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壓縮機(jī)控制技術(shù)概述 概述 壓縮機(jī)是石油、化工、冶金等行業(yè)工藝中重要的設(shè)備，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，安全性，連續(xù)性要求比較高，這樣，就需要由高度可靠、高度集成、高度專業(yè)的控制系統(tǒng)作為達(dá)到以上要求的保證。 概括而言，壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)方面： 機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)及邏輯功能（ESD） 過(guò)程調(diào)節(jié)功能 壓縮機(jī)的防喘振 汽輪機(jī)調(diào)速控制和超速保護(hù) 功能說(shuō)明 一 機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)及邏輯功能（ESD） 1. 報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù) 控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)，汽輪機(jī)，油站等現(xiàn)場(chǎng)的溫度，壓力，振動(dòng)，位移等信號(hào)，做出相應(yīng)的高低報(bào)警及聯(lián)鎖停機(jī)。 2. 啟停車(chē)邏輯 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的開(kāi)機(jī)啟動(dòng)順序控制，包括機(jī)組啟動(dòng)前確認(rèn)潤(rùn)滑油溫度、潤(rùn)滑油壓力、控制油壓力、透平入口的蒸汽壓力及溫度達(dá)到啟動(dòng)值，防喘振閥全開(kāi)位置，主氣門(mén)全開(kāi)，盤(pán)車(chē)停止等條件，全部條件滿足后輸出啟動(dòng)信號(hào)。正常停機(jī)的卸載控制。 3. 油站的油泵控制(A.O.P) 兩個(gè)油泵互為備用，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主備油泵的選擇，每個(gè)油泵可在手動(dòng)自動(dòng)方式切 換。如果潤(rùn)滑油壓力或控制油壓力低，可自動(dòng)啟動(dòng)備用泵；如果潤(rùn)滑油壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以三取二方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖停車(chē)邏輯。 4. 汽輪機(jī)的冷凝水泵控制(C.E.P) 兩個(gè)冷凝水泵互為備用，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主備冷凝水泵的選擇，每個(gè)冷凝水泵可在手動(dòng)自動(dòng)方式切換。冷凝水泵主要是用于冷凝罐的排水泵，可根據(jù)液位設(shè)定值自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)停止水泵，兩個(gè)水泵可同時(shí)或單獨(dú)工作。另外，系統(tǒng)還會(huì)做相應(yīng)的保護(hù)，比如，液位如果達(dá)到最大設(shè)定值，立即強(qiáng)制兩個(gè)水泵同時(shí)運(yùn)行，如果達(dá)到液位最低設(shè)定值，立即強(qiáng)制兩個(gè)水泵同時(shí)停止，以保證冷凝罐內(nèi)的水位正常。 二 過(guò)程調(diào)節(jié)功能 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)控制回路主要有： 1. 油站的油壓調(diào)節(jié) 根據(jù)需要，有的油站設(shè)計(jì)有兩個(gè)油壓調(diào)節(jié)回路，分別在油泵出口和油過(guò)濾器出口，可以根據(jù)相應(yīng)管路的油壓要求調(diào)節(jié)閥門(mén)，保證油壓的穩(wěn)定。 2. 汽輪機(jī)的冷凝水的排放閥和循環(huán)閥控制 根據(jù)汽輪機(jī)的冷凝水液位，調(diào)節(jié)排放閥和循環(huán)閥以控制冷凝罐內(nèi)的水位，冷凝水的排放閥和循環(huán)閥控制為分層調(diào)節(jié)，分層點(diǎn)由現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)定，可以由用戶在操作界面上設(shè)定分層點(diǎn)。 3. 壓縮機(jī)段間氣液分離器液位控制 根據(jù)氣液分離器液位調(diào)節(jié)出水閥控制液位。 