防喘振仪表理论.docx

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防喘振仪表理论

1总概

2压缩机喘振

2.1防喘控制

2.1.1防喘控制原理

2.2喘振图和控制方法

2.3开环和闭环控制方法

3防喘控制模块化概念

3.1防喘控制功能

3.2模块化概念

3.3喘振线定义和设定值计算

3.3.1以压力比作为因子求出流量值

3.3.2以compressionhead作为因子求出的流量值

3.4实际流量计算

3.5控制变量

4控制系统操作

5流量计算等式

5.1释压线上（安装孔）差压变送器

5.2进气线上（安装孔）差压变送器

1总概

相比于通用的单回路控制器而言，防喘控制系统已更多的应用于全厂控制的DCS系统中，此种情况下，空压机供应商仅需提供防喘系统的基本资料，而详细设计和系统编程由LINDE公司全权提供。

理想的情况是，一个预先设计好的防喘控制系统应可以达到不同供应商的个类型压缩机的要求，而实际情况是，各压缩机供应商多有自己的控制理念，并只有他特定的解决方案。

防喘控制系统嵌入DCS拥有很多优点，由于逻辑和控制功能可以很反的按DCS理念容入全厂系统中进行组态和定义，而具有更高的透明度开环、闭环控制功能的边准则易于系统编程、启动、调整和操作。

压缩机喘振

2压缩机喘振

当通过压缩机的进气不能保持，或有逆流产生时，离心式压缩机将会出现喘振现象，当喘振发生时逆流会释放压力降低以下进气压力，这将一直持续知道达到喘振点，此过程将会一直循环，直至采取一些措施使处理过程或工作条件有所更改。

对离心式压缩机而言，因喘振而产生的剧烈抖动和相端超温将对设备的整体性产生极大损坏，连续的喘振将会引起如轴承，密封垫，水轮，转子等部件的损坏，即使没有发生器损坏，也会极大降低空压机的使用寿命。

2.1防喘控制

经由调整使进气流量足够大即可消除喘振，控制器则需监测操作环境并且对发生喘振的最小流量点进行比较：

1压缩比P2/P1（或是压缩机箱△H）

2实际流量

3调节阀位置（或是速度）

如果操作点达到最小流量值，控制器立即做出反应，对此值进行防喘值模块化（排空阀和弯通阀），允许部分气体被排放或是重复使用，如此使操作点重新进入安全区域。

2.1.1防喘控制功能原理

下图描述一个配有防喘排空阀的离心式压缩机的防喘控制原理：

初始时，压缩机以定速和IGV设定值运行于稳定区域的1点，当有突变发生时，流量由V1→V2，此时压缩机组按IGV的设定值加载流量，如此，使得阻力增大的同时，工作点沿IGV设定曲线移到S点。

在此点，防喘控制系统打开防喘阀，直至减少的过程流量V2和流量防喘阀的流量达到最小流量值Vmin，Vmin值由释放压力P2在控制线的设定值决定，如果没有相关的压缩机速度值或IGV设定值需加入新的的工作点将被防喘控制器进行保持和稳定。

由图可知，现在压缩机工作于虚拟点2，由于过程控制仅控制流量V2，所以其处于不稳定区域，但事实上，压缩机工作控制线上的S点，而通过防喘阀调节平衡（Vmin→V2）,实际上压缩机仍工作于稳定区域。

2.2防喘图及控制方式

防喘图描述了压力比和压缩机流量作为参数的对应关系，如果流量值低于喘振线，处于其左边位置，压缩机会喘振，系统都按控制线把设定值设在高于喘振线10%以上。

通过操作喘振阀，防喘控制系统可以防止流量低于控制线，有一条附加的安全线，位于喘振线和控制线之间，一工作点移至喘振性流量低于安全线附加的开环控制动作作为对闭环控制的补充，防止流量低于喘振线。

通过压缩机的最大压力比是压缩机的设计依据，释压控制器是控制系统的一部分，一旦出现工作压力超过设计压力时，其也可以对防喘阀进行操作。

2.3开环和闭环控制方式

流量设定值由控制线确定，控制线位于喘振线的右边，为防喘控制器提供了一个安全区域，PID控制环用于比较设定值和实际值，并由控制器输出，一个输出值确定作用防喘阀，用于防止流量减少而低于控制线。

