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压缩机控制系统概要

压缩机控制技术概述

概述

压缩机是石油、化工、冶金等行业工艺中重要的设备，对机组运行的稳定性，安全性，连续性要求比较高，这样，就需要由高度可靠、高度集成、高度专业的控制系统作为达到以上要求的保证。

概括而言，压缩机的控制系统主要分为以下几个方面：

机组的联锁保护及逻辑功能（ESD）过程调节功能压缩机的防喘振汽轮机调速控制和超速保护

功能说明

一机组的联锁保护及逻辑功能（ESD）

1.报警联锁保护

控制系统监测压缩机，汽轮机，油站等现场的温度，压力，振动，位移等信号，做出相应的高低报警及联锁停机。

2.启停车逻辑

系统能实现机组的开机启动顺序控制，包括机组启动前确认润滑油温度、润滑油压力、控制油压力、透平入口的蒸汽压力及温度达到启动值，防喘振阀全开位置，主气门全开，盘车停止等条件，全部条件满足后输出启动信号。正常停机的卸载控制。

3.油站的油泵控制（A.O.P）

两个油泵互为备用，控制系统可以实现主备油泵的选择，每个油泵可在手动自动方式切

换。如果润滑油压力或控制油压力低，可自动启动备用泵；如果润滑油压力开关动作，以三取二方式实现联锁停车逻辑。

4.汽轮机的冷凝水泵控制(C.E.P) 两个冷凝水泵互为备用，控制系统可以实现主备冷凝水泵的选择，每个冷凝水泵可在手动自动方式切换。冷凝水泵主要是用于冷凝罐的排水泵，可根据液位设定值自动或手动启动停止水泵，两个水泵可同时或单独工作。另外，系统还会做相应的保护，比如，液位如果达到最大设定值，立即强制两个水泵同时运行，如果达到液位最低设定值，立即强制两个水泵同时停止，以保证冷凝罐内的水位正常。

二过程调节功能

汽轮机驱动的压缩机控制回路主要有：

1.油站的油压调节

根据需要，有的油站设计有两个油压调节回路，分别在油泵出口和油过滤器出口，可以根据相应管路的油压要求调节阀门，保证油压的稳定。

2.汽轮机的冷凝水的排放阀和循环阀控制根据汽轮机的冷凝水液位，

调节排放阀和循环阀以控制冷凝罐内

的水位，冷凝水的排放阀和循环阀控制为分层调节，分层点由现场的实际情况来定，可以由用户在操作界面上设定分层点。

3.压缩机段间气液分离器液位控制

根据气液分离器液位调节出水阀控制液位。

三压缩机的防喘振

防喘振功能

喘振现象

喘振是涡轮机组特有的现象，我们可以从下图的简单模型来解释这一特性，从图中可以看出，当容器中压力达到一定值时，压缩机运行点由D 沿性能曲线上升，到喘振点A ，流量减小压力升高，这一过程中流量减小压力升高，由A 点开始到B 点压缩机出现负流量即出现倒流，倒流到一定程度压缩机出口压力下降( B-C)，又恢复到正向流动(C-D), 这样, 气流在压缩机中来回流动就是喘振,伴随喘振而来的是压缩机振动剧烈上升,类似哮喘病人的巨大异常响声等, 如果不能有效控制会给压缩机造成严重的损伤, 喘振工况的发展非常快速, 一般来讲在1-2 秒内就以发生, 因而需要精确的控制算法和快速的控制算法才能实现有效的控制。

动态防喘振技术：

机组投入运行后， PLC 系统将根据压缩机入口流量、入口压力、

出口压力及相应的温度，来判断是否发生喘振。如发生喘振，则由防喘振控制器的输出值进行调节防喘振控制阀。

100

Safety Margin 防喘控制的 I/O 要求

AI 入口/ 出口压力 TT

AI 入口/ 出口温度 FT

AI 入口流量

Surge Line

Pd 50 P s

0 20 40 60 80 100

通用喘振线

喘振参数

压缩机的喘振点可由压比（Pd/Ps ）及入口差压计算的流量得

出。入口流量的测量值与 Pd, Ps, Td, 及 Ts 等可用来计算孔板值 h （该孔板可视为位于压缩机的入口），进而作出喘振预测。 SURGE

AREA Constant

Control

Line Progressive Control Line

SAFE

AREA

PV AO 防喘阀

SOV DO

旁路/ 放空阀

ESD DI 联锁输出

防喘控制功能块标准特性有：

选择h/Ps 的算法小流量或低转速情况下的防喘振线计算如果喘振发生，喘振安全裕度可自动调整设定点浮动线功能可以在工作点向喘振线窜动时及时打开防喘阀比例调节功能可以迫使防喘阀独立于控制过程而打开灵活的起机和跳车逻辑可选择手动控制帮助设定、测试和故障排除当喘振逼近或透平跳车时，电磁阀触点输出可打开防喘阀