三 壓縮機(jī)的防喘振 防喘振功能 喘振現(xiàn)象 喘振是渦輪機(jī)組特有的現(xiàn)象，我們可以從下圖的簡(jiǎn)單模型來(lái)解釋這一特性，從圖中可以看出，當(dāng)容器中壓力達(dá)到一定值時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由 D 沿性能曲線上升，到喘振點(diǎn) A，流量減小壓力升高，這一過(guò)程中流量減小壓力升高，由A點(diǎn)開(kāi)始到B點(diǎn)壓縮機(jī)出現(xiàn)負(fù)流量即出現(xiàn)倒流，倒流到一定程度壓縮機(jī)出口壓力下降（B-C），又恢復(fù)到正向流動(dòng)(C-D),這樣,氣流在壓縮機(jī)中來(lái)回流動(dòng)就是喘振,伴隨喘振而來(lái)的是壓縮機(jī)振動(dòng)劇烈上升,類(lèi)似哮喘病人的巨大異常響聲等,如果不能有效控制會(huì)給壓縮機(jī)造成嚴(yán)重的損傷,喘振工況的發(fā)展非?？焖? 一般來(lái)講在 1-2 秒內(nèi)就以發(fā)生,因而需要精確的控制算法和快速的控制算法才能實(shí)現(xiàn)有效的控制。 Qs, vol Pd 壓縮機(jī)停車(chē)點(diǎn)，無(wú)壓力，無(wú)流量 A B C D 動(dòng)態(tài)防喘振技術(shù)： 機(jī)組投入運(yùn)行后，PLC系統(tǒng)將根據(jù)壓縮機(jī)入口流量、入口壓力、出口壓力及相應(yīng)的溫度，來(lái)判斷是否發(fā)生喘振。如發(fā)生喘振，則由防喘振控制器的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)防喘振控制閥。 通用喘振線 喘振參數(shù) 壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)可由壓比（Pd/Ps）及入口差壓計(jì)算的流量得出。入口流量的測(cè)量值與 Pd, Ps, Td,及Ts等可用來(lái)計(jì)算孔板值h（該孔板可視為位于壓縮機(jī)的入口），進(jìn)而作出喘振預(yù)測(cè)。 防喘控制的 I/O要求 PT AI 入口/出口壓力 TT AI 入口/出口溫度 FT AI 入口流量 PV AO 防喘閥 SOV DO 旁路/放空閥 ESD DI 聯(lián)鎖輸出 防喘控制功能塊標(biāo)準(zhǔn)特性有： 選擇h/Ps的算法 小流量或低轉(zhuǎn)速情況下的防喘振線計(jì)算 如果喘振發(fā)生，喘振安全裕度可自動(dòng)調(diào)整 設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線功能可以在工作點(diǎn)向喘振線竄動(dòng)時(shí)及時(shí)打開(kāi)防喘閥 比例調(diào)節(jié)功能可以迫使防喘閥獨(dú)立于控制過(guò)程而打開(kāi) 靈活的起機(jī)和跳車(chē)邏輯 可選擇手動(dòng)控制幫助設(shè)定、測(cè)試和故障排除 當(dāng)喘振逼近或透平跳車(chē)時(shí)，電磁閥觸點(diǎn)輸出可打開(kāi)防喘閥 防喘振算法選擇： 采用壓比算法進(jìn)行組態(tài)。 防喘振線計(jì)算： 將喘振線上的幾個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)輸入到防喘振功能塊中，自動(dòng)計(jì)算出喘振線，防喘振線。 安全裕度重校： 如果系統(tǒng)檢測(cè)到工作點(diǎn)越過(guò)喘振線，表示喘振已發(fā)生，喘振控制線將被自動(dòng)調(diào)節(jié)到右方，而加大安全余量。 壓縮機(jī)可能在以下情況下喘振: 變送器漂移帶來(lái)的誤差 喘振閥或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的粘滯 喘振閥或回流管道的部分堵塞 非同尋常的巨大的工藝擾動(dòng) 因壓縮機(jī)磨損導(dǎo)致喘振線移位 安全裕度不足 過(guò)程條件突變 喘振線設(shè)置錯(cuò)誤 每當(dāng)如前述喘振被檢測(cè)到，安全裕度增加（控制線右移）一個(gè)校準(zhǔn)量。輸入一個(gè)裕度新值可使瞬態(tài)計(jì)數(shù)器歸零，且使重校后的裕度等于輸入值。系統(tǒng)可組態(tài)為每次增加一個(gè)固定量（如2％），或一個(gè)累加量（如1，2，4，8％等）。重校發(fā)生的最大次數(shù)亦可組態(tài)。 系統(tǒng)可顯示如下量： 喘振發(fā)生次數(shù)（校準(zhǔn)次數(shù)） 初始安全裕度 當(dāng)前重校后的安全裕度 設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線： 一般情況下，壓縮機(jī)不會(huì)在喘振線上持續(xù)運(yùn)行或過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。