内压缩流程制氧机自动控制系统的研究

胡述龙

（南阳理工学院，南阳 473000）

0 引言

内压缩流程是制氧生产的关键设备，但其存在稳定工作区域窄及容易发生喘振等问题，其中喘振对压缩机的危害极大，必须配备控制系统来防止喘振的发生[1]。随着计算机控制技术的发展，防喘振的控制手段和控制品质都得到了提高，但防喘振控制还存在大量气体放空导致的能源浪费及控制回路单一导致的控制质量不好等问题[2]。

针对某新型双导叶离心式内压缩流程制氧机生产中存在的控制难点，本文提出了一套综合控制策略，即采用自适应动态干预控制改进了常规的基于PID控制的防喘振算法，建立了多重防御体系，抑制了喘振的发生；同时采用最小二乘曲线拟合方法求得了双导叶随动专家经验公式，实现了双导叶的协调动作。

1 自适应PID防喘振控制

离心式压缩机虽然有体积小、流量大、调节性能好、控制气量的变化范围广等优点，但它也有本身固有的喘振、轴向推力、轴振动等不足，需要设计合理的系统对喘振进行控制及实现连锁保护[3]。

通过一定的数学推导，可以得到如下的离心式压缩机制氧装置的近似喘振曲线：

其中，p2为离心式压缩机出口气体压力；Δ p1为离心式压缩机入口气体压差；a与b为与离心式压缩机工作参数相关的常数。这样在p2-Δp1关系图上可用一条直线来近似描述离心式压缩机的喘振曲线，为保证压缩机工作在安全区，其工作点首先应满足不等式 p2＜ a + bΔ p1，再保留一定的安全裕度8%～15%，这样便可适当的选取系数a和b的获得满意的防喘振效果。

实际应用时工业现场工况的影响因素众多，根据一条防喘振线进行常规的PID控制算法往往难以适时有效地预防和抑制喘振的发生，需要采用多种控制方式建立多重防御体系(如图1所示)以提高控制系统的适应性和鲁棒性。

图1 喘振自适应多重防御示意图

压缩机喘振自适应多重防御体系中的6条线把控制区域分割成6个区域根据压缩机当前的工作点位置自适应地进行控制，基于此构建的的离心式压缩机喘振自适应控制系统的控制框图建立如图2所示。

图2 喘振自适应控制系统框图

压缩机喘振自适应控制系统工作原理如下：1）喘振控制线L4是防喘振控制器的基准线将压缩机喘振线L1右侧的区域划分为控制区和安全区，调控时基于压缩机实际工作点根据PID运行结果减小或增加防喘振阀的开度以使工作点回到控制线L4。2) 紧关线L5右侧为“绝对安全区”，压缩机工作在该区域时控制器输出电流大于额定值强制防喘振阀完全关闭，而当压缩机的工作点左移时控制器首先将输出信号跳回额定值，然后再实施正常的控制作。3) 设置快速响应线L3作为非线性控制方式的起动线，即根据测量与给定偏差的大小和方向来改变PID对偏差信号的调节增益，以实现非线性自适应控制。4) 释放线L2使防喘振控制系统可以通过检测控制偏差的减小速率来判断工作点的左移速度，进而阶跃性地减小输出信号以增大气体流量，梯度性地让压缩机脱离喘振危险。5) 控制器检测到压缩机工作点移至保安线L6的左侧，即已发生喘振时立即将控制线L4向右移动适当距离以抑制喘振再次发生，并发出报警信息以提醒操作人员查找并排除喘振原因，然后再将控制线复位到初始位置。

同时所设计的离心式压缩机防喘振控制系统还设计了许多安全措施以防止压缩机正常投运和报警状态下人为因素给压缩机带来危险。

2 双导叶随动专家控制

所研究内压缩流程制氧机的空气压缩机由于在一级压缩吸入口和二级压缩吸入口都装有入口导流叶片，如果两个导叶的开度匹配不好，便会导致压缩机吸入气流不顺、功耗上升及效率下降，严重时甚至会造成压缩机喘振或极端情形导致机械损坏。投入使用初期，该两级入口导叶开度的调整都是由现场操作人员手动进行，这不仅导致人员的劳动强度大，而且经常出现两个导叶的开度匹配不好的情况，这些都严重影响了工厂的生产效益。

通过认真分析压缩机历史操作数据(如图3所示)，可以发现这些数据近似分布在一条直线上下，从而考虑通过最小二乘法拟合出了操作曲线。

图3 一、二级入口导叶开度经验数据散点图

具体地，可根据历史数据构建如下的拟合方程组求取一、二级入口导叶开度匹配的线性函数关系式系数a与b：

其中，xi与yi分别为一、二级入口导叶IGV1与IGV2的开度数据。代入该压缩机已积累的历史经验数据得到两者的函数关系为y=27.83+0.71x，这样构建如图4所示的离心压缩机双导叶随动专家控制系统。

双导叶随动专家控制系统可使压缩机吸入气流顺畅、使压缩机的能耗稳定在较低的水平、同时也大幅度降低了能耗波动与提高生产的自动化水平。

图4 双导叶控制系统框图

3 现场控制系统调试结果分析

现场双导叶离心式压缩制氧机控制系统由PCS7 DCS、Profibus现场总线、ET200M远程I/O等硬件组成，控制系统软件采用PCS7软件包，提供有CFC、LAD、IL、SFC等图形化组态手段和WINCC6.0监控软件。由于各种调节阀门、导叶执行机构等，一般都接收4～20mADC标准信号。我们在其定位执行器输入端加入标准的4mA、8mA、12mA、16mA及20mA模拟量控制信号，通过观察相应装置是否对应0%、25%、50%、75%、100%的开度而判断其工作的正确性，从而研究所设计控制系统的有效性。

现场离心式压缩机制氧机组有100多个受控阀门，这样调试时记录的数据很多，受篇幅限制，在此仅列出了氧气流量调节阀FV200A的调试记录数据如表一所示。可见本文所设计的PID自适应控制方案较常规PID控制方法能更好地跟踪调节信号，能够更好地抑制离心式压缩制氧机出现喘振现象。

表1 氧气流量调节阀FV200A的调试记录数据

图5 压缩制氧机升压曲线

传统操作人员手动与双导叶随动专家控制两种情况下双导叶离心式压缩制氧机升压过程如图5所示，图中红线和紫线分别表示压缩机的出口压力和驱动电机电流。可见采用人工手动调节两个导叶进行升压时压缩机的出口压力曲线和电机电流曲线波动较大，而采用双导叶随动专家控制后出压缩机的出口压力曲线和电机电流曲线都比较平滑稳定，压缩机的能耗和工作稳定性大为改善。

4 结束语

针对内压缩流程制氧机喘振及双导叶开度调节问题，本文改建立了自适应多重防御控制系统，使得控制器反应更加迅速，能够更快和更有效的防止喘振的发生，且节能效果明显；采用最小二乘曲线拟合方法得到了双导叶随动专家经验公式，实现了双导叶的协调动作、节约了能源、降低了人员劳动强度。工业现场实用表明所研制的内压缩流程制氧机自动控制系统性能稳定，控制效果良好。

[1]李方涛,李书臣, 苏成利, 等.离心式压缩机防喘振控制及故障诊断系统研究与应用[J].化工自动化及仪表,2011,38(5):589-592.

[2]阮荣波.离心式压缩机的调节控制系统[J].中国石油和化工标准与质量,2012,33(13):65-66.

[3]李永生.离心式压缩机的抗喘振控制[J].大氮肥,2009,32(3):177-180.