大型空分装置空气透平压缩机自动控制

　大型空分装置的空气透平压缩机自动控制

　赵阳

　（屮国空分设备公司，杭州市东新路462号310004）

　摘要：简述了大型空分装置空气透平压缩机自动控制的原则、实施方法，详细介绍了基本控制、 防喘振保护控制等大型透平压缩机主要控制的内容。

　关键词：大型空分设备；空气透平压缩机；防喘振控制；起动及事故逻辑联锁；压力或流量控制 中图分类号：TH452文献标识码：B

　近几年来，空分装置的规模越来越大，内压缩流程已成为主流工艺。其配套的空气压缩机（包括 内压缩用的增压压缩机）的规格也随着增大，国内原有的产品己难以满足需要，因而大型空分装 置的透平压缩机（包扌舌增压机）大部分从国外进口。我公司己经进行了多套不同厂商的大型压缩机 的控制设计和调试，现将有关控制的情况和心得介绍如下。

　1控制原则

　透平压缩机的基本控制要求是在保证安全平稳运转的前提下充分利用压缩机允许的工作区，让机 组工作在工艺要求的压力和用量变化范围内（如变负荷时的调节和空分装置吹扫时压力和用量的 调节），工况稳定可靠，操作方便，自动化程度高。压缩机的工作状态尽可能地对操作人员透明, 便于分析和操作，有较长的历史趋势可查。

　2控制实施方法

　根据项目要求的不同，压缩机可以有不同的控制实施方法，一般为以下两种：

　（1） 压缩机机组由机组口带的控制系统（一般为PLC）控制，采用通讯的方法，将机组的主要参数 传送到DCS,在DCS操作站上仅仅进行显示，达到监察的目的。

　这个做法的优点是控制由厂商完成，一般比较成熟，设计联络工作量小，设计方风险小。PLC的 扫描速度快，对保护有利。缺点是PLC的安全可靠性不如DCS,人机界而较差，机组工作状态对 操作人员透明程度低，用户难以深入了解和理解控制方案，现场修改困难，历史趋势记录功能较 差。

　有的厂商采用的是自己开发的控制器，而不是通行的PLC系统，其价格便宜，人机界面更差，且 卡件损坏后购买困难，通讯故障也较多。

　（2） 压缩机只配备必要的现场仪表、探头和传感器，现场不设机旁仪表盘，山中控室DCS控制整 个机组（即我们所说的裸机进口方式），以充分发挥DCS系统的功能和优势。

　该方法设计联络工作量大，由于外商提供的图纸和资料常常不能完全满足设计方的需要，因此该 方法耍求设计人员熟悉压缩机组的原理、性能和操作过程。山于控制山我方完成，因此控制方案 可以在设计组态和调试过程屮不断修改，可以做得非常完善。特别是人机界面非常友好和清晰, 对于好的DCS系统，可以做到控制线、喘振线、工作点、控制点和喘振点随着各级入口温度、机 组入口和出口压力的变化自动补偿并动态显示（如图1中的1、2和3点）。操作工对机组的运行 状况如工作点位置、控制点位置、喘振点位置一冃了然，FL对起动过程中过程各参数的变化心中 有数。历史趋势记录功能极强，便于分析起动过程和故障，实时修改控制参数或控制方案。

　与主压缩机相比，增压机与工艺过程联系得更紧密，有些参数在调试过程中要经常改动，所以增

　压机的控制在中控室DCS系统上实现更为必要。

　中国空分设备公司成套的大型压缩机的控制大部分采用这种方法。

　3大型透平压缩机的主要控击n内容

　1基本控制

　根据空分工艺的要求，主压缩机出口压力往往采用恒压控制（恒压或恒流控制，究竞采用哪一种 方式，述需进一步讨论），内压缩流程中用到的增压机根据流程的不同或采用恒流控制或恒压控 制，这是机组最基本的工艺控制。其余的控制如防喘振控制、电机过载保护控制、起动和事故连 锁保护控制等均是为了机组的安全运行而设。

