進(jìn)口空壓機(jī)控制系統(tǒng)在青鋼空分的應(yīng)用與討論
青島鋼鐵公司氧氣廠10000Nm３/h空分裝置采用內(nèi)壓縮流程，其配套的空氣壓縮機(jī)及空氣增壓機(jī)均為美國某公司產(chǎn)品.機(jī)組設(shè)有機(jī)旁柜，由自帶的控制系統(tǒng)控制，采用通訊的方法，將機(jī)組的參數(shù)傳送至DCS，在DCS操作站上進(jìn)行監(jiān)視。其自帶控制系統(tǒng)控制策略周全,具有節(jié)能，安全,適應(yīng)不同工況能力的優(yōu)點(diǎn).
1 .基本控制
依據(jù)空分裝置的工藝要求，機(jī)組采用恒壓控制，空壓機(jī)的壓力測(cè)點(diǎn)設(shè)在分子篩后，增壓機(jī)的壓力測(cè)點(diǎn)二級(jí)出口設(shè)在進(jìn)增壓透平膨脹機(jī)前，四級(jí)出口設(shè)在四級(jí)出口止回閥后。控制原理圖（以空壓機(jī)為例）。
正常用氣時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉的開度，使系統(tǒng)壓力恒定。控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)壓縮機(jī)狀態(tài)與設(shè)定值之間的關(guān)系，通過表１的三個(gè)進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)回路來調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉的開度，來維持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，并防止電機(jī)過載。
兩個(gè)放空閥調(diào)節(jié)回路來防止壓縮機(jī)在過高壓力下運(yùn)行（最大排氣壓力），并維持壓縮機(jī)在達(dá)到最高允許壓力（系統(tǒng)壓力偏移值）運(yùn)行。其控制曲線如壓縮機(jī)運(yùn)行控制曲線（圖二）所示。
２.不同過程的控制
壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)，最大馬達(dá)電流會(huì)控制進(jìn)口閥，使壓縮機(jī)沿圖二曲線Ｄ快速加載，渡過喘振區(qū)。如系統(tǒng)流量過小，則最小流量控制器會(huì)取得控制權(quán)，在最小流量控制方式下，進(jìn)口閥會(huì)沿圖二中曲線Ｂ在位置２與位置３間運(yùn)行，如系統(tǒng)壓力達(dá)到偏移值則系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)器會(huì)調(diào)節(jié)放空閥開度，系統(tǒng)壓力會(huì)穩(wěn)定于偏移值。如系統(tǒng)流量過大，則最大負(fù)載控制器會(huì)取得控制權(quán)，進(jìn)口閥不再開大防止電機(jī)過載。
３.防喘振控制
壓縮機(jī)單級(jí)或多級(jí)產(chǎn)生逆流，高溫氣倒流壓縮機(jī)，此時(shí)壓縮機(jī)仍舊維持原狀不變，會(huì)使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)并可能損壞軸承密封近而造成事故。當(dāng)喘震發(fā)生時(shí)，由于氣流的脈動(dòng)和周期性的震蕩，在葉片末端形成前列的瘠薄，葉輪的動(dòng)應(yīng)力大大增加，使葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)發(fā)生疲勞斷裂，對(duì)其防止和控制極為重要。
喘振的原因是壓縮機(jī)的運(yùn)行工況遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況，流量超過最小值，在壓縮機(jī)流道中出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離和失速。喘振的控制方法，就是在機(jī)組進(jìn)入最小流量時(shí)，通過開回流閥增加氣量使機(jī)組工作于最小供氣能力，避免喘振發(fā)生。即使采取以上方法，避免機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)，仍有喘振發(fā)生的可能，例如：
1. 級(jí)間溫度或進(jìn)口溫度升高，導(dǎo)致無效能增加。
2. 系統(tǒng)用氣的突然改變，機(jī)組的響應(yīng)速度跟不上。
3. 儀表的錯(cuò)誤輸出，例如電網(wǎng)電壓的變化，使壓縮機(jī)的功耗與電流值不能匹配。
4. 閥門響應(yīng)不正確。
為保證機(jī)組的運(yùn)行安全,控制系統(tǒng)設(shè)有喘振線的右側(cè)設(shè)有一條安全限制線和一條控制線(如圖二所示).
