学自动化系，河北保定 071003）

针对火电厂离心式空压机的喘振预防及控制策略的优化进行分析；喘振是离心式空压机的固有现象，预防喘振需要找到空压机的空气流量和出口压力的喘振曲线，根据喘振曲线设计变极限流量控制方案；控制策略采用模糊PID控制，针对不同的压力偏差区间找到合适的控制器参数，实现了空压机组适应负荷变化的快速性和稳定性。

离心式空压机；防喘振；模糊控制；优化

离心式空压机是工业生产中的重要设备，广泛应用于钢铁、化工、电力等行业。离心式空压机具有压缩效率高、供气均匀、排气压力高等优点。在电力行业中，空压机主要提供高压力的压缩空气作为空气阀门的动力，是必不可少的工业设备。如果空压机发生故障，会直接造成整个机组的停机，导致严重的设备故障和经济损失。空压机发生故障的主要原因是发生喘振现象，喘振现象严重威胁离心式空压机系统的安全，对离心转子及压缩机级间的间隙有严重破坏。喘振现象是离心式空压机的固有特性，所以要做到主动预防与控制，才能保证空压机的安全稳定运行。

在项目中，有5台英格索兰CENTAC离心式无油二级空压机，这5台空压机通过管道串联一起向母管供气，设定离母管最近的空压机为1＃，其他为2＃，3＃，4＃，5＃。为了保证生产的安全稳定，其中的3台空压机正常工作，其余2台备用。这5台空压机的控制系统是英格索兰厂家20世纪90年代生产的，控制设备落后，操作不便，经常发生喘振现象，严重影响了安全生产。为了提高控制水平，决定采用先进控制策略优化控制系统。新控制设备采用OMRON的CJ系列PLC及EB 8000触摸屏，通过MODBUS协议和上位机DCS通信，对重要参数指标进行实时显示，如排气压力、系统压力、入口门开度、旁路门开度、电机电流等数据。上位机能够实现远程启、停，改变设定压力和控制器参数的功能。

笔者提出一种基于变极限流量防喘振结合模糊PID的控制策略：首先找到机组自身的喘振曲线，针对喘振曲线设计极限流量；在保证安全运行的基础上运用模糊控制来提高空压机对压力响应的效率，在特殊情况下能够保证机组快速达到设定的压力负荷。

1 离心式空压机的喘振

1.1 喘振产生的原因

空气进入空压机后，经过离心叶片的压缩，产生一个压缩空气流量，随着空气流量的逐渐增长，空压机出口压力也不断升高。离心式空压机的喘振现象是空压机内部气体周期性振荡，同时发出类似“哮喘”的吼声，这种现象就是喘振。产生喘振现象的原因是出口压力上升而空压机的空气流量不能随着压力而增加，导致气流在离心式空压机叶片进口处与叶片发生冲击，使叶片一侧气流边界层严重分离，出现漩涡区，导致旋转脱离或旋转失速［1］。

1.2 喘振曲线

离心式空压机的喘振曲线是以横坐标为压缩空气流量及纵坐标为出口压力的平滑曲线。在喘振曲线左侧的区域为喘振区域，当运行在这个区域时，极有可能出现喘振现象。要保证空压机安全运行，必须在喘振曲线右侧保持一定稳定裕度的工作区域上运行［2］。实践中通过不同出口压力下的喘振实验来获得一条精确的喘振曲线，只要找到了稳定运行区域就可以有效避免喘振现象的发生。

1.3 防喘振控制原理

离心式空压机安全稳定的必要条件是使空压机运行的空气流量大于出口压力下对应的最小空气流量，只要保证了这个条件就可以避免喘振现象的发生。保证流量的防喘振控制方案有2种：一是固定极限流量法，首先选定极限的出口压力，找到极限出口压力相对应的极限流量。只要限制最高出口压力并且保证空压机运行时的空气流量一直保持在极限流量之上，就可避免喘振的发生；二是变极限流量法，根据不同的出口压力对应的空气流量，设定不同的极限流量。从节能的角度看，变极限流量法能根据喘振曲线不停地调整极限流量，变极限流量法比固定极限流量法能够节省许多不必要的能量损失。但从安全稳定的角度看，固定极限流量法更加安全稳定，能够使运行的安全区域保持较大的稳定裕度，而且设计简单实用。设计采用两者结合的方法预防喘振，既达到了安全稳定的目的，又实现了节能的效果［3－5］。