防喘振算法选择：

采用压比算法进行组态。

防喘振线计算：

将喘振线上的几个点的坐标输入到防喘振功能块中，自动计算出喘振线，防喘振线。

安全裕度重校：

如果系统检测到工作点越过喘振线，表示喘振已发生，喘振控制线将被自动调节到右方，而加大安全余量。

压缩机可能在以下情况下喘振: 变送器漂移带来的误差喘振阀或执行机构的粘滞喘振阀或回流管道的部分堵塞非同寻常的巨大的工艺扰动因压缩机磨损导致喘振线移位安全裕度不足过程条件突变喘振线设置错误

每当如前述喘振被检测到，安全裕度增加（控制线右移）一个校

准量。输入一个裕度新值可使瞬态计数器归零，且使重校后的裕度等于输入值。系统可组态为每次增加一个固定量（如2％），或一个累加量（如1，2，4，8％等）。重校发生的最大次数亦可组态。系统可显示如下量：喘振发生次数（校准次数）初始安全裕度当前重校后的安全裕度

设定点浮动线：

一般情况下，压缩机不会在喘振线上持续运行或过长时间运行。当工作点在控制线右方（安全区域），喘振控制器的设定点（线）须在当前h 值的某一可设百分比范围内以可设值移动。当工作点越过设置点（浮动线），以小幅快速向喘振线窜动时，将发生如下情形：防喘阀迅速打开

设定点浮动线将以可设值移动直至防喘阀全关

新工作点建立

如果设定点浮动线与喘振控制线重合，系统将保持回流以保证在

喘振控制线上运行，此特性并非在所有条件下应用，在应用前亦需作充分评估。

适应性增益和非对称响应：

喘振控制器提供了一种适应性增益特性。当工作点在喘振控制线右方时，该特性减少了比例动作。当工作点在喘振控制线右方的操作裕度超过设定距离，则调用适应性增益特性。PI 控制将能够在发生较小和较平缓的扰动的情况下进行平稳的控制和保护。

根据比例或积分响应，防喘阀可打开，但限制了防喘阀的关闭。该特性使得防喘阀响应快。当工作点安全地移到喘振控制线的右方，

防喘阀以设定速率慢关，保证将透平驱动机及工况控制器调整到新的工作条件下。

比例功能：

系统有一纯比例调节阶段，该阶段可独立于正常PI 控制器打开防喘阀。当工作点移到喘振控制线左方，而正常PI 控制器无法提供足够响应，可能导致严重的过程失序时，则进入该阶段。亦即在控制线左方到达某一特定裕度，则打开防喘阀，进入该阶段。当工作点与喘振线重合时，防喘阀全开。换言之，工作点进入喘振控制线及喘振线之间时，防喘阀按比例打开。该比例阶段是由信号选择器来实现的。控制器的反馈动作迫使控制器输出跟踪该阶段。

即使在喘振控制器失调情况下，此特性仍可保护机组。

自增益响应（微分响应）：

压缩机在正常运行中，运行点基本上在控制线附近，如果压缩机的安全裕度能尽量保持较小，这样压缩机运行的效率就较高。当运行点在一个较大的干扰作用下快速向喘振控制线移动, 速率超过一定限制后，喘振控制的安全裕度可以动态增加。这使得喘振控制PID 可以提早做出反应，防止突然快速的工艺扰动造成机组喘振，避免出现快速扰动而没有到喘振区域而打开防喘振阀造成的能量浪费。当运行点向左移动速度减小时，裕度不再增加。当运行点向安全区移动后，增加的安全裕度将以设定好的常数逐步减小。当压缩机运行点移动到比例功能线左侧时，自增益响应中止。

解耦控制:

对于有性能控制的机组, 通常会通过调节压缩机的速度或入口调

节阀的开度来满足工艺要求, 当压缩机进入喘振调节时,有时性能控制会同时要求减小流量, 如性能控制变量为出口压力或出口流量时, 两个控制回路是互相反作用的，从而造成系统的不稳定，使机组更