　无论恒压控制述是恒流控制，控制的第一对象都是人口导叶（电机拖动，转速不变时）。见图2 和图3

　注：出口压力测点止比貂机考核完毕后，叫米用至气进空冷塔前的压力测点。

　注：有的压缩机厂商采用人口缩接处的压差或电机电流來取代出口流量。

　在吹扫或工艺需耍时，可以改变调节器的设定值，很容易地获得给定的压力或流量，并使其始终 处于自动控制状态，防喘振控制回路不需做任何修改也始终处于自动监控状态。

　3. 2防喘振保护控制

　如因操作不当或设备管道故障，压缩机会发生喘振，可能会严重损坏机组。因此防喘振控制是一 个重要的安全控制，冃的是使工作点始终处在限定的范围内，而不进入喘振区，以确保机组的安 全运行。它的保护范围为机组的整个工作范围。

　它综合考虑了压力（压比）、流量，加上人口温度和各级间人口温度的补偿，形成了一个设定值。

　该设定值随着上述各参数的变化而自动变化流量来调节。正常时放空阀（或回流阀）全关，由于某 种原因，工作点进入控制线，放空阀（或回流阀）廿始快速打开，流量增加，使工作点又离开控制 线。只要故障存在，工作点就始终在控制线左右移动，但工作点始终不会进入喘振区。故障消除 后，工作点将离开控制线，恢复到正常位置。

　一般来说主压缩机防喘振控制的对象是放空阀，增压机防喘振控制的对象是回流阀。

　3. 2. 1喘振的一般情况

　喘振时压力和流量周期性大幅度变化，进一步可能会产生流量的反向，由此引起过大的轴振动、 轴位移和发热，造成轴承、密封、叶轮和转子的损坏。即使没冇明显的危险发牛，机组工作寿命 和效率也己降低。

　图4是喘振时流量起伏周期变化的过程。由于排气量的减少，工作点在特性曲线上由点1移至点 2,排气压力升高，点2表明压力达到丁最大值，同时也达到稳定极限。由于气流的倒流，引起 了由点2至点3的突然变化。流量方向的改变迫使排压下降，工作点移至点4。此时由于叶轮处 又达到了预先的工作状态，一个突变又产牛，工作点又移到点1处。如果没有及时的调整，喘振

　循坏将再次开始。

　3. 2. 2特性曲线族

　无论是人口导叶控制还是变转速控制的压缩机，基本上都有相似形状的特性曲线，如图5所示。

　3. 2. 3防喘振控制概念

　对应于某个工况，喘振可以用在任何时刻保证有一个最小流量来避免，否则必须打开放空阀或回 流阀以补充这个流量差。防喘振保护控制也不能过早地动作，否则将引起能量的损耗，为此控制 方案必须精心设计。

　从控制技术观点讲，最感兴趣的是系统的动态特性。喘振发生得非常快，目前还没有在价格上可 以接受的工业仪表来直接测量喘振，控制系统必须能识别喘振极限线有否被越过。为此，通常人 为地在喘振线右侧设定一条控制线，其形状与喘振线一致，但与控制线相距5%~8%的流量量程 值。该距离越小，放空阀打开的机会就越少，能量损失越少，但对控制系统、阀门的响应时间要 求越高。该距离越大，放空阀打开的机会就越大，越能保证机组的安全，但能量损失越大。

　当空压机紧急停车时，一般要求放空阀或回流阀从全关到全开的时间大约在Is?2s,高性能的阀 门大约在0. 5秒。只要很小的廿度就足以保证压缩机恢复至稳定可靠的工作状态。从全开到全 关，由于需要克服流体阻力约需10秒，不能太快，以求平稳。

　控制系统应选用数字式控制系统，如DCS系统、PLC系统或单回路调节器。如用DCS系统，需注 总:扫描速度，与防喘振控制有关的控制回路的扫描时间应尽可能得短（如250ms或更短），从安全 的角度来讲，也需适当加大控制线与喘振线的距离。如用PLC系统，建议每一机组单独用一个 PLC控制器，否则，如一个PLC控制器控制的内容太多，特别是模拟量处理太多，其扫描速度也 将变得缓慢。在组态完后，要检查扫描时间。

　在与国外压缩机厂商第一次接触时，他们往往会强调控制系统的扫描时间不大于50ms?100ms, 但他们乂承认DCS系统可以控制他们的机组。只要经过讨论，以下方案他们也会同意：在DCS 系统上防喘振控制用的功能块选用250ms扫描时间，并-且适当加大控制线与喘振线的距离（如采 用8%）o多次实践证明，这样的考虑是成功的。

