ITCC防喘振控制系统在离心式压缩机中的运用

毛大军

(呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506)

离心式压缩机是速度型压缩机的一种，是生产装置上的核心设备，具有处理量大、体积小、结构简单、运转平稳、维修量小等特点，在生产过程中起着举足轻重的作用。利用高速旋转的叶轮带动气体一起旋转从而产生离心力，将能量传递给气体，使气体压力升高，速度增大，气体获得了压力能和动能。在叶轮后部设置有通流截面逐渐扩大的扩压元件(扩压器)，从叶轮流出的高速气体在扩压器内进行降速增压，使气体的部分动能转变为压力能，从而提高压缩气体的压力。离心式压缩机的压缩过程主要是在叶轮和扩压器内完成。

当离心式压缩机运行的工况偏离设计工况时，如果气体流量减少，进入叶轮或扩压器的气流方向就会发生变化。当流量减少到临界点时，由于叶轮的连续旋转和气流的连续性，使这种边界层分离现象扩大到整个流道，气流分离沿着叶轮旋转的反方向扩展，使叶道中形成气流漩涡，再从叶轮外圆折回到叶轮内圆，发生旋转脱离，出现离心式压缩机的“喘振”现象。

喘振是离心式压缩机的固有特性，喘振现象对压缩机十分有害，必须加以控制。防喘振的方式很多，如增设入口压力、流量低联锁报警；在压缩机出口管路上设置防喘振自动调节装置，采用防喘振阀控制；在压缩机出口管路上增设放空安全阀，并定期调校安全阀；定期检查、调试防喘振调节阀、压力及流量联锁仪表，确保其整定值准确，动作灵敏；做好压缩机前、后系统的平稳操作，减少工况的波动；压缩机启动前要做好各项检查，启动后的升压操作要缓慢、平稳。对于来自空压机、氮压机、二氧化碳压缩机等的无毒、无污染性气体，开车时可以将部分压缩机出口气体通过放空阀放空降低出口压力；对于不允许放空的气体，可以将出口部分气体通过旁路返回压缩机的入口。本文以二氧化碳离心式压缩机为例来说明ITCC防喘振控制系统的运用。

1 设计理念

ITCC(Integrated Turbine and Compressor Control)简称压缩机/透平综合控制系统。当工况条件改变时，它能够平稳地过渡到另一种设定工况，选用国际先进的Tricon TS3000对压缩机进行控制和保护。TRICON控制系统硬件由美国TRICONEX公司生产，它具有三重冗余结构(TMR)和冗错能力。从主处理器到输入、输出模件完全三重化的容错控制系统，突出了“故障安全”功能，当系统出现故障时，输出保持原值不动，在异常情况时，将机组控制在一个安全状态。

Tricon系统下位机的编程由Tristation 1131完成，Tristation 1131是基于Windows环境开发的、针对Tricon系统的组态软件，除自身带有大量常用功能块外，还允许用户根据需要编制自定义功能块。Tristation 1131具有SOE(Sequence Of Events)事件记录功能，所有输入、输出和内存点都可以通过SOE记录下来。该系统的SOE可以精确到毫秒级，为事故追忆及分析提供了可靠的保证。上位机的组态软件由Intouch完成，与下位机的数据进行连接，为工艺提供了良好的数据采集、监控和操作功能。

机组控制系统的防喘振技术优良，执行速度快(周期100ms以内)，能有效应用复杂的控制算法，且能在系统内部实现速度控制与喘振控制之间的耦合控制，提高系统的响应速度及稳定性。系统通过Pd/Ps、h/Ps算法，确定机组的喘振线和防喘振控制线。

2 设计基础

离心式压缩机的特性曲线，通常是指出口绝压P2与入口绝压P1之比(或称压缩比)和入口体积流量的关系曲线、效率和流量或功率和流量之间的关系曲线。对于控制系统的设计而言，则主要用到压缩比和入口体积流量的特性曲线。离心式压缩机的喘振曲线见图1。

图1 离心式压缩机的喘振曲线

从图中可以看出，随着流量的增加，压比下降，功率和效率随着流量的增加而增加。当流量到达某一个值后，随着流量的继续增加，功率和效率又会逐渐降低，最终出现阻塞工况。即流量已经达到最大值，任凭背压如何降低，流量也不会再升高；或者压缩机内流动损失很大，能提供的排气压力很小，仅能用来克服排气管线的流动阻力以维持这样大的流量。反之，当流量减小到一定程度后，工况将不再稳定，非常容易发生喘振。

