空压机控制系统分析

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发表于 2002-12-6 18:19 |只看该作者 |倒序浏览

空压机控制系统分析

胡忠泽
本文作者胡忠泽先生，洛阳石化总厂仪表车间高级工程师。

关键词：控制系统　负荷控制　喘振控制

我厂5#空压机(以下简称5#机)是引进美国Ingersoll-Rand公司的设备，其工艺流程如图1所示。本文结合作者日常使用和维护的体会，对控制系统在机组运行及保护中所起的作用，控制系统的功能、原理及特点进行了论述。

一 5#机的3种运行状态

5#机由电动机、压缩机、增速齿轮等组成，机组的主要特点是恒速运行，入口空气温度因季节的变化温差较大，这既方便了机组的控制，也带来了一定的困难。5#机主要有卸载、调节、自动双式3种运行方式。

(1)卸载状态(Unload)：进气阀为最小开度，而放空阀全开。最小开度保证有足够量的空气进入压缩机，保证转子稳定和避免喘振。在压缩机起动后加载前、停机前以及系统无用风需求时，使用此方式。

(2)调节状态/恒压模式(Modulate)：它是通过开关入口阀、放空阀来保持一个恒定的出口压力。调节方式是离心式压缩机最常用的一种运行方式。

(3)自动双式(Auto_Dual)：它兼有卸载和调节两种方式，当用户需求在机组节流范围内时，采用恒压调节方式；当系统需求低于最小节流限时，压缩机自动卸载；当系统压力低于“再加载点”时，压缩机重新加载。

加载：使压缩机由卸载状态进入恒压或自动双式控制状态，允许入口阀进一步打开、放空阀关闭，使压缩机出口压力达到压力设定点，给系统供风。

我厂5#机选用恒压控制模式，相应地5#机控制面板上有4个功能键：启动键、停机键、加载键和卸载键。可用图简单地来说明，图2对应恒压控制模式，图3则对应自动双式。

二 5#机控制回路分析

1. 负荷控制

(1)加载过程中的控制

压缩机的加载过程是一个从卸载(空载)状态，转入恒压控制达到压力设定值，给系统供风的过程。当控制系统接到加载的命令后，控制系统会比较系统的实际压力与设定压力，当系统设定压力大于实际压力时，入口阀会从空载时的21%渐渐开大，电动机电流上升；当电流超过230A(TL设定值)时，开始关小放空阀，入口阀与放空阀一起调节，使电动机的电流保持在230A，一直到三级压力升高，系统压力达到设定值，进入恒压控制状态。这个加载过程的快慢及能否加载成功，与控制参数比例度、积分时间的大小有关。当系统需求量大时，应将积分时间调大些，以达到压力设定值的速度；反之当系统需求量小时，应调小些，否则过于灵敏，反而会使阀振荡波动，加载失败。例如2001年2月1日，因一级出口温度高(51℃)计划停机，更换冷却器；2日重新开机时，由于此时风系统管网压力已基本平衡，用气量小，而控制参数还是原来的参数(积分时间为0.5)，开机时入口阀就一直波动，三级出口压力上不去，放空阀只能关到95%，电动机电流波动大(从178~ 265A)。与以前相比，所有参数都没有变，但就是加载不上。后来将积分时间下调到0.1后，加载成功。这个例子充分说明了比例度、积分时间要根据外部系统的变化而变化，否则难以达到理想的控制效果，甚至无法并网投用。

(2)加载成功后的控制

由于系统风量需求是变化的，压缩机的任务是在系统需求发生变化时，能通过控制系统的调节，保持系统压力不变，起到一个恒压源的作用，它的控制是由入口阀和放空阀共同调节来完成的。控制模式是高负荷限制、节流限制加比例积分算法。高负荷限制是在需要时限制入口阀的最大开度，保护电动机，节流限制是限制入口阀的最小开度，保护压缩机，调节器为反作用，入口阀为风开阀，放空阀为风关阀。在压力控制回路中引入了电动机的电流，是这个回路的特点。引入电动机电流的第一个作用是保护电动机，防止过载，称为高负荷限制(High Load Limit, HLL)；第二个作用是确定放空阀开始打开的门槛，这个点称为节流限(Throttle Limit, TL)。实际上入口阀、放空阀是分程控制的。

(3)卸载过程中的控制

卸载命令发出后，控制器会将入口阀从现有开度滑变到卸载点开度，即21%，而放空阀会全开。以上3种情况下两个调节阀的动作关系，可用图4来说明。

2. 防喘振的措施

喘振是离心式压缩机的固有特性，是指压缩机入口流量小于维持压缩机正常稳定运行的最小流量时，出口压力不能正常建立，而引起机组运行不稳定，严重时会损坏机器，危害很大，必须采取措施加以预防。外部表现为出口压力、入口流量出现大幅度波动，机组发出吼叫声。

