蒸汽压缩机控制优化方案

蔡翠平

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

蒸汽压缩机控制优化方案

蔡翠平

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

针对压缩机工作区域窄，容易出现喘振、液击和跳车等情况，采用了入口导叶开度、出入口压力、入口温度的多参数防喘振控制方案；在压缩机出口增加回流管线，通过过热蒸汽回流控制方案，避免了液击的发生。并对开停车联锁进行了改造，经过反复试验及开车证明： 修改后的方案逻辑严密,压缩机运行稳定。

蒸汽压缩机 防喘振控制 过热蒸汽 性能曲线

蒸汽压缩机是热回收系统提高蒸汽压力的关键设备，具有流量大、体积小、运行效率高等优点。但是，蒸汽压缩机也存在一些缺陷，例如稳定工作区域窄，容易发生喘振；蒸汽易液化，含水气流对叶轮冲击较大。针对压缩机容易出现喘振的情况，不同于传统的流量单参数控制系统，优化方案中的蒸汽压缩机控制系统采用入口导叶开度、出入口压力、入口温度等多参数进行防喘振控制，规避了流量对前后直管段要求高、测量精度低的问题，改善了防喘振品质，节省了成本和调节空间。针对液击现象，在压缩机出口增加1条回流管线，通过过热蒸汽回流控制方案，使进入叶轮的气体为干饱和蒸汽，避免了液击的发生。另外，该蒸汽压缩机形成了一套完善的开停车系统，实现了对机组的有效、协调控制。

1 压缩机组的基本组成及检测保护

某天然碱项目蒸汽压缩机入口流量为117 t/h， 主要为汽提浓缩装置提供生产过程所需的蒸汽，压缩机工艺流程如图1所示。设备总体结构较为复杂，主要由蒸汽系统、驱动系统、供油系统、密封系统四个单元组成，主要设备有压缩机、主电机、齿轮箱、辅助油泵、油加热器、油过滤器等。

为保证压缩机组的稳定和安全运行，在关键点设置了检测和保护。比较典型的需要检测和保护的工艺环节如下：

1) 气路系统的监测控制。如入口蒸汽温度(t1)、入口蒸汽压力(p1)、蒸汽回流温度(t11)、出口蒸汽压力(p2)的报警和联锁，防喘振阀(ASCV)、过热蒸汽控制阀(SHS)及入口导叶阀(IGV)的控制和检测。

2) 离心压缩机组的机械保护。如轴向位移、机械振动、轴承温度的监测及保护。

3) 离心机组的温度保护。如供油压力控制报警、供油温度控制报警、过滤器压差报警、油箱油温控制。

2 压缩机防喘振控制

2.1 喘振产生的原因

喘振是离心式压缩机的固有特性，即当压缩机的入口流量小于极限流量时，气体的输送将出现强烈的振荡，带动压缩机机身强烈振荡，严重的可能造成事故。防喘振的效果直接影响了压缩机的正常运行和使用寿命。

图1 压缩机工艺流程示意

2.2 防喘振的几种实现方法

防喘振的常规做法主要包括：

1) 打开放空管线上的放空阀将压缩机出口气体排向大气。

2) 打开回流管线上防喘振阀让压缩机出口气体回流。

相比而言，采用回流阀的控制方案，在降低出口管线压力的同时，增大了压缩机的入口流量，避免喘振发生的同时也避免了能量浪费，是离心式压缩机防喘振控制的推荐方案。

2.3 防喘振控制系统的传统做法

防喘振控制的方法就是通过控制回流阀使压缩机性能曲线在喘振控制线以下，喘振线对应压缩机稳定运行的最小流量极限，为避免出现喘振，将喘振线右移5%～10%，形成喘振控制线。文中压缩机性能曲线是通过对同一转速下测得的不同点进行曲线拟合，进而得到该转速下的性能曲线。同理，直接通过实验测得若干喘振点，然后将其拟合为喘振线。

早期的离心式压缩机通常采用单参数控制系

统，防喘振回路由流量指示控制器控制旁通阀，当管网流量不大于最低流量时，开启回流阀，使部分气体回流到压缩机入口管线，增加通过压缩机的流量。该类防喘振系统存在两方面的问题： 由于控制回路是简单的模拟量回路，有很多因素无法考虑；流量计对前后直管段要求高，因为空间因素很难满足，流量测量存在精度不高的问题，所以影响了防喘振效果。

2.4 防喘振控制系统优化

根据压缩机的性能曲线与进口压力、温度等因素的关系，采用数字多参数控制系统，取代传统的防喘振控制系统，该控制系统主要通过控制出口压力来控制喘振，其控制流程如图2所示。