正常情况下，压缩机工作于控制线右侧，此时防喘阀关闭，当工作点移至控制线时，防喘控制被初始化，在此点控制器打开防喘阀，保持一定的进气量，防止工作点移至控制线左侧。

万一出现相连的的流量减少的现象，将会引起工作点大副移向喘振线，此种情况的几种情况附加的开环控制动作可被使用。

自适应控制：

通常情况下，控制器反应比较慢，但为防止喘振的发生，反应一定要快，当工作点移至控制线左侧（PV＜SP）由动态增益调节器逻辑比例增益应按控制误差增大。

阀步进逻辑：

为进以一步加强控制，增加了一条位于控制线和喘振线之间的安全线，如果工作点低于安全线，由阀步进逻辑增大控制动作快速打开防喘阀。

作为第一种措施，由控制器增加输出一个１０％的步进量，万一流量减少的速度快于用第一种方式进行提升的速度，工作点达到实际的喘振线控制器，将会加快输出一个７５％的输出量。

控制线位移：

如果流量减少达到安全线的次数可以预计到，表明这个重复发生的问题，控制线将会按计算的喘振流量的１％位移，此方法为喘振性设立了一个更范围的安全区域，控制线可以保持位移，直至与安全线没有交叉，或预定的安全区域已达最大值。

控制唯一的目的是为了增大安全区域，防止喘振直至不稳定性已被分析并修正。

位移控制线将一直起作用，除非操作者对控制逻辑进行复位。

３防喘控制功能

　防喘控制系统基本上由三方面组成：

（1）流量控制器设定点和实际工作点的计算。

（2）通过设定点，工作点控制器动作特性的比较，使工作点保持在控制线右侧的安全区域。

（3）一旦发生工作点跨越控制线趋向按期限甚至喘振线时附加的控制动作。

功能（１）因供应商和压缩机的型号不同有很大的不同，其值由个案确立，功能说明得见3.3和3.4节描述。

功能（２）是一种闭环的ＰＩＤ控制器动作特性，所有的解决方案均会使用。

功能（３）融合了几个开环控制动作，因供应商的不同而有很大的区别，但对一特定的项目，可以通过选用最常用的控制动作对其进行组合并标准化。

　3.2模块化概念

所有过程变量由ＤＣＳ用实际的工程单位进行处理（℃bara,mbar,m³/h）

设定点和附点的计算模块是由不同的供应商决定的，可按实际的工程要求进行初始化。

抛开计算工程，结果总是以一个信号的方式被描述，通常是以过程变量ＳＰ＿ＰＶ的方式作为一个参数，应用于接下来的防喘控制动作中。

所有的离心式压缩机防喘控制系统的其他功能均可被预先定义，万一它提供的某些特别的应用或其他开环开环控制功能并不适用于实际项目，则可通过关断某些相关参数即可。

　3.3喘振线定义和设定点的计算

3.3.1流量值作为压力比功能变量

　　喘振线一般是由压力比和流量值的对应关系决定的，喘振线可由ＤＣＳ按理论曲线描述出，通过对压缩机实际的运行测试，用其产生喘振的现场图形对理论图进行修改。

喘振线右边的控制曲线由实际使用条件下的输出值加上一个安全输出：

N=P2/P1

3.3.2以compressionhead作为因子求出的流量值

　　　上面定义的防喘线并没有计算考虑进气温度的影响，正如下图所示，喘振点还受气流量和进气温度的影响。

进气温度越高，喘振点越往右移，越接近工作点，也即意味着喘振更易于发生，相对低的进气温度使喘振点左移，使其远离工作点。

考虑温度的影响，还可选用另一喘振线的常规方式，压缩机的流量更多以compression　head　来描述，而不是用压力比，用此方式变量值，压力比和进气温度均被包括在计算中，而最终的流量值会自动修正温度产生的影响。