在不同工况下，喘振点是不同的，压缩机的性能曲线即入口流量与出口压力的对应关系如图5所示，将性能曲线上所有的喘振点连起来就是该压缩机的喘振线。性能曲线与入口气体的温度、转速、气体的分子量等都有关系。喘振线右侧为操作区，左侧为喘振区，是运行中要尽可能避免的。图5的性能曲线选自《CENTAC离心式空气压缩机组安装操作手册》。

防喘振的措施为：

措施1：利用负荷控制中所介绍的电流下限(TL)能够实现防喘振控制。TL值实际上代表了当空压机在带载(Loaded)运行时，压缩机所需的最小流量，如果系统需求低于节流点，压缩机将打开放空阀或卸载。

措施2：在系统压力设定值提高，或者系统压力突变以致控制器来不及反应，或由于仪表测量不准等原因，都有可能导致机组喘振。为此还同时检测第三级出口压力，当压力的振幅超过了设定值(喘振敏感度)，每检测到一次，TL值自动增加ΔI(0.2A)，如果10min内检测到3次，控制系统就认为是出现了真正的喘振，此时将发出报警并卸载。

3. 机组状态检测回路

由于气体的密度(空气在20℃下为1.29kg/m3)比液体小得多，要求空压机的转速很高，5#机电动机的转速为1490r/min，压缩机第一、二、三级转子的转速分别是12500、17900、25100r/min，叶轮高速旋转做功，完成对气体的压缩和传送。为动态监视各级转子、轴承的运转情况，在每一级都安装了振动探头，测量润滑油回油温度，并设置了润滑油压力低、油温高/低、振动高的报警和停机联锁。在实际运行中，由于几次出现过一级出口温度高报警，停机检查，确实发现了一级冷却器结垢而影响换热效果的问题，仪表监测起到了重要作用。

三 5#机仪表控制系统的特点及问题

5#机仪表控制系统具有先进、实用、集成的主板智能控制和方便的接口操作。具体特点为：

(1)硬件组成简单，采用以微处理器为核心的主板式结构。

(2)方便使用，操作面板上只有12个薄膜按键，数据显示分为数据浏览、参数设定、系统信息3大类，每类可分页查阅，可以说属于“傻瓜机型”。

(3)软件功能比较强大，能够提供许多重要信息，具有一定的智能性。

(4)控制灵活：有恒压控制模式、自动双式两种标准运行方式可供选择。

(5)具有与上位计算机、DCS等的通信能力，使得现场功能能方便地延伸到室内，方便操作人员监视。

(6)运行可靠。5#机自1996年安装投用以来，控制系统和仪表的运行是非常可靠的。仪表参数的修改具有密码保护功能，选用的仪表性能稳定，联锁系统无旁路开关，软件的升级由厂家技术人员来实施，保证了控制软件的完整性与先进性。

(7)节能方面的优势

(a)在控制方面引入电动机电流，电流上限(HLL=满载电流×1.05)能够充分发挥电动机的潜能，做功最大；而电流下限能够在负荷比较低的情况下，到喘振边界时，打开放空阀，以减少放空造成的能量损耗。因为TL直接关系到节能和机组的安全，因此需要慎重选取。在电流介于TL与HLL之间时，负荷的控制是由入口阀来节流和控制的，只有在不得已时才用放空阀来调节，因为打开放空阀就意味着要浪费能源。

(b)在自动双式运行方式下，它是采取在低负荷时卸载来达到节能目的的。

(c)喘振点的确定方法有别于常规方法，在相同的入口阀开度下，不同的入口空气温度，其体积流量是不同的，用体积流量/出口压力关系可确定喘振点，并依此确定防喘振控制方案，选取对机组在不同温度下相对安全保险的喘振点为控制点，具体说是由对应入口温度高时的性能曲线来设定。5#机是根据质量流量来确定喘振点的，电动机电流与气体质量流量成正比，相同质量流量对应相同的电动机电流，这样可以决定喘振与节流极限门槛值不因入口空气温度的不同而有较大的差异，因此，如采用体积流量来确定TL值，会因为设置保守值而节约能源，对环境温度变化较大而又需要过多节流的应用场合，节能可达10%。

(8)存在的问题

虽然5#机的控制系统有着诸多优点，但也存在一些问题，具体表现在：

(a)远程操作站运行不稳定，偶尔提示通信错误，有死机现象。

(b)开机时现场控制器有过死机现象，需断电后才能复位。

(c)二级出口压力变送器及热电阻有过损坏，更换过备件。