當(dāng)工作點(diǎn)在控制線右方（安全區(qū)域），喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)（線）須在當(dāng)前h值的某一可設(shè)百分比范圍內(nèi)以可設(shè)值移動(dòng)。當(dāng)工作點(diǎn)越過(guò)設(shè)置點(diǎn)（浮動(dòng)線），以小幅快速向喘振線竄動(dòng)時(shí)，將發(fā)生如下情形： 防喘閥迅速打開(kāi) 設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線將以可設(shè)值移動(dòng)直至防喘閥全關(guān) 新工作點(diǎn)建立 如果設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線與喘振控制線重合，系統(tǒng)將保持回流以保證在喘振控制線上運(yùn)行，此特性并非在所有條件下應(yīng)用，在應(yīng)用前亦需作充分評(píng)估。 適應(yīng)性增益和非對(duì)稱響應(yīng)： 喘振控制器提供了一種適應(yīng)性增益特性。當(dāng)工作點(diǎn)在喘振控制線右方時(shí)，該特性減少了比例動(dòng)作。當(dāng)工作點(diǎn)在喘振控制線右方的操作裕度超過(guò)設(shè)定距離，則調(diào)用適應(yīng)性增益特性。PI 控制將能夠在發(fā)生較小和較平緩的擾動(dòng)的情況下進(jìn)行平穩(wěn)的控制和保護(hù)。 　根據(jù)比例或積分響應(yīng)，防喘閥可打開(kāi)，但限制了防喘閥的關(guān)閉。該特性使得防喘閥響應(yīng)快。當(dāng)工作點(diǎn)安全地移到喘振控制線的右方，防喘閥以設(shè)定速率慢關(guān)，保證將透平驅(qū)動(dòng)機(jī)及工況控制器調(diào)整到新的工作條件下。 比例功能： 系統(tǒng)有一純比例調(diào)節(jié)階段，該階段可獨(dú)立于正常PI控制器打開(kāi)防喘閥。當(dāng)工作點(diǎn)移到喘振控制線左方，而正常PI控制器無(wú)法提供足夠響應(yīng)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的過(guò)程失序時(shí)，則進(jìn)入該階段。亦即在控制線左方到達(dá)某一特定裕度，則打開(kāi)防喘閥，進(jìn)入該階段。當(dāng)工作點(diǎn)與喘振線重合時(shí)，防喘閥全開(kāi)。換言之，工作點(diǎn)進(jìn)入喘振控制線及喘振線之間時(shí)，防喘閥按比例打開(kāi)。該比例階段是由信號(hào)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂破鞯姆答亜?dòng)作迫使控制器輸出跟蹤該階段。 即使在喘振控制器失調(diào)情況下，此特性仍可保護(hù)機(jī)組。 自增益響應(yīng)（微分響應(yīng)）： 壓縮機(jī)在正常運(yùn)行中，運(yùn)行點(diǎn)基本上在控制線附近，如果壓縮機(jī)的安全裕度能盡量保持較小，這樣壓縮機(jī)運(yùn)行的效率就較高。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)在一個(gè)較大的干擾作用下快速向喘振控制線移動(dòng), 速率超過(guò)一定限制后，喘振控制的安全裕度可以動(dòng)態(tài)增加。這使得喘振控制 PID可以提早做出反應(yīng)，防止突然快速的工藝擾動(dòng)造成機(jī)組喘振，避免出現(xiàn)快速擾動(dòng)而沒(méi)有到喘振區(qū)域而打開(kāi)防喘振閥造成的能量浪費(fèi)。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)向左移動(dòng)速度減小時(shí)，裕度不再增加。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)向安全區(qū)移動(dòng)后，增加的安全裕度將以設(shè)定好的常數(shù)逐步減小。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)移動(dòng)到比例功能線左側(cè)時(shí)，自增益響應(yīng)中止。 