压力比转换为compression　head　按下式计算：

△Ｈ＝Ｔ１×Ｒ×〔Ｋ／（Ｋ－１）〕×〔Ⅱ（Ｋ－１）—１　〕　〔m〕

△Ｈ　compression　head

Ｔ1　进气温度

Ｒ空气气压常量

Ｋ　　adiabaticexponent=1.4

Ⅱ　　压力比

3.4实测流量值

实测流量值决定了对应于控制线的相关工作点的位置，它由安装于进气或排气口处的流量测试装置（接口处或内腔中）发出的差压变送器信号为基准计算法。

第五章说明了以差压压力计计算流量的等式。

　3.5控制变量（ＳＰ＿ＰＶ）

　　　设定点过程变量的计算结果即为控制变量ＳＰ＿ＰＶ，计算完ＳＰ和ＰＶ之后，这两个变量以百分比的形式出现。

〔ＳＰ＿ＰＶ＝（PV/SP）×100〕%

　防喘控制线的设定点设定值为１００％。

而ＳＰ＿ＰＶ为相关的过程变量，换句话说，每个防喘控制器回路只有一个控制变量，操作者据此可以很快知悉压缩机的状况。

●如果ＳＰ＿ＰＶ值为１００，则压缩机工作于喘振线上。

●如果ＳＰ＿ＰＶ值大于１００％，则压缩机工作于控制线右侧的安全区域，循环阀应全闭。

●如果ＳＰ＿ＰＶ值小于１００％，防喘控制器会打开循环阀，并努力使控制变量维持在１００％。

控制比率还可以快速的提供如下信息：

即压缩机的工作点离控制线有多远，例如：

值１３０％，表示压缩机工作于安全区域，离控制线还有３０％的距离。

４.控制系统操作

　需要注意的是，ＬＩＮＤＥ功能表，ＤＣＳ设定值相关描述总是以控制输出相对防喘值的对应逻辑状态作为参照的（如０％＝关，１００％＝开），事实上，防喘阀是一个开路，安全自检阀控制输出为０％时，对应的输出值为４Ｍa，此时阀全开。

压缩机启动时，防喘阀处于全开状态，排除启动过程已全部完成，阀将一直保持全开状态，压缩机启动时，其调节阀在最小位置，以保证可以达到马达启动转矩的要求，使启动电源尽可能的小，启动过程的最后，通过压缩机连锁逻辑，压缩机控制系统自动起作用，负载信号释放启动时冲击作用使防喘阀的控制输出，逐步过度到要求值，保证机器不至于受到撞击，借助HIC功能，防喘阀可进行手动操作。

防喘控制逻辑综合了流量和压力控制器，借助操作器接口可对防喘阀进行操作。

标号功能模式

FIC…流量控制器自动锁定/设定值跟踪模式

PIC…释压限定控制器手动锁定

PIC…进气压力限定控制器手动锁定

HIC…手动控制自动锁定/设定值跟踪模式

所有控制器可以被锁定如相关的工作模式，操作者不可插入修改，流量控制器设定值一般为100%。

如上所述。

流量控制器的过程处理被定义为ＳＰ＿ＰＶ控制变量。

释压限定控制器有一个由压缩机供应商提供的固定设定值。

手动控制器提供了操作者插入修改的功能，并总是工作手动模式，它显示了其控制输出和作用于防喘阀的实际控制输出的对应关系。

5流量计算等式

5.1在泄压线上（安装孔）差压变送器

1）△Porifice=K×P2/（R×T2×Z）×V2[m3/h]

1a）V2=[（△Porifice×T2×R×Z）/（K×P2）]1/2

=K×〔（△Porifice×T2）/P2〕1/2

2）（P1×V1）/T1=（P2×V2）/T2

2a）V1=V2×[（P2×T1）/（（T2×P1）]

3）V1=K×[（△Porifice×T2）/P2]1/2×（P2/T2）×（T1/P1）

V1=K×[（△Porifice×P2）/T2]1/2×（T1/P1）

[m3/h]

5.2在进气线上（安装孔）差压变送器

1）V1=[（△Porifice×T1×R×Z）×（K×P1）]1/2

V1=K×[（△Porifice×T1）/P1]

[m3/h]