恒定转速离心式压缩机智能化节能控制

左国兵

(中国石化巴陵石化分公司 炼油事业部，湖南 岳阳 414014)

某公司空分装置使用的空气压缩机为电机驱动的恒定转速离心式压缩机，采用恒压控制。压缩机进气量通过进口导叶(IGV)来调节，防喘振阀(BOV)具有防喘振放空和正常压力调节双重作用。压缩机自带原厂控制系统，实现机组的调节、联锁以及防喘振控制。在实际运行中，因分子筛倒换导致系统压力波动时，空压机有时会出现BOV打开泄压的情况。BOV放空运行既不节能、现场噪音很大，也会反过来影响生产的稳定，放空运行还会对BOV的密封面冲刷，导致密封面损坏，关闭时出现气体泄漏。

1　BOV出现放空的原因

采用电机驱动的恒定转速离心式压缩机在恒压控制中，为实现出口压力稳定，一般通过调节IGV和BOV的开度实现[1]，而相同的出口压力可以由不同IGV和BOV开度大小组合来完成，若控制方式不合理导致IGV开度较大时，BOV就可能打开泄压来实现出口压力的稳定；当压缩机在BOV全关状态下运行时，若用气装置出现异常导致压力升高，IGV在压力PID控制下应该自动关小，通过减少进气量来降低系统压力，若IGV调整不及时使得系统压力继续升高出现超压时，压缩机的BOV就会打开泄压，防止机组憋压损坏或进入喘振区[2]。

2　常规的节能控制

当出现BOV放空运行时，除了人为关小IGV和BOV外，可以采用增加出口至入口的回流调节阀避免放空或增加变频器调节电机转速的方法实现节能[3-5]。在不增加硬件投入的情况下，通常也采用下面的自动节能方法： 设置压缩机压力调节器PIC1控制IGV，PIC1的设定值SV1等于压缩机的目标压力；设置压缩机压力调节器PIC2控制BOV，PIC2的设定值SV2略高于压缩机的目标压力，设SV2=SV1+10 kPa，PIC1和PIC2均处于压力PID自控模式，2个PID回路的测量值均为压缩机系统压力PV。

2.1　节能控制方法

1) 当PV小于SV1。由于PIC1的PV小于SV1，在压力PID回路控制下阀位输出值(MV)增加使IGV阀位开大加大进气量升压；PIC2的PV更小于SV2，在压力PID回路控制下MV减小使BOV阀位减小也升压。在IGV开大和放空阀关小过程中，压缩机排气压力会逐步增加，PV会先到达设定值SV1，IGV阀位不再开大，此时BOV可能还未全关，但由于PV仍低于SV2，PIC2自调将使BOV继续关闭，BOV关闭过程中，由于放空减小使PV继续增加并大于SV1，PIC1自调将使IGV关小减少进气量降压。这样2个压力PID回路的配合动作将使压力升到设定值而BOV关小直至全关，达到自动节能运行的目的。

2) 当PV大于SV1但小于SV2。压缩机在BOV全关状态运行时，当出现小幅超压即PV大于SV1但小于SV2时，PIC1自调使IGV关小减少进气量降压，使压力稳定在设定值，此时BOV保持全关。

3) 当PV大于SV2。在PV大于SV1但小于SV2时，若IGV动作不及时，PV值会继续上升加大超压，出现PV大于SV2的情况，此时PIC2自调会使BOV打开降压使系统压力会很快降至SV2，同时PIC1一直在自调减小IGV阀位使系统压力降至SV1，系统压力从SV2降至SV1过程中，PIC2自调使BOV逐步关小直至全关，从而达到自动节能运行的目的。

2.2　常规控制方案的缺陷

手动关小IGV和BOV的开度虽能实现节能控制，但需要人为干预和操作，过程繁琐且容易导致误操作；上文提到的自动节能方法需要IGV和BOV同时自调控制系统压力，在实际应用过程中会出现2个压力控制回路互相干扰、压力波动大、容易引起压力超调、极端情况下IGV开度会过小，导致压缩机进入防喘振区等问题[6]。因此，实现离心式压缩机的智能化自动节能控制显得日益重要。

3　智能化自动节能控制系统

离心式压缩机智能化自动节能控制，也是采用关小IGV降压使得BOV自动关小升压的方法，来实现恒压控制的同时也解决了BOV放空运行不节能的问题。IGV和BOV分别通过2个系统压力PID控制回路进行控制，但节能控制过程中，IGV处于手控模式，接受节能控制程序命令改变开度，而BOV处于自控模式，实现自动恒压控制。

3.1　IGV的最小开度

节能控制过程既要确保压力控制平稳，也要确保压缩机不进入防喘振区。设置IGV的最小开度是保证机组不发生低流量喘振的重要因素，同时也是保证机组有足够流量的关键点，所以不管在正常的恒压调节中，还是在节能控制关小IGV操作时，IGV的开度均不能小于设定的最小开度。根据压缩机出厂调试的性能曲线，结合实际运行的经验，把空气压缩机的IGV最小开度设为35%，当IGV关闭至35%而BOV依然有放空时，为确保机组安全运行，IGV也不再关小。