如前所述，壓縮機(jī)正常工作時(shí)維持系統(tǒng)壓力。當(dāng)需氣量進(jìn)一步減少，則系統(tǒng)不允許進(jìn)口閥進(jìn)一步關(guān)小，此時(shí)系統(tǒng)壓力會(huì)升高，當(dāng)達(dá)到偏移值時(shí)，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)回路獲得控制權(quán)，控制放空閥的開度使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定于其設(shè)定值。若管網(wǎng)出現(xiàn)異常（如切換閥故障等）回導(dǎo)致機(jī)組排氣壓力的突然升高至排氣壓力設(shè)定點(diǎn)，則排氣壓力控制器會(huì)獲得控制權(quán)，放空閥會(huì)快速響應(yīng)，避免機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)。如外界因素影響使機(jī)組運(yùn)行狀況達(dá)到安全限則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行記錄，同時(shí)將控制線右推對(duì)機(jī)組的運(yùn)行喘振控制線進(jìn)行修正，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。
４.電機(jī)的控制
對(duì)電機(jī)的運(yùn)行設(shè)有四種狀態(tài)，分別為：STARTING，RUNING，STOPPINGH，STOPPED。依據(jù)各狀態(tài)的不同系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行不同的保護(hù)與控制邏輯。
４.1.起動(dòng)壓縮機(jī)
當(dāng)按下現(xiàn)場(chǎng)控制盤上的“START”鍵，系統(tǒng)初始化起動(dòng)控制邏輯進(jìn)入“STARTING”狀態(tài)，顯示屏?xí)@示啟動(dòng)允許序列和啟動(dòng)步驟。在此過程保護(hù)邏輯為啟動(dòng)保護(hù)生效，此時(shí)軸振動(dòng)連鎖值為正常運(yùn)行報(bào)警值的三倍，以使機(jī)組能順利渡過臨界區(qū)完成啟動(dòng)過程又能保護(hù)機(jī)組。若所有啟動(dòng)步都通過，啟動(dòng)程序結(jié)束進(jìn)入“RUNNING”狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)行保護(hù)邏輯生效，運(yùn)行時(shí)其保護(hù)連鎖又分為兩個(gè)級(jí)別：緊急連鎖和一般連鎖。緊急狀態(tài)下（油壓，軸振動(dòng)），控制系統(tǒng)會(huì)先停主電機(jī),再卸載壓縮機(jī).低于緊急級(jí)別的點(diǎn)組態(tài)為一般連鎖（例級(jí)間溫度，級(jí)間壓力）,連鎖發(fā)生時(shí),控制先卸載壓縮機(jī)后停主電機(jī),運(yùn)行“STOPING”停機(jī)邏輯。
按下現(xiàn)場(chǎng)控制盤的“STOP”鍵將激活停機(jī)程序，進(jìn)入“STOPING”狀態(tài)，壓縮機(jī)會(huì)卸載并停機(jī)。
５.控制模式的討論
系統(tǒng)提供三種控制模式以響應(yīng)不同用戶需要。分為AUTO-OFFLINE，AUTO-STANDBY，AUTO-UNLOAD。其控制過程相同，但是對(duì)管網(wǎng)用氣量變化的響應(yīng)不同。
5.1 .AUTO-OFFLINE 系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)壓力與排氣壓力的壓差，當(dāng)該值超過止回閥設(shè)定值時(shí)，機(jī)組進(jìn)入卸載操作，運(yùn)行于圖一的位置。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時(shí)機(jī)組復(fù)載。
５.2 .AUTO-STANDBY 該模式下如判別情況１發(fā)生，壓縮機(jī)不會(huì)卸載而是調(diào)節(jié)放空閥保持排氣壓力穩(wěn)定于系統(tǒng)壓力值減去標(biāo)準(zhǔn)模式偏移量
5.3 .AUTO-UNLOAD 放空閥為非調(diào)節(jié)閥，只能全開全關(guān)，不適應(yīng)空分工藝。
６.內(nèi)部參數(shù)的整定
考慮外部條件對(duì)機(jī)組的影響，其控制基于幾個(gè)基本參數(shù)。
１.HEAD：基于排氣壓力，進(jìn)口溫度和級(jí)間溫度由軟件進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算值。用于喘振測(cè)試，指示穩(wěn)定壓力機(jī)頭下的喘振點(diǎn)。
２.流量：基于電機(jī)電流和HEAD計(jì)算值。
３.SURGE CONTROL OFFSET 控制軟件會(huì)根據(jù)喘振測(cè)試結(jié)果建立喘振曲線的數(shù)學(xué)模型。該偏移量疊加于喘振線作為進(jìn)口閥在最小流量狀態(tài)下的控制線，進(jìn)口控制器用該變量作為最小流量控制，避免機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)。
４.SURGE SAFETY OFFSET 同控制偏移，該值疊加于喘振線作為放空閥的控制值，如運(yùn)行中達(dá)到該值，則放空閥快速反應(yīng)全部打開，機(jī)組脫離喘振區(qū)。