2 离心式空压机防喘振设计

2.1 硬件设计

设计使用5台OMRON的CJ系列PLC，其中每台PLC设计模拟量输入、输出12点，数字量输入、输出22点，需要一个通信模块、电源和变压器。控制电源后接直流继电器，设计目的是防止控制电源切换时空压机控制器失电，造成空压机停机的事故。5台PLC和上位机DCS采用MODBUS通信，把节点并联在一条通信线上，由于传输距离比较远，使用RS485的通信端口完成，选择半双工的通信方式，实现上位机远程控制和监视的功能［6］。

2.2 喘振曲线

喘振曲线是根据出口压力找到不同压力值对应的极限空气流量，但依据实际情况，当出口压力小于实际的系统压力时压缩空气无法打开逆止门，所以不需要把全部曲线绘出，只找到从系统压力附近开始到最大出力的喘振曲线即可。

防喘振方程可表示为

式中：a，b分别为与压缩机性能相关的常数；k为气体绝热指数；g为重力加速度；p1为进气压力；p2为出气压力；T为进气温度；QV为空压机进气流量；R为特定气体常数。根据式（1）可以得出，如果要避免喘振的发生就要控制流量和压力的关系，这个关系曲线为一个抛物线。想要得到这条曲线就必须进行喘振实验，再根据实验得到的喘振数据进行拟合，最终得到比较精确的二次曲线。实际应用中，由于流量计算比较复杂，在保持出口压力不变的情况下，如果空压机电机电流越高则进气量越大，证明可以用电机电流来近似表示进气流量。进气压力主要受到滤网压差的影响，但一般进气滤网都会定期更换，能够保持进气压力稳定，所以主要压力变化在于出口压力。喘振曲线可以简化成关于电机电流和出口压力的二次关系曲线，根据实验数据得到喘振曲线如图1所示。

图1 喘振曲线Fig.1 Surge curve

2.3 离心式空压机控制策略

离心式空压机控制策略的设计是根据其运行特点把空压机运行情况进行分段，不同的运行情况采用不同的控制策略，分段设计是根据出口压力的压力等级分成启动段和运行段。启动段主要的任务就是在负荷突然出现下降时，为了快速增加负荷，需要快速启动，所以可以采用固定极限流量法来实现，虽然能量有一些损失，但提高了启动效率和稳定性［7］。空压机进入运行阶段时，控制策略采用模糊PID控制，根据实际压力值和压力设定值的偏差e，设定不同控制区间，运用多个不同的PID参数进行控制。

根据偏差设定控制区间：小偏差区间（0～7 k Pa）、中间偏差区间（＞7～14 k Pa）、大偏差区间（＞14 kPa）。进入运行阶段时根据偏差大小选择不同的控制器，其调度策略见表1。

表1 调度策略Tab.1 Scheduling strategy

在运行段内，采用变极限防喘振控制，根据实验得到的喘振曲线，找到曲线中各出口压力下的防喘振极限流量所对应的电机电流，再加上一定的稳定裕度，最终找到极限电流值。把设定的极限电流值分为2类：一类稳定裕度比较大，相对比较安全，设为极限电流值1；另一类稳定裕度比较小，比较容易发生喘振，设为极限电流值2。如果在运行中出现低于极限电流值1的情况，立刻切除模糊PID控制器，按设定的斜坡速率打开入口门，来增加空气流量避免空压机喘振的发生，直到电机电流稳定在安全区域后再切回模糊PID控制器；如果在运行中出现低于极限电流值2的情况，立刻切除模糊PID控制器，按设定的斜坡速率打开旁路门，来迅速增加空气流量避免空压机喘振的发生，直到电机电流稳定在安全区域后再切回模糊PID控制器。这样当出现电机电流低时先打开入口门，不仅可以进一步增加空气流量，而且进一步增加出口压力，避免直接打开旁路门，防止降低出口压力造成的能源浪费。