　各级人口温度的变化对喘振线的位置有很大的影响，控制上必须考虑各级人口温度和变化的补 偿。图6为某一圧缩机人口温度对特性曲线的影响示意图。入口温度越高，喘振线越右移，压缩

　机的工作范围减小。人口温度从-19°C到+32°C或者+42°C,其影响可达□分之几。

　特性曲线上可以定义出喘振线和控制线，这些特性曲线首先由压缩机厂商给出理论曲线，在工厂 试车或现场试车时再进行修止。有的厂商仅给出特性曲线图及入口温度补偿公式，设计组态者要 根据特性曲线及温度补偿公式自己综合出一个公式；有的厂商直接给出特性曲线的公式，组态后 在现场进行修改和调整。

　防喘振用的流量控制器的测量值来自出口流量变送器，它是一个外给定的调节器。外给定的值来 自上述代表防喘振控制用的控制线的综合公式，也就是说，该流量调节系统的给定值是随着人口 压力和温度、节间温度、出口压力和温度的变化并按照一定的关系而变化。在工况止常时，工作 点远离控制线，如图1中的点1,此时调节器迫使放空阀或回流阀关闭。当由于某种原因流量变 小，因为恒压调节的作用，工作点将沿着图1屮虚直线向左移动，当移过控制线上点2时，即防 喘振流量调节器的测量值小于设定值时，该调节器开始有输出，防喘振放空阀（或回流阀）开始打 开；适当调整该调节器的P、I参数，使调节器有大的放大倍数和灵敏的反应能力，缺少的流量 值可以瞬间得到补充，工作点向右移动，离开控制线，以保证工作点不进入喘振区。只要故障存 在，工作点就在控制线上的这一点（控制点）左右來回移动；故障消除后，工作点向右移到工况需 耍流量的正常工况点上。

　3. 2. 4防喘振阀的选型

　防喘振阀是防喘振控制的唯一的执行机构，也是连锁保护的重要执行机构。在选型时要注意：

　（1） 在电磁阀失电时，阀从全关到全开的时间小于Is?2s,最好是小于0. 5so仅仅将电磁阀装于 紧靠阀门膜头处的方法不一定能达到这个要求。应该在气路上采取措施，使用大口径的单向节流 阀（注意该阀的动作压力应与阀门的膜头控制气信号一致，目前国内可能还没有这种规格的阀）， 11在阀门选型时最好选用反作用气关式执行机构，以利用阀芯本身的重量加快阀门打开。

　（2） 阀的特性应选用直线型。在防喘振调节器刚开始作用时，即阀处于小开度时，相对流量值的 变化可大些，有利于喘振一开始就被快速地克服。

　（3） 认真考虑好该阀门的允许差压，即选好执行机构和通径。

　（4） 正确选择该阀门的泄漏等级。

　（5） 阀门的通径一般应满足全量放空的要求。

　3. 2. 5流量孔板（或喷嘴）安装注意事项

　我们认为对于作为单机购买的并采用中控室DCS系统控制的压缩机，应该配置流量测量用的仪 表，如孔板或喷嘴（如文丘里管）等，它用于单机试车和考核以及防喘振保护。但这样的设置将增 加阻力损失，能耗增加。如不设流量测量装置，在签定合同时，应约定以后单机试车和考核的办 法。

　各个压缩机厂商对流量孔板（有的厂商利用入口处变径管大小头两端处的差压，根据自身的经验 转化成人口流量）的设置位置是不一样的，有的设置在入口处，有的设置在出口处，有的不设流 量测量元件而用电机电流来代替。

　入口处设置孔板，孔板前后直管段的要求容易满足，可避免由于安装条件刁二满足而引起的测量 偏差。但孔板尺寸相对较大，R由于内部气量的泄漏，不利于正确考核出［］流量。

　出口处设置孔板，孔板尺寸相对较小，且正确地反映了出口流量，利于机组的考核和验收。但是 特别要注意的是，由于是安装在压缩机的出口处，被压缩的空气流动状态相当紊乱，如孔板前后 的直管段仅仅满足较低的要求（如前10D后5D）,孔板前后的差压会有较大的波动，也即出口流 量值波动较大，如不采取措施，甚至会严重到既不能进行流量的考核，也不能进行防喘振的控制。