ITCC控制系统也是基于这种特性曲线来设计的，喘振控制器有适配增益和快开、慢关功能，允许防喘振控制阀快速打开，防止喘振。当工作点接近防喘振控制线左边的某一设定范围时，开始打开防喘振控制阀；当工作点达到喘振线时，防喘振控制阀全开。如果发生喘振，防喘振安全线自动重新调整，防喘振控制线右移，每一次喘振被记录后，安全边界向右增加2%，此时，新生成的安全线成为当前的防喘振安全线。当工作点在防喘振控制线右侧安全区域时，防喘振控制阀按照一个固定的、缓慢的速率关闭，此时可重新调整转速，以形成新的工况。

在实际生产中，有些工艺变量的控制受到多种条件的约束和限制，因此，必须根据不同的条件进行控制。一般情况就是在一个调节系统中有两个调节器(或两个以上的变送器)，通过高低值选择能适应生产安全状况的控制信号，该自动调节系统称为超驰控制系统，也就是选择性控制系统，在生产中有着广泛的应用。

超驰控制就是为实现软保护而设计的控制系统，当参数达到极限时报警，设法排除故障，同时改变操作方式，按使参数脱离极限值为主要控制目标进行操作，以防该参数进一步超限。这种方式一般会使原有的控制质量降低，但能维持生产的继续运转，避免了停车。

3 设计方法

离心式压缩机使用Triconex综合控制系统，用于控制出口压力，通过压缩机压缩气体和防喘振阀控制出口压力达到控制的要求，而单纯的压力控制器最终会导致压缩机运行不稳定。为了避免这种情况，Triconex使用了段间压力调节/防喘振控制。防喘振阀控制器使压缩机出口的防喘振阀在入口流量低时自动打开，通过打开防喘振阀，工艺气体带回压缩机出口流量和一段压缩的压力就会降低，但压缩机的一段入口流量会增加。这样，压力控制器可以通过防喘振控制阀来控制入口流量，从而改变出口压力的大小。

下位机中的防喘振控制程序，设置了自动、半自动、手动控制。防喘振控制应用能够通过单个模块有效地执行复杂运算的需要，产生一个不易出错的控制程序，以确保回路阀门能及时动作防止喘振，也便于故障诊断和易于理解。

在防喘振控制器中包含一个标准的防喘控制设备(Pd/Ps与修正元素dp (hc)算法)。在启动过程中，操作员将不能设置所需的防喘振阀的位置，防喘振阀处于全开位置(100%)。当操作模式到达正常运行模式时，操作员将能够自己选择“自动”和“半自动”两种控制方式，全手动模式只能在流量传感器故障的情况下有效。

(1)自动。自动情况下不允许操作员设置所需的防喘振阀的位置，只能被防喘振控制器控制。上位机操作按钮上，将“手动控制”按钮打到“半”位置，将“喘振控制”按钮打到“自动”位置，即可形成全自动控制。一般情况下，不建议将操作模式切到“全自动”。

(2)半自动。半自动允许操作员设置一个所需的防喘振阀的位置，操作员可以打开或关闭防喘振阀，但喘振控制器会基于喘振控制的设定点进行阀位调整，不接受操作员给定的危险阀位操作。在上位机操作按钮上，将“手动控制”按钮打到“半”位置，将“喘振控制”按钮打到“手动”位置，即可形成半自动控制。通常情况下都采用“半自动”来控制。

(3)全手动。全手动允许操作员设定一个所需的防喘振控制阀门的位置，操作员可以打开或关闭防喘振阀。在正常开车的情况下，为了安全起见，一般不允许打到全手动模式。因为人的反应不及时，也不可长时间目不转睛地盯着实际工作点，机组一旦接近或者已经进入喘振，很难及时快速调整，所以正常情况下操作员是不能切到全手动模式的，只有当流量变送器FT5712A/B或FT5732A/B的两只变送器的读数都降到3.6mA以下，或上升到20.8mA以上，系统才会切到全手动状态，阀门输出将保持在目前的位置。如果它的读数上升到3.8mA以上或20.4mA以下，传感器被视为恢复正常，系统自身将会切到半自动状态。上位机操作按钮上，全手动的组合键是将“手动控制”按钮打到“全”的位置，将“喘振控制”按钮打到“手动”的位置。