喘振界限与导叶阀开度有直接关系，采用多项式差值拟合可以近似得出压缩机的喘振线，喘振极限的表达式为

Ymax=Az4+Bz3+Cz2+Dz+E

(1)

式中：Ymax——最大压缩能量头，J/kg；z——入口导叶阀开度；A，B，C，D，E——参数。

图2 防喘振控制流程示意注： t——防喘振控制阀的关闭时间

压缩机性能曲线与入口蒸汽温度t1,p1,p2的表达式为

(2)

式中：Y——压缩能量头，J/kg；T1=t1+273.15， K；K2，EXP——参数。

利用最小二乘法进行多项式拟合，用Matlab编程可以得出喘振线和性能曲线参数，优化后的喘振线如图3所示。

图3 喘振临界曲线示意

实践证明： 通过出入口压力、入口温度的多参数防喘振控制系统简单可靠，节省成本的同时节省了空间，大幅提高了防喘振效果。

3 压缩机过热蒸汽控制系统

如果吸入压缩机蒸汽温度过低，容易产生液滴，对叶轮造成损坏。过热保护系统主要通过保证入口蒸汽温度高于饱和蒸汽温度3℃，防止吸入压缩机的气体带液。控制系统采用PID控制，以Δt=t1-ts为被控变量，对过热蒸汽控制阀SHS进行调节，其中,ts为入口压力对应的饱和温度，计算公式如下：

ts=2.82p1+71.262

启动压缩机时，SHS阀开度设定在40%；压缩机正常运行后，过热保护控制投入使用，当Δt>3℃时，回流阀关闭，当Δt≤3℃时，回流阀打开以保证温差大于3℃。

4 压缩机的自动启停

为了避免误操作、减少操作强度，该蒸汽压缩机采取了自动启动机组的方式。同时，为确保机组故障或者上下游工段异常的情况下，能自动安全停车同时避免不必要的误动作造成的停车，设置了联锁停车系统。机组的自动启动和正常停车在中心控制室DCS上实现。

4.1 压缩机自动启动系统

4.1.1 压缩机自动启动顺序

压缩机启动是顺序操作过程，当相关的工艺和机械条件全部满足后，机组允许启动。压缩机启动的过程中，辅助油泵和主电机启动的先后顺序、防喘振控制和过热蒸汽控制何时激活、导叶阀的开度设定是关键所在。该蒸汽压缩机的自动启动过程如图4所示。

4.1.2 对压缩机自动启动的几点说明

针对压缩机启动过程中容易反复跳车的情况，进行了以下优化措施：

1) 在启动的过程中，机组的振动和温度、入口温度、蒸汽回流温度报警联锁值提高，避免了因为开车过程中的振动和温度过高引起的停车。

2) 主电机启动时，防喘振阀和过热控制阀设定在一定开度，主电机启动之后，防喘振控制和过热蒸汽控制开始投入使用，这样既避免了防喘振和过热蒸汽过早启动会增加能量的消耗，也保证了控制可及时投入运行。

图4 蒸汽压缩机的自动启动过程示意

4.2 压缩机联锁停车系统

压缩机停车主要有以下几种情况： 机组故障触发停车；上下游工段引起的停车；急停按钮触发停车；DCS界面点击停车按钮触发停车。压缩机的停车过程如图5所示。

图5 蒸汽压缩机的停车过程示意

为避免因机组故障或者急停按钮引起的停车，先停主电机，再进行其他操作。急停的情况下，入口导叶阀开度保持不变。

5 结束语

该蒸汽压缩机采用出入口压力、入口温度的多参数防喘振控制系统替代流量单参数控制系统，节省了成本和空间，提高了防喘振效果；采用过热蒸汽控制避免了液击的发生；自动开停车系统运行稳定。对控制和联锁的优化，大幅度提高了蒸汽压缩机运行的安全性与可靠性，具有很好的推广应用前景。

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Optimization Program of Control for Steam Compressor

Cai Cuiping

(China Tianchen Engineering Corporation, Tianjin, 300400, China)

s： Aiming at the problem of narrow stable work area, easy surge,liquid hammer, break-down and other condition of the compressor, multi-parameter anti-surge control is applied to the open of inlet vane, outlet and inlet pressure,inlet temperature. Reflux pipeline is added to the outlet of the compressor to avoid liquid hammer with superheated steam reflux control. Modification of interlock for startup and shutdown is carried out. The modified program is proved logically rigor after repeated testing and startup. The compressor runs stably.

steam compressor; anti-surge control; superheated steam; performance curve

蔡翠平(1986—)，女，山东泰安人，2011年毕业于浙江大学化工过程信息工程专业，获硕士学位，现就职于中国天辰工程有限公司，从事仪表专业设计工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)04-0022-04

稿件收到日期： 2017-04-11。