解耦控制: 對(duì)于有性能控制的機(jī)組,通常會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的速度或入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)滿足工藝要求,當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)入喘振調(diào)節(jié)時(shí),有時(shí)性能控制會(huì)同時(shí)要求減小流量,如性能控制變量為出口壓力或出口流量時(shí),兩個(gè)控制回路是互相反作用的，從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使機(jī)組更加接近喘振。針對(duì)這種情況，性能控制算法和喘振控制算法會(huì)將各自的輸出加權(quán)到對(duì)方的控制響應(yīng)中去，從而實(shí)現(xiàn)解耦控制來(lái)使兩個(gè)控制回路協(xié)調(diào)動(dòng)作，迅速穩(wěn)定系統(tǒng)。 手操控制： 　有兩種手操控制可選：第一種為全權(quán)手操控制功能。它允許防喘閥不顧防喘振控制器的作用而關(guān)閉。這種選擇在測(cè)試和設(shè)定的時(shí)候有用，但不可組態(tài)為正常操作。因?yàn)槿绻到y(tǒng)被置于手操狀態(tài)，防喘振控制器將無(wú)法開(kāi)閥防喘。第二種為限權(quán)手操控制功能。這種選擇設(shè)定了一個(gè)防喘閥的最小開(kāi)度，它允許操作員開(kāi)閥；如果防喘振控制器需要開(kāi)閥避免喘振的話，手動(dòng)關(guān)閥動(dòng)作不起作用。 　防喘振系統(tǒng)提供了可與調(diào)節(jié)閥同比例的線性度，因而可產(chǎn)生更為線性化的增益。當(dāng)系統(tǒng)在不同點(diǎn)而非耦合點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，則避免了任何可能的不穩(wěn)定性。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下，總有一個(gè)防喘閥是氣開(kāi)閥，它需要防喘閥輸出反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)可組態(tài)為徑向或反轉(zhuǎn)操作。 電磁閥輸出： 當(dāng)向喘振控制線左方出現(xiàn)特定竄動(dòng)時(shí)，可組態(tài)一個(gè)觸點(diǎn)輸出打開(kāi)大功率電磁閥，來(lái)使防喘閥快開(kāi)。此特性對(duì)于有較短閥程的大閥門(mén)來(lái)說(shuō)很有用。當(dāng)系統(tǒng)從喘振狀態(tài)回來(lái)時(shí)，電磁閥關(guān)。對(duì)閥的控制則可從比例控制恢復(fù)到正常的喘振控制。 四 汽輪機(jī)調(diào)速控制和超速保護(hù) 汽輪機(jī)的主要控制就是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，包括啟動(dòng)，升速，運(yùn)行，超速等過(guò)程，傳統(tǒng)的控制大部分由WOODWARD505或505E調(diào)節(jié)器來(lái)完成轉(zhuǎn)速控制，由ProTECH 203完成三取二超速保護(hù)控制。隨著PLC硬件的發(fā)展及國(guó)際專業(yè)透平控制公司的研究，現(xiàn)在很多石油，化工等行業(yè)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制由專業(yè)的控制器通過(guò)軟件來(lái)完成，控制器也是PLC的一種，只是針對(duì)性更強(qiáng)，象CCC(美國(guó)壓縮機(jī)控制公司)、WOODWARD公司、美國(guó)TRICONEX公司，英國(guó)ICS均是專業(yè)的機(jī)組控制公司，其中以CCC為國(guó)際上認(rèn)可的最專業(yè)公司。 調(diào)速技術(shù) 機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制從啟動(dòng)開(kāi)始，一般分為幾個(gè)模式： 模式0　　停機(jī) 　　模式1　　允許啟動(dòng) 模式2 暖機(jī) 　　模式3　 升速（其中包括越過(guò)臨界區(qū)） 　　模式4　　運(yùn)行（調(diào)節(jié)區(qū)） 模式5　　超速測(cè)試 透平啟動(dòng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式設(shè)置。自動(dòng)方式下會(huì)按照預(yù)設(shè)的暖機(jī)速度、暖機(jī)時(shí)間和升速率等自動(dòng)控制透平升速并迅速通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)。直至升速至正常運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)速，進(jìn)入模式4。