3.2　压缩机运行最小电流

压缩机运行的最小电流也是保证机组不发生低流量喘振的重要指标，电流的大小取决于IGV和BOV的开度，同时也受空气温度、湿度、电压等因素的影响。最小运行电流的值也是根据压缩机出厂调试的性能曲线并结合实际运行的经验来确定，把空气压缩机运行最小电流设为138 A，在节能控制过程中IGV关小使电流降至最小电流时，即使BOV依然有放空时，为确保机组安全运行，IGV也不再关小。

3.3　压缩机运行工作点识别

压缩机“排气压力-电流”防喘振原理如图1所示，压缩机的工作区域被划分为喘振区、防喘振区、安全工作区，其中安全工作区为压缩机正常工作的区域。机组安全工作点在防喘振线右边，正常运行时工作点不要越过防喘振线[7-9]。考虑压缩机长期运行后喘振点变化以及压缩机工作点的正常波动，在节能控制关小IGV的过程中，因电流减小机组工作点在向左边移动过程中不要过于靠近防喘振线，因而在防喘振线右侧设置了1条节能控制线，作为节能控制过程中的安全控制线。

节能控制线与防喘振线之间的距离一般设置在防喘振电流的5%左右。如图1工作点A对应的压力为0.50 MPa，电流为160 A，节能控制线对应的电流为143 A，防喘振电流线对应的电流为136 A。节能控制线与防喘振线之间距离为7 A。在节能控制关小IGV时，当压缩机工作点到达节能控制线，则停止节能控制，IGV不再关小[4]。

图1　“排气压力-电流”防喘振曲线示意

3.4　IGV的高选控制

设定好压缩机的IGV最小开度值、最低运行电流以及节能控制线后，就可以保证节能控制过程中机组不进入防喘振区。所以在节能控制过程中，IGV受到3个程序命令的控制，为确保机组运行安全，设定的IGV最小开度值、到达最低运行电流时对应的IGV开度以及到达节能控制线时的IGV开度,三者进行高选后的IGV开度值就是机组节能控制过程中IGV的最小值，当IGV关至此开度时就停止节能控制操作，即使BOV依然有放空，为确保机组安全运行，IGV也不再关小[5]，IGV高选控制原理如图2所示。在节能控制关小IGV过程中，若BOV已经关闭则自动停止节能控制程序，同时IGV压力控制回路由手动控制模式切换为自动控制模式，实现了系统压力的恒压控制。

3.5　效果分析

智能化节能控制系统投用后，机组可以根据工艺操作要求实现全自动操作，既保证了安全，又实现了优化高效运行。

1) 无需人为操作压缩机的IGV和BOV，实现了节能控制，系统可以全自动解决节能控制过程IGV和BOV的配合动作。

2) 压缩机性能控制更为平稳，当系统压力出现波动时可以很快稳定下来，实现了节能控制和恒压控制完好融合。

3) 在装置低负荷运行时，压缩机BOV比之前关小了6%左右的开度，使压缩机工作在最节能的区间。

4) 在装置正常负荷运行时，因生产波动使压缩机BOV打开后，可以在最短的时间内实现BOV全关。

5) BOV放空的减少可以降低运行电流，减少电能消耗，达到节能控制的目的[10]。

图2　IGV高选控制原理示意

3.6　智能化节能控制的优势

智能化节能控制方式与常规控制方式相比压力控制更为平稳，无需人为干预，不会导致压缩机喘振，节能效果显著；更无需对机组仪表和阀门做任何的改造，无硬件投入，与增加回流调节或增加变频器调速方式相比既节约投资，又简单易行，只需要修改压缩机的逻辑组态程序即可实现自动智能化节能控制。

4　结束语

通过自动识别离心式压缩机当前工况点、设定IGV最小开度、压缩机最低运行电流以及节能控制线，采用节能控制程序关小IGV开度来降压，BOV在压力PID控制下自动关阀升压，从而实现智能化的节能控制。该方法成功地应用于该公司空分装置的离心式空压机和氮压机上，获得了很好的节能控制效果，解决了人为操作繁琐及其他方式控制不平稳等问题，具有很好的推广应用价值。

参考文献：

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[2]辛江.离心式压缩机运行节能技术[J].硅谷,2012(17): 12.

[3]郭仁宁,金洁.变频调速在离心压缩机喘振控制中的应用[J].风机技术,2008(05)： 58-60.

[4]王柱华,王声铭.榆林压气站高压变频调速节能技术[J].天然气与石油,2007,25(06)： 36-38.

[5]苟新超.空气压缩机节能技术研究与应用[J].风机技术,2015(10)： 65-69.

[6]仲广玉.入口导叶开度过小对空压机喘振的影响[J].中国石油石化,2016(22): 89-90.

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