模糊PID控制器采用T－S模型模糊控制器对单元机组负荷进行隶属度函数分析，隶属度规则为

式中：e为压力差值；n为规则条数；m为变量相对应的模糊集合；M i为第i个控制器；Aij为功率的模糊集。其隶属度函数见图2。

图2 隶属度函数Fig.2 Membership function

模糊PID参数的设置规则如下。

1）当｜e｜较大时，取较大的KP和较小的KD（使系统响应速度加快）且使KI＝0（避免过大超调）；

2）当｜e｜中等时，取较小的KP（使系统响应具有小的超调）；

3）当｜e｜较小时，取较大的KP，KI（使系统具有良好的稳定性能）。

3 运行效果

经过系统设计和安装调试，5台离心式空压机的PLC对DCS的MODBUS通信，实现了远程控制与监视，方便了运行人员及时控制负荷，同时实现了负荷报警自启动备用空压机的目标。空压机技改项目完成后要经过168 h安全稳定运行的检验，其中包括对空压机的快速启动、负荷的跃动、故障时备用空压机联起等功能的检测。空压机安全稳定运行168 h，防喘振的功能也得到了验证，喘振现象并没有发生，在出现极限电机电流时能够及时采取措施防止喘振。到目前为止，该系统运行稳定可靠，验证了所采取的措施和控制策略是有效的。

4 结 语

根据空压机喘振曲线应用变极限电流法，能够有效防止喘振，同时达到提高电能利用率的效果。在防喘振措施中，把旁路门与入口门开度相结合，不仅能够有效提高空气流量，而且能够有效维持出口压力，保障负荷的稳定。控制器采用模糊PID控制策略能够更好地实现对目标负荷的快速跟踪，最终达到离心式空压机防喘振与控制策略优化的目的。

［1］王银燕，杨传雷，冯永明，等.离心式压气机喘振主动控制硬件在环仿真［J］.系统仿真学报，2011，23（6）：1 141－1 145.

［2］张国华，李 伟，崔洪伟，等.大型离心式压缩机性能曲线的修正与降负荷运行［J］.化肥设计，2011，49（1）：33－34.

［3］金 星，姜长泓，王盛慧.离心式空压机防喘振广义预测控制方法的研究［J］.东北师大学报（自然科学版），2010，42（4）：76－79.

［4］BOYNOV K O，LOMONOVA E A，VANDENPUT A J A，et al.Surge control of the electrically driven centrifugal compressor［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42（6）：1 523－1 531.

［5］刘 超.模糊理论在压缩机喘振控制上的应用研究［J］.广东化工，2011，38（3）：170－171.

［6］张成宝.离心式压缩机的喘振分析与控制［J］.压缩机技术，2002（6）：4－8.

［7］王志标，张早校，姜培正.压缩机动态防喘振控制策略进展分析［J］.风机技术，2003（4）：39－42.

Anti－surge optimization of centrifugal compressor

LI Ya－lun，LI Wei，SUN Jian－ping
（Automation Department，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China）

The optimization of surge prevention and control strategies of centrifugal air compressor in power plant is studied.Surge is an inherent phenomenon of centrifugal air compressor，and to prevent the surge needs to find out the surge curvet for the air flow and outlet pressure，which are used to design the change limit flow control.Fuzzy PID control is used for different pressure deviation range to find suitable controller parameters，making the unit adaptable to the load change.

centrifugal air compressor；anti－surge；fuzzy control；optimization

TP273＋.4；TH452

A

1008－1534（2012）04－221－03

2012－04－24

陈书欣

李亚伦（1987－），男，河北沧州人，硕士研究生，主要从事协调控制优化方面的研究。