５.SURGEWATCH TRIP 當(dāng)喘振監(jiān)視值接近該值時(shí)會(huì)定義為發(fā)生一次喘振（可能機(jī)組并未有異常），喘振檢測(cè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且系統(tǒng)會(huì)將原始喘振曲線進(jìn)行修正，各控制線向右推移，提高機(jī)組安全系數(shù)。
7 .調(diào)試與運(yùn)行存在問題的處理
１.增壓機(jī)組空載調(diào)試運(yùn)行非常平穩(wěn)，可是與空分連動(dòng)時(shí)出現(xiàn)二級(jí)出口壓力的大幅波動(dòng)，并有加載卸載的波動(dòng)現(xiàn)象。而對(duì)膨脹機(jī)來說，要求其進(jìn)氣壓力需要非常穩(wěn)定。通過對(duì)Gain(增益)對(duì)控制回路調(diào)節(jié)性能的影響進(jìn)行分析如圖四。我們認(rèn)為影響因素有兩個(gè)：一是放空系統(tǒng)壓力，建立壓力的過程或正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，如其Kp值小，會(huì)使得System Pressure 與實(shí)際產(chǎn)生很大的誤差，無法達(dá)到設(shè)定值。二是最小流量設(shè)定，如其Kp值過大，使得實(shí)際反應(yīng)之流量曲線振幅過大或發(fā)散，導(dǎo)致
1 .基本控制
依據(jù)空分裝置的工藝要求，機(jī)組采用恒壓控制，空壓機(jī)的壓力測(cè)點(diǎn)設(shè)在分子篩后，增壓機(jī)的壓力測(cè)點(diǎn)二級(jí)出口設(shè)在進(jìn)增壓透平膨脹機(jī)前，四級(jí)出口設(shè)在四級(jí)出口止回閥后。控制原理圖（以空壓機(jī)為例）。
正常用氣時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉的開度，使系統(tǒng)壓力恒定。控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)壓縮機(jī)狀態(tài)與設(shè)定值之間的關(guān)系，通過表１的三個(gè)進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)回路來調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉的開度，來維持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，并防止電機(jī)過載。
兩個(gè)放空閥調(diào)節(jié)回路來防止壓縮機(jī)在過高壓力下運(yùn)行（最大排氣壓力），并維持壓縮機(jī)在達(dá)到最高允許壓力（系統(tǒng)壓力偏移值）運(yùn)行。其控制曲線如壓縮機(jī)運(yùn)行控制曲線（圖二）所示。
２.不同過程的控制
壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)，最大馬達(dá)電流會(huì)控制進(jìn)口閥，使壓縮機(jī)沿圖二曲線Ｄ快速加載，渡過喘振區(qū)。如系統(tǒng)流量過小，則最小流量控制器會(huì)取得控制權(quán)，在最小流量控制方式下，進(jìn)口閥會(huì)沿圖二中曲線Ｂ在位置２與位置３間運(yùn)行，如系統(tǒng)壓力達(dá)到偏移值則系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)器會(huì)調(diào)節(jié)放空閥開度，系統(tǒng)壓力會(huì)穩(wěn)定于偏移值。如系統(tǒng)流量過大，則最大負(fù)載控制器會(huì)取得控制權(quán)，進(jìn)口閥不再開大防止電機(jī)過載。
３.防喘振控制
壓縮機(jī)單級(jí)或多級(jí)產(chǎn)生逆流，高溫氣倒流壓縮機(jī)，此時(shí)壓縮機(jī)仍舊維持原狀不變，會(huì)使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)并可能損壞軸承密封近而造成事故。當(dāng)喘震發(fā)生時(shí)，由于氣流的脈動(dòng)和周期性的震蕩，在葉片末端形成前列的瘠薄，葉輪的動(dòng)應(yīng)力大大增加，使葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)發(fā)生疲勞斷裂，對(duì)其防止和控制極為重要。
喘振的原因是壓縮機(jī)的運(yùn)行工況遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況，流量超過最小值，在壓縮機(jī)流道中出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離和失速。喘振的控制方法，就是在機(jī)組進(jìn)入最小流量時(shí)，通過開回流閥增加氣量使機(jī)組工作于最小供氣能力，避免喘振發(fā)生。即使采取以上方法，避免機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)，仍有喘振發(fā)生的可能，例如：
1. 級(jí)間溫度或進(jìn)口溫度升高，導(dǎo)致無效能增加。
2. 系統(tǒng)用氣的突然改變，機(jī)組的響應(yīng)速度跟不上。
3. 儀表的錯(cuò)誤輸出，例如電網(wǎng)電壓的變化，使壓縮機(jī)的功耗與電流值不能匹配。
4. 閥門響應(yīng)不正確。
為保證機(jī)組的運(yùn)行安全,控制系統(tǒng)設(shè)有喘振線的右側(cè)設(shè)有一條安全限制線和一條控制線(如圖二所示).