也可以通過(guò)人工手動(dòng)啟動(dòng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，手動(dòng)啟動(dòng)更為常見(jiàn)。 模式0 停機(jī) 任何模式下出現(xiàn)聯(lián)鎖停機(jī)信號(hào)或停機(jī)動(dòng)作則透平進(jìn)入模式0停機(jī)，速關(guān)閥電磁閥失電全關(guān)，其它輸出也進(jìn)入安全狀態(tài)。 模式1　　允許啟動(dòng) 在所有啟動(dòng)條件具備后，可以啟動(dòng)汽輪機(jī)。 汽輪機(jī)分為冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)，冷啟動(dòng)就是需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間盤(pán)車(chē)后進(jìn)行的啟動(dòng)，在啟動(dòng)中，需要暖機(jī)；熱啟動(dòng)是直接從盤(pán)車(chē)后啟動(dòng)，可以不需要暖機(jī)。 在這個(gè)過(guò)程中，由于汽輪機(jī)的靜止慣性，電液轉(zhuǎn)換器可能需要很大的輸出才能使汽輪機(jī)有轉(zhuǎn)速，造成汽輪機(jī)沖動(dòng)過(guò)程中的飛速，因些，好的控制器會(huì)在這時(shí)限制一個(gè)轉(zhuǎn)速，一旦汽輪機(jī)有轉(zhuǎn)速，強(qiáng)制電液轉(zhuǎn)換器的輸出為一個(gè)定值，例如3%，將轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)小范圍內(nèi)，這樣也減小了啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)冷態(tài)軸承的磨擦。 模式2 暖機(jī) 冷啟動(dòng)方式啟動(dòng)后，為使軸承受熱均勻，機(jī)組會(huì)在暖機(jī)轉(zhuǎn)速下恒速運(yùn)行一段時(shí)間。典型的汽輪機(jī)啟動(dòng)會(huì)有1或2個(gè)暖機(jī)轉(zhuǎn)速。暖機(jī)完畢后，機(jī)組可以升速到最小調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速，然后加載。 模式3　 升速 在升速模式下，可以自動(dòng)或手動(dòng)升速到最小工作轉(zhuǎn)速。升速過(guò)程可以隨時(shí)中斷或重新開(kāi)始。 升速模式中會(huì)遇到汽輪機(jī)或壓縮機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)不能停止，要快速超過(guò)或快速降回臨界區(qū)下限。 在工程初期，可能會(huì)因?yàn)檎魵馄焚|(zhì)原因，輸出電液轉(zhuǎn)換器最后還沒(méi)有越過(guò)臨界區(qū)，這時(shí)候系統(tǒng)在進(jìn)入臨界區(qū)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)到后還沒(méi)有越過(guò)，就會(huì)立即降轉(zhuǎn)速到臨界區(qū)下限，這樣以避免機(jī)械損傷。 模式4　　運(yùn)行 運(yùn)行區(qū)是汽輪機(jī)的可調(diào)節(jié)區(qū)，這里可以通過(guò)手動(dòng)給定轉(zhuǎn)速設(shè)定值，手動(dòng)升降速，性能控制等幾種方式來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。通過(guò)性能控制調(diào)節(jié)，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速和防喘振控制間的解耦。 在運(yùn)行期間，如果甩負(fù)荷出現(xiàn)快速甩負(fù)荷造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速跳車(chē)轉(zhuǎn)速快速接近，PID來(lái)不及輸出關(guān)閥，通過(guò)設(shè)定一個(gè)電液轉(zhuǎn)換器輸出值，快速關(guān)閥。轉(zhuǎn)速降低到最大調(diào)速控制轉(zhuǎn)速以下時(shí)，PID 控制接替動(dòng)作將速度控制在速度設(shè)定點(diǎn)上。 模式5　　超速測(cè)試 在初期試車(chē)階段，會(huì)做超速測(cè)試，校驗(yàn)電子跳車(chē)轉(zhuǎn)速和機(jī)械跳車(chē)轉(zhuǎn)速。 以上簡(jiǎn)單介紹了常見(jiàn)的機(jī)組控制技術(shù)，高級(jí)應(yīng)用還有性能控制，負(fù)荷分配等，在此不做介紹。