1131程序中，通过0～4 095共计4 096个浮点数，将变送器中4～20mA的电流信号统一转换成程序中从819～4 095相对应数。Xmin/819=3.6/4得出Xmin=737.1，Xmax/4 095=20.8/20得出Xmax=4 258.8。因此，浮点数≤736或≥4 259时，系统将会自己切到全手动状态。

3.1 流量补偿

管道中压力和温度参数参与到了流量的补偿中，根据三菱公司提供的质量流量补偿公式，可以计算出实际的质量流量。在整个喘振控制的计算中，0.101 3MPa(a)是添加到每个转换绝压的测量压力中，273.15K添加到每个转换绝对温度的温度测量中，该补偿质量流量测量的公式为：

(1)

式中：h为压缩机吸入流量0～100%；MFLOW为压缩机质量流量补偿；MFLOW_max为最大流量，kg/h；P_fo为压缩机吸入压力，MPa(g)；T_fo为压缩机吸入温度，℃；P_fob为孔板设计压力条件，MPa(a)；T_fob为孔板设计温度条件，℃。

现场安装的流量检测元件为三菱公司提供的孔板，在1131程序组态中，实际的二氧化碳流量是根据下列公式按体积流量来计算的：

QFLOW=QFLOW_max

(2)

式中：ΔP为孔板产生的差压；ΔP_max为孔板设计的最大差压；QFLOW为压缩机体积流量补偿；QFLOWmax为最大体积流量，Nm3/h。

3.2 喘振线的绘制

三菱压缩机的喘振曲线图是由压缩机绝压比(Pd/Ps)对排气压力的补偿系数(Hc%)组成的坐标曲线。这些值输入到标准的喘振控制算法来确定喘振点。可调整的安全系数被添加到喘振控制线中，形成流量设定点。流量和压力变量用来确定工作点，并与控制线上的设定点进行比较。横坐标流量补偿系数Hc是基于下列式(3)来计算的：

(3)

式中：Hc为喘振控制器操作点横坐标；Ps为压缩机吸入压力，MPa(g)；Ts为压缩机吸入温度，℃；Psb为压缩机基本压力条件，MPa(a)；Tsb为压缩机基本温度条件，℃。

压缩比是指压缩机排气和进气的绝对压力之比。计算公式如下：

(4)

式中：PRAT为压缩机压缩比；Pd为压缩机出口压力,MPa(a)。

3.3 防喘振控制的具体运用

以二氧化碳压缩机二回一防喘振控制为例，流量检测元件FE5712的基本设计数据见表1。

表1 FE5712基本数据

在程序组态中，设定了坏值选择，即一段入口和二段出口的温度和压力值如果超出了正常的仪表设定范围，那么，程序将自动选择设计工况下的参数值。流量计算选择两只差压流量变送器rFT5712A和rFT5712B中最小的一个值作为实际压差。

3.4 性能曲线图

二氧化碳压缩机二回一的性能曲线见图2。

图2 二氧化碳压缩机二回一的性能曲线

根据图中对应的比例，可以得到二段出口的绝对压力，因一段压缩机抽汽压力为0.105MPa(a)，从而可以得出二回一的压比。三菱公司设计二段出口最大流量为59 000 Nm3/h，但从图中最高转速对应比例来看，在最高转速下所对应的最大实际流量比设计值低，假设QFLOW_max流量为压缩机性能曲线下最高转速所对应的最大流量，从二回一性能曲线图得出QFLOW_max/58.554=59 000/60，计算出该性能曲线下的最大实际流量QFLOW_max=57 578Nm3/h。喘振线上的压比为：

PRAT1=1.1/0.105=10.48

PRAT2=1.79/0.105=17.05

PRAT3=2.52/0.105=24

PRAT4=3.2/0.105=30.48

每个转速下都会有一个对应的极限流量值，这些不同转速所对应的极限流量值之间用线连接起来就形成了喘振曲线(见图3)。其中，红色曲线表示喘振线，黄色曲线表示控制线。正常情况下，控制线与喘振线之间的水平距离为10%。

图3 上位机上的喘振曲线

当压缩机正常运行后，若二段出口温度TE5712为180℃，二段出口压力PT5712为2MPa；一段入口温度TE5701为13℃，一段入口压力PT5701为0.01MPa，FT5712A/B两只差压流量变送器中最小的一个差压值为5kPa。根据流量和压比的计算公式，得出实际流量和压比分别为：