如前所述，壓縮機(jī)正常工作時(shí)維持系統(tǒng)壓力。當(dāng)需氣量進(jìn)一步減少，則系統(tǒng)不允許進(jìn)口閥進(jìn)一步關(guān)小，此時(shí)系統(tǒng)壓力會(huì)升高，當(dāng)達(dá)到偏移值時(shí)，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)回路獲得控制權(quán)，控制放空閥的開度使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定于其設(shè)定值。若管網(wǎng)出現(xiàn)異常（如切換閥故障等）回導(dǎo)致機(jī)組排氣壓力的突然升高至排氣壓力設(shè)定點(diǎn)，則排氣壓力控制器會(huì)獲得控制權(quán)，放空閥會(huì)快速響應(yīng)，避免機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)。如外界因素影響使機(jī)組運(yùn)行狀況達(dá)到安全限則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行記錄，同時(shí)將控制線右推對(duì)機(jī)組的運(yùn)行喘振控制線進(jìn)行修正，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。
４.電機(jī)的控制
對(duì)電機(jī)的運(yùn)行設(shè)有四種狀態(tài)，分別為：STARTING，RUNING，STOPPINGH，STOPPED。依據(jù)各狀態(tài)的不同系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行不同的保護(hù)與控制邏輯。
４.1.起動(dòng)壓縮機(jī)
當(dāng)按下現(xiàn)場(chǎng)控制盤上的“START”鍵，系統(tǒng)初始化起動(dòng)控制邏輯進(jìn)入“STARTING”狀態(tài)，顯示屏?xí)@示啟動(dòng)允許序列和啟動(dòng)步驟。在此過程保護(hù)邏輯為啟動(dòng)保護(hù)生效，此時(shí)軸振動(dòng)連鎖值為正常運(yùn)行報(bào)警值的三倍，以使機(jī)組能順利渡過臨界區(qū)完成啟動(dòng)過程又能保護(hù)機(jī)組。若所有啟動(dòng)步都通過，啟動(dòng)程序結(jié)束進(jìn)入“RUNNING”狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)行保護(hù)邏輯生效，運(yùn)行時(shí)其保護(hù)連鎖又分為兩個(gè)級(jí)別：緊急連鎖和一般連鎖。緊急狀態(tài)下（油壓，軸振動(dòng)），控制系統(tǒng)會(huì)先停主電機(jī),再卸載壓縮機(jī).低于緊急級(jí)別的點(diǎn)組態(tài)為一般連鎖（例級(jí)間溫度，級(jí)間壓力）,連鎖發(fā)生時(shí),控制先卸載壓縮機(jī)后停主電機(jī),運(yùn)行“STOPING”停機(jī)邏輯。
按下現(xiàn)場(chǎng)控制盤的“STOP”鍵將激活停機(jī)程序，進(jìn)入“STOPING”狀態(tài)，壓縮機(jī)會(huì)卸載并停機(jī)。
５.控制模式的討論
系統(tǒng)提供三種控制模式以響應(yīng)不同用戶需要。分為AUTO-OFFLINE，AUTO-STANDBY，AUTO-UNLOAD。其控制過程相同，但是對(duì)管網(wǎng)用氣量變化的響應(yīng)不同。
5.1 .AUTO-OFFLINE 系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)壓力與排氣壓力的壓差，當(dāng)該值超過止回閥設(shè)定值時(shí)，機(jī)組進(jìn)入卸載操作，運(yùn)行于圖一的位置。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時(shí)機(jī)組復(fù)載。
５.2 .AUTO-STANDBY 該模式下如判別情況１發(fā)生，壓縮機(jī)不會(huì)卸載而是調(diào)節(jié)放空閥保持排氣壓力穩(wěn)定于系統(tǒng)壓力值減去標(biāo)準(zhǔn)模式偏移量
5.3 .AUTO-UNLOAD 放空閥為非調(diào)節(jié)閥，只能全開全關(guān)，不適應(yīng)空分工藝。
６.內(nèi)部參數(shù)的整定
考慮外部條件對(duì)機(jī)組的影響，其控制基于幾個(gè)基本參數(shù)。