　压缩机为了防喘振的需要，一般又对出口放空阀到机组出口端的最大距离作出限制，以限制气体 容量，利于气体迅速放空，因此孔板的前后直管段基本上只能最大到17D左右。为了克服这个孑 盾，建议在孔板直管段前增加整流器，此方法对于稳定气流、减小孔板前后的差圧波动既经济又 实用。

　用电机电流代表出［J流量避免了上述流量测量的波动，测量值比较平稳。但如无流量测量孔板, 将无法直观地了解机组的排出流量，无法进行机组的事实上的考核。如采用空分装置中的进冷箱 的空气流量孔板进行考核，单机考核时间要推迟，且因为存在着空气的切换损失和设计制造的责 任界区分二工，这个方案实际可操作性很差。电机电流与排岀流量存在着一定的对应关系，但对 于一些特定的情况（如级间短路时）又不一定有对应关系，此时又显得不尽合理。供应厂商往往不 提供电流与流量的关系图，在DCS系统组态时将不能进行机组特性曲线的动态特性显示，人机操 作界面很差。

　3. 3电机过载保护

　为防止电机过载，设置了电机过载保护。当电机电流超过额定值时，电机过载保护调节器开始与 原出口压力调节器同时迭加在一起，调整主压缩机人口导叶的开度，保护电机不过载。对于组合 式压缩机（即主空压机和增压机组合成一台圧缩机），因为增压机的负荷只占压缩机总负荷的小部 分，所以电机过载保护只可调节主压缩机人口导叶。对于主压缩机和增压机各自独立的机组，则 主压缩机和增压机均应设置独立的电机过载保护。

　3. 4出口压力过高保护控制

　对于恒压控制的压缩机，当山于某些原因，入口导叶开度的调整还不能使岀口压力稳定在设计值 而继续升高并达到某一值时，出口压力过高保护调节器开始起作用，与原防喘振调节器一起调整 放空阀（回流阀）的开度，保护出口压力不再升高。增压机同样设置了出口压力过高保护控制。

　3. 5起动联锁逻辑，

　只有在相关的工艺或机械条件全部满足后，机组才能投人运转，因此必须设置起动条件逻辑的判 断。在这个逻辑里，通常还包括了油压联锁逻辑即副油泵的自动起动逻辑以及轴振动联锁在起动 过程屮的解除。我们通常应用测振仪的报警三倍增功能，在起动过程使机组的振动或位移既在安 全监控范围内又能顺利地渡过临界区，完成起动过程。

　3. 6停车联锁或卸载逻辑

　出现任何一个重要的工艺参数超限或机组故障时，将紧急停车，以确保机组的安全。事故停车后 再起动时，必须经人工确认。停车逻辑的结果是电机停车，放空阀（或回流阀）快速全打开，主压 缩机人口导叶全关，增压机人口导叶在最小位置。

　在空分装置预冷系统或分子筛纯化系统发生故障时，联锁的动作是卸载，即放空阀（或回流阀） 全开，主压缩机和增压机人口导叶均在最小位置（注意：不是全关位置），电机不停车。

　机组正常停车的卸载、卸压和停车操作由操作员在中控室DCS上实现。

　7机组的自动起动

　大部分机组的起动采用由操作工手动操作入口导叶和放空阀（或回流阀）再操作输送阀的方式。但 有的用户或机组厂商为了尽可能地避免人为的操作，即避免误操作、减小操作强度，要求采用自 动起动机组的方式。在自动起动时不允许人为操作，仅当起动完成或机组己投入正常运行后，操 作工可以进行卸载、卸压的操作，即：人口导叶只能在原来的开度基础上进行关小的操作，放空 阀（回流阀）只能在原来的开度基础上进行开大的操作。在操作时，有时确实会发生极偶然的误操 作，限制操作工只能向安全方向操作是有实际意义的。

　机组自动起动包括主压缩机的自动起动，主压缩机在卸载后的自动恢复（加载），增压机的自动起 动和增压机在卸载后的自动恢复（加载）。

　现以云南铜业股份公司16000m7h空分装置的复合型空压机为例，介绍自动起动的技术参数。

　机组不设机旁控制柜，由中控室DCS控制系统实现全自动起动，即在电控室按下同步电机起动按 钮，电机由变频起动器起动，在规定的时间达到同步转速，起动完毕并发出允许加载信号后，压 缩机自动开始加载。