加接近喘振。针对这种情况，性能控制算法和喘振控制算法会将各

自的输出加权到对方的控制响应中去，从而实现解耦控制来使两个

控制回路协调动作，迅速稳定系统。

手操控制：

有两种手操控制可选：第一种为全权手操控制功能。它允许防

喘阀不顾防喘振控制器的作用而关闭。这种选择在测试和设定的时

候有用，但不可组态为正常操作。因为如果系统被置于手操状态，防喘振控制器将无法开阀防喘。第二种为限权手操控制功能。这种选择设定了一个防喘阀的最小开度，它允许操作员开阀；如果防喘振控制器需要开阀避免喘振的话，手动关阀动作不起作用。

防喘振系统提供了可与调节阀同比例的线性度，因而可产生更为线性化的增益。当系统在不同点而非耦合点运行时，则避免了任何

可能的不稳定性。大多数应用场合下，总有一个防喘阀是气开阀，它需要防喘阀输出反转。系统可组态为径向或反转操作。

电磁阀输出：

当向喘振控制线左方出现特定窜动时，可组态一个触点输出打开大功率电磁阀，来使防喘阀快开。此特性对于有较短阀程的大阀门

来说很有用。当系统从喘振状态回来时，电磁阀关。对阀的控制则可从比例控制恢复到正常的喘振控制。

四汽轮机调速控制和超速保护

汽轮机的主要控制就是转速调节，包括启动，升速，运行，超速等过程，传统的控制大部分由WOODWARD505 或505E 调节器来完

成转速控制，由ProTECH 203 完成三取二超速保护控制。随着PLC 硬件的发展及国际专业透平控制公司的研究，现在很多石油，化工等行业的汽轮机转速控制由专业的控制器通过软件来完成，控制器也是PLC 的一种，只是针对性更强，象CCC（美国压缩机控制公司）、

WOODWARD 公司、美国TRICONEX 公司，英国ICS 均是专业的机

组控制公司，其中以CCC 为国际上认可的最专业公司。

调速技术

机组的转速控制从启动开始，一般分为几个模式：

模式0 停机

模式1 允许启动

模式2 暖机

模式3 升速（其中包括越过临界

区）

模式4 运行（调节区）

模式5 超速测试

透平启动分为手动和自动两种方式设置。自动方式下会按照预设的暖机速度、暖机时间和升速率等自动控制透平升速并迅速通过临界

转速区。直至升速至正常运行的最小转速，进入模式4。也可以通过人工手动启动，相对来说，手动启动更为常见。

模式0 停机

任何模式下出现联锁停机信号或停机动作则透平进入模式0 停机，速关阀电磁阀失电全关，其它输出也进入安全状态。

模式1 允许启动

在所有启动条件具备后，可以启动汽轮机。汽轮机分为冷启动和热启动，冷启动就是需要经过长时间盘车后进行的启动，在启动中，需要暖机；热启动是直接从盘车后启动，可以不需要暖机。

在这个过程中，由于汽轮机的静止惯性，电液转换器可能需要很大的输出才能使汽轮机有转速，造成汽轮机冲动过程中的飞速，因些，好的控制器会在这时限制一个转速，一旦汽轮机有转速，强制电液转换器的输出为一个定值，例如3%，将转速控制在一个小范围内，这样也减小了启动过程中对冷态轴承的磨擦。

模式2 暖机

冷启动方式启动后，为使轴承受热均匀，机组会在暖机转速下恒速运行一段时间。典型的汽轮机启动会有1 或2 个暖机转速。暖机完毕后，机组可以升速到最小调速器控制转速，然后加载。

模式3 升速

在升速模式下，可以自动或手动升速到最小工作转速。升速过程可以随时中断或重新开始。

升速模式中会遇到汽轮机或压缩机的临界转速区，在临界转速区不能停止，要快速超过或快速降回临界区下限。

在工程初期，可能会因为蒸气品质原因，输出电液转换器最后还没有越过临界区，这时候系统在进入临界区后开始计时，计时到后还没有越过，就会立即降转速到临界区下限，这样以避免机械损伤。

模式4 运行运行区是汽轮机的可调节区，这里可以通过手动给定转速设定值，手动升降速，性能控制等几种方式来调节转速。通过性能控制调节，需

要进行转速和防喘振控制间的解耦在运行期间，如果甩负荷出现快速甩负荷造成汽轮机转速跳车转速快速接近，PID 来不及输出关阀，通过设定一个电液转换器输出值，快速关阀。转速降低到最大调速控制转速以下时，PID 控制接替动作将速度控制在速度设定点上。

模式5 超速测试

在初期试车阶段，会做超速测试，校验电子跳车转速和机械跳车转速。

以上简单介绍了常见的机组控制技术，高级应用还有性能控制，负

荷分配等，在此不做介绍。