１.HEAD：基于排氣壓力，進(jìn)口溫度和級(jí)間溫度由軟件進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算值。用于喘振測(cè)試，指示穩(wěn)定壓力機(jī)頭下的喘振點(diǎn)。
２.流量：基于電機(jī)電流和HEAD計(jì)算值。
３.SURGE CONTROL OFFSET 控制軟件會(huì)根據(jù)喘振測(cè)試結(jié)果建立喘振曲線的數(shù)學(xué)模型。該偏移量疊加于喘振線作為進(jìn)口閥在最小流量狀態(tài)下的控制線，進(jìn)口控制器用該變量作為最小流量控制，避免機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)。
４.SURGE SAFETY OFFSET 同控制偏移，該值疊加于喘振線作為放空閥的控制值，如運(yùn)行中達(dá)到該值，則放空閥快速反應(yīng)全部打開，機(jī)組脫離喘振區(qū)。
５.SURGEWATCH TRIP 當(dāng)喘振監(jiān)視值接近該值時(shí)會(huì)定義為發(fā)生一次喘振（可能機(jī)組并未有異常），喘振檢測(cè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且系統(tǒng)會(huì)將原始喘振曲線進(jìn)行修正，各控制線向右推移，提高機(jī)組安全系數(shù)。
7 .調(diào)試與運(yùn)行存在問題的處理
１.增壓機(jī)組空載調(diào)試運(yùn)行非常平穩(wěn)，可是與空分連動(dòng)時(shí)出現(xiàn)二級(jí)出口壓力的大幅波動(dòng)，并有加載卸載的波動(dòng)現(xiàn)象。而對(duì)膨脹機(jī)來說，要求其進(jìn)氣壓力需要非常穩(wěn)定。通過對(duì)Gain(增益)對(duì)控制回路調(diào)節(jié)性能的影響進(jìn)行分析如圖四。我們認(rèn)為影響因素有兩個(gè)：一是放空系統(tǒng)壓力，建立壓力的過程或正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，如其Kp值小，會(huì)使得System Pressure 與實(shí)際產(chǎn)生很大的誤差，無法達(dá)到設(shè)定值。二是最小流量設(shè)定，如其Kp值過大，使得實(shí)際反應(yīng)之流量曲線振幅過大或發(fā)散，導(dǎo)致
圖四 Kp值對(duì)控制回路調(diào)節(jié)性能的影響
實(shí)際流量到達(dá)Surge Safety點(diǎn)，回流閥打開。為此我們對(duì)二級(jí)的防空閥系統(tǒng)壓力控制回路之Kp值由１.2改為1.8，最小流量控制回路之Kp值有0.08 下調(diào)為0.03。二機(jī)系統(tǒng)壓力不穩(wěn)與回流閥突然打開的現(xiàn)象不再出現(xiàn)。
２.空壓機(jī)組存在喘震計(jì)數(shù)不斷增長的問題，導(dǎo)致其控制曲線不斷右移，進(jìn)口閥進(jìn)入最小流量控制狀態(tài)，放空閥被迫打開，致使電耗的升高同時(shí)空分進(jìn)氣在分子篩不同的工作過程壓力的不穩(wěn)定，影響了工藝的運(yùn)行。其原因如下：一是儀表的錯(cuò)誤信號(hào)，二是外部環(huán)境的改變機(jī)組無法適應(yīng)，檢測(cè)到喘震，三是喘震檢測(cè)敏感度太高，機(jī)組并未進(jìn)入喘震而程序誤判斷，四是內(nèi)部參數(shù)組態(tài)設(shè)置不合適或內(nèi)部程序出現(xiàn)問題。通過長期觀察機(jī)組的運(yùn)行喘震計(jì)數(shù)增加時(shí)機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，外部環(huán)境也無大的改變，電流及功率值變化亦非常的小。基本可排除前兩個(gè)原因。因其內(nèi)部組態(tài)在機(jī)組運(yùn)行是不能進(jìn)行修改，我們對(duì)其SURGEWATCH TRIP值進(jìn)行修改，適當(dāng)放大其值喘震的計(jì)數(shù)速度有所減緩，后又利用停機(jī)的機(jī)會(huì)對(duì)喘震監(jiān)視值的組態(tài)進(jìn)行了修改，喘震計(jì)數(shù)值不再增加，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)。
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