　根据空分装置的工艺要求，机组的出口压力采用了定值控制，即主压缩机出口压力控制在

　905bar,增压机出口压力控制在9. 505baro空分生产需耍的流量山调整主压缩机的送气阀 和增压机的送气阀的开度来调节。

　3. 7. 1自动起动的工艺技术参数

　（1）自动起动时间：约6分钟。

　⑵口动起动控制的对象：①主压缩机的人口导叶和出口放空阀；②增压机的入口导叶和出口回 流阀。

　（3） 自动起动开始时控制对象的位置：①主压缩机的人口导叶'全关；②增压机的人口导叶开度 30%；③主压缩机的出口放空阀、增压机的出口回流阀全开；④主压缩机和增压机的送气阀全关, 增压机的人U氮气（或空气）达到设计需要的压力。

　（4） 口动起动结束后控制对象的位置：①主压缩机人口导口十开度约32%；②主压缩机放空阀开 度约78%；③增压机人口导叶开度约40%；④增压机回流阀开度约68%。

　（5） 正常运行后控制对象的调节范围：①主压缩机人口导叶开度20%?100%,放空阀开度 （T100%；②增压机人口导叶开度40%~100%，放空阀开度0?100%。

　（6） 自动起动结束后的工艺参数：①主压缩机出口压力为设计设定值4. 905bar,流量65000m7h； ②增压机出口压力为设计设定值9. 505bar,流量为15000m7ho

　3. 7. 2压缩机自动起动后向空分装置送气的操作以主压缩机为例说明（增压机过程相似）。

　压缩机在自动起动完成后，应向空分装置送气。此过程为手动（空压机输气阀遥控）打开向空分输 气的阀，这个过程应当非常缓慢。由于压缩机的各个回路均在自动状态，在输气阀从开度为0 到约18%期间，该阀打开一些，流量调节器的输出会减小一些，放空阀也会自动地关小一些。

　因此操作工只要慢慢开大输气阀即可，气体会慢慢流向空分，直至放空阀关闭。此时流量约为 65000m7h,并H压缩机岀口压力始终保持稳定。继续开大输气阀，压缩机输出流量开始增加， 从DCS上的压缩机的特性曲线图可以清楚地看到工作点的变化和移动轨迹。

　3. 7. 3压缩机自动起动控制原理

　因为在空分装置刚开始起动时，增压机还不需要加压，因此，增压机应强迫设置在轻载状态，即 增压机入口导叶设置在30%的开度，回流阀全开。

　图7为幸压缩机入口导叶自动起动和知裁后自动恢复加载的控制原理图。图8为主压缩机放空阀 自动起动和自动加载的控制原理图。

　3. 7. 4对压缩机自动起动控制的一些说明

　(1)增压机的自动起动和卸载后的自动恢复控制原理图与图7、图8类似。

　⑵在主压缩机(增压机)自动起动前，程序自动将入口导叶调节回路PIC110KPIC110)切到手动, 在自动起动过程中，PIC1101 (PIC110)的输出自动跟踪M-IGVRAMP(B-IGVRAMP)的爬坡输出值，直 至出口压力达到各自的设定値，PICllOl(PICllO)才自动投入自动。同理，在主压缩机(增压机) 自动恢复前，程序也自动将入口导叶调节回路PICllOl(PICllO)切到手动，在自动恢复过程中， PTC1101 (PTC110)的输出自动跟踪M-TGVRECOVER (B-TGVRECOVER)的爬坡输出值，直至出口压力达 到各自的设定值时，PICllOl(PICllO)才自动投入自动。这样，在压缩机自动起动和恢复时可以 平稳地在设计点结朿起动和投入自动调节。

　⑶在主压缩机(增压机)自动起动和自动恢复前，程序自动将防喘振调节回路FIC1044(FIC1045) 切到手动，在自动起动过程中,FIC1044(FIC1045)的输出自动跟踪V 1046RAMP(V1047RAMP)的 下坡输出值，直至工作点到达各自的设定值时，FTC1O14(FTC1O45)才自动投人外设定自动调节状 态，这样就可以平稳地在设计点结束起动和投入自动调节。

　作者简介：赵阳，男，教授级高工，1966年毕业于西安交通大学，现任中国空分设备公司自动 化工程部经理。