QFLOW=QFLOW_max

=36 578.4Nm3/h

因压缩机在标准工况下设计的一段入口的压力P_sb为0.105MPa(a)，设计的一段入口温度T_sb为13.7℃，则实际工作点横坐标r5OPRPT1为：

下位机中的程序也是基于前面这些公式来计算喘振点的，实际工作点的位置会随着工况的变化而发生改变。盘旋点也就是常说的设定点，盘旋点的位置会基于实际工作点的变化而发生动态改变。根据前面工况下计算出的相关数据，引入到上位机的操作画面中，从而得出防喘振控制的实际工作点和设定点的位置关系。

当二段出口温度TE5712为180℃，二段出口压力PT5712为2.0MPa；一段入口温度TE5701为13℃，一段入口压力PT5701为0.01MPa，FT5712A/B的最小差压值为8kPa时，实际工作点横坐标r5OPRPT1为57.3302，盘旋点横坐标r5HOVPT1为47.145，之间Hc相差10%以上。

在防喘振控制设计中，当实际工作点在控制线右侧，且≥20%时，盘旋点将保持在控制线右侧10%的位置；当实际工作点在控制线右侧，且>10%，<20%时，盘旋点将随着实际工作点的移动而移动，两点之间保持10%的水平位移；当实际工作点在控制线右侧且<10%，或者实际工作点在控制线左侧，盘旋点将处于喘振控制线上。

当盘旋点已经移至喘振控制线上，实际工作点从右向左慢慢靠近盘旋点，只要还未越过盘旋点，防喘振阀FV5712开度仍将保持不变。

当实际工作点已经超过盘旋点时，喘振PID开始起作用，防喘振阀FV5712将会慢慢地自动开大，手动输出值不再起作用，这就是防喘振控制的关键所在，即工况发生变化时，防喘振阀能够及时地被自动打开，避免离心式压缩机喘振。在阀门慢慢开大的过程中，只要工作点仍处于盘旋点左侧，阀门就会一直开大，直到全开。

当防喘振阀FV5712全开后，实际工作点仍在往左移动。一旦实际工作点移至喘振线左侧，进入到喘振区，防喘振控制线将在原来的基础上自动往右水平移动2%，即控制线与喘振线之间的横向位移由10%自动调整为12%。工况稳定后，如果实际工作点已经在盘旋点的右侧，操作人员可用鼠标点击画面上的“自校验复位”按钮，控制线将恢复到初始设计位置，即控制线与喘振线之间的横向位移恢复到初始设计的10%。

在控制设计中，实际工作点只要向左越过喘振线，控制线的位置就会自动往右水平再移2%，但控制线最多只能往右移动10%，即控制线与喘振线之间的横向位移由10%最大调整为20%。

防喘振控制系统处于全自动模式下的操作，防喘振控制程序不再受工艺人员的干预，如果遇到突发事件或者大的波动，工艺人员都无法操作阀门。所以，防喘振控制系统在全自动模式下是非常危险的，不建议使用。

当FT5712A/B两只变送器的读数都降到3.6mA以下或上升到20.8mA以上，不论之前的防喘振操作模式是半自动，还是全自动，系统都会自动切到全手动模式，防喘振阀FV5712的输出将保持在之前的位置。

4 结语

离心式压缩机的喘振，要关注的是每一段进出口的压力比和流量比的关系，保证入口流量，防止出口憋压。防喘振控制是压缩机控制的重中之重，是保护压缩机正常运行的关键。一旦喘振发生，将对机组本体以及管网造成巨大的损坏。

仪表自控人员根据设计的相关数据进行组态，仔细核实每一个参数，并在程序组态完成后进行仿真实验，检验是否能达到要求，对存在缺陷的地方及时进行优化。仪表维护人员要对现场的温度、压力、流量仪表进行系统地检查，包括变送器参数设置，特别是防喘振流量检测的取压管线，要进行全面的泄漏检查，这样就保证了仪表本身的稳定性，减少了因仪表自身缺陷造成的工况不稳定，打消了工艺对仪表问题的后顾之忧。

装置的稳定运行不仅需要各个专业的密切配合，更需要工艺人员明确操作步骤，提前发现问题并及时调整工况。在离心式压缩机运行接近喘振点时，最直接有效的方法就是打开防喘振控制阀，进行流量调节，增加压缩机流量。如果离心式压缩机的工作点离喘振控制线还有一定的距离，可以根据压缩机出口压力进行适当的转速调节，从而也达到节能降耗的目的。因此，为保证离心式压缩机长期高效、稳定地运行，必须设置先进的控制算法进行自动控制，最大程度地避免离心式压缩机发生喘振。