進口空壓機控制系統在青鋼空分的應用與討論
青島鋼鐵公司氧氣廠10000Nm３/h空分裝置采用內壓縮流程，其配套的空氣壓縮機及空氣增壓機均為美國某公司產品.機組設有機旁柜，由自帶的控制系統控制，采用通訊的方法，將機組的參數傳送至DCS，在DCS操作站上進行監視。其自帶控制系統控制策略周全,具有節能，安全,適應不同工況能力的優點.
1 .基本控制
依據空分裝置的工藝要求，機組采用恒壓控制，空壓機的壓力測點設在分子篩后，增壓機的壓力測點二級出口設在進增壓透平膨脹機前，四級出口設在四級出口止回閥后。控制原理圖（以空壓機為例）。
正常用氣時系統會調節進口導葉的開度，使系統壓力恒定。控制系統會自動檢測壓縮機狀態與設定值之間的關系，通過表１的三個進口導葉調節回路來調節進口導葉的開度，來維持系統壓力的穩定，并防止電機過載。
兩個放空閥調節回路來防止壓縮機在過高壓力下運行（最大排氣壓力），并維持壓縮機在達到最高允許壓力（系統壓力偏移值）運行。其控制曲線如壓縮機運行控制曲線（圖二）所示。
２.不同過程的控制
壓縮機起動時，最大馬達電流會控制進口閥，使壓縮機沿圖二曲線Ｄ快速加載，渡過喘振區。如系統流量過小，則最小流量控制器會取得控制權，在最小流量控制方式下，進口閥會沿圖二中曲線Ｂ在位置２與位置３間運行，如系統壓力達到偏移值則系統壓力調節器會調節放空閥開度，系統壓力會穩定于偏移值。如系統流量過大，則最大負載控制器會取得控制權，進口閥不再開大防止電機過載。
３.防喘振控制
壓縮機單級或多級產生逆流，高溫氣倒流壓縮機，此時壓縮機仍舊維持原狀不變，會使壓縮機的轉子產生強烈的震動并可能損壞軸承密封近而造成事故。當喘震發生時，由于氣流的脈動和周期性的震蕩，在葉片末端形成前列的瘠薄，葉輪的動應力大大增加，使葉片產生強烈振動發生疲勞斷裂，對其防止和控制極為重要。
喘振的原因是壓縮機的運行工況遠離設計工況，流量超過最小值，在壓縮機流道中出現嚴重的旋轉脫離和失速。喘振的控制方法，就是在機組進入最小流量時，通過開回流閥增加氣量使機組工作于最小供氣能力，避免喘振發生。即使采取以上方法，避免機組進入喘振區，仍有喘振發生的可能，例如：
1. 級間溫度或進口溫度升高，導致無效能增加。
2. 系統用氣的突然改變，機組的響應速度跟不上。
3. 儀表的錯誤輸出，例如電網電壓的變化，使壓縮機的功耗與電流值不能匹配。
4. 閥門響應不正確。
為保證機組的運行安全,控制系統設有喘振線的右側設有一條安全限制線和一條控制線(如圖二所示).
如前所述，壓縮機正常工作時維持系統壓力。當需氣量進一步減少，則系統不允許進口閥進一步關小，此時系統壓力會升高，當達到偏移值時，系統壓力調節回路獲得控制權，控制放空閥的開度使系統壓力穩定于其設定值。若管網出現異常（如切換閥故障等）回導致機組排氣壓力的突然升高至排氣壓力設定點，則排氣壓力控制器會獲得控制權，放空閥會快速響應，避免機組進入喘振區。如外界因素影響使機組運行狀況達到安全限則系統會進行記錄，同時將控制線右推對機組的運行喘振控制線進行修正，保證機組的安全運行。
４.電機的控制
對電機的運行設有四種狀態，分別為：STARTING，RUNING，STOPPINGH，STOPPED。依據各狀態的不同系統會運行不同的保護與控制邏輯。
４.1.起動壓縮機
當按下現場控制盤上的“START”鍵，系統初始化起動控制邏輯進入“STARTING”狀態，顯示屏會顯示啟動允許序列和啟動步驟。在此過程保護邏輯為啟動保護生效，此時軸振動連鎖值為正常運行報警值的三倍，以使機組能順利渡過臨界區完成啟動過程又能保護機組。若所有啟動步都通過，啟動程序結束進入“RUNNING”狀態，此時運行保護邏輯生效，運行時其保護連鎖又分為兩個級別：緊急連鎖和一般連鎖。緊急狀態下（油壓，軸振動），控制系統會先停主電機,再卸載壓縮機.低于緊急級別的點組態為一般連鎖（例級間溫度，級間壓力）,連鎖發生時,控制先卸載壓縮機后停主電機,運行“STOPING”停機邏輯。
按下現場控制盤的“STOP”鍵將激活停機程序，進入“STOPING”狀態，壓縮機會卸載并停機。
５.控制模式的討論
系統提供三種控制模式以響應不同用戶需要。分為AUTO-OFFLINE，AUTO-STANDBY，AUTO-UNLOAD。其控制過程相同，但是對管網用氣量變化的響應不同。
5.1 .AUTO-OFFLINE 系統檢測系統壓力與排氣壓力的壓差，當該值超過止回閥設定值時，機組進入卸載操作，運行于圖一的位置。當系統壓力低于設定值時機組復載。
５.2 .AUTO-STANDBY 該模式下如判別情況１發生，壓縮機不會卸載而是調節放空閥保持排氣壓力穩定于系統壓力值減去標準模式偏移量
5.3 .AUTO-UNLOAD 放空閥為非調節閥，只能全開全關，不適應空分工藝。
６.內部參數的整定
考慮外部條件對機組的影響，其控制基于幾個基本參數。
１.HEAD：基于排氣壓力，進口溫度和級間溫度由軟件進行計算的計算值。用于喘振測試，指示穩定壓力機頭下的喘振點。
２.流量：基于電機電流和HEAD計算值。
３.SURGE CONTROL OFFSET 控制軟件會根據喘振測試結果建立喘振曲線的數學模型。該偏移量疊加于喘振線作為進口閥在最小流量狀態下的控制線，進口控制器用該變量作為最小流量控制，避免機組進入喘振區。
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，如運行中達到該值，則放空閥快速反應全部打開，機組脫離喘振區。
５.SURGEWATCH TRIP 當喘振監視值接近該值時會定義為發生一次喘振（可能機組并未有異常），喘振檢測計數器進行計數，并且系統會將原始喘振曲線進行修正，各控制線向右推移，提高機組安全系數。
7 .調試與運行存在問題的處理
１.增壓機組空載調試運行非常平穩，可是與空分連動時出現二級出口壓力的大幅波動，并有加載卸載的波動現象。而對膨脹機來說，要求其進氣壓力需要非常穩定。通過對Gain(增益)對控制回路調節性能的影響進行分析如圖四。我們認為影響因素有兩個：一是放空系統壓力，建立壓力的過程或正常運轉的過程中，如其Kp值小，會使得System Pressure 與實際產生很大的誤差，無法達到設定值。二是最小流量設定，如其Kp值過大，使得實際反應之流量曲線振幅過大或發散，導致
1 .基本控制
依據空分裝置的工藝要求，機組采用恒壓控制，空壓機的壓力測點設在分子篩后，增壓機的壓力測點二級出口設在進增壓透平膨脹機前，四級出口設在四級出口止回閥后。控制原理圖（以空壓機為例）。
正常用氣時系統會調節進口導葉的開度，使系統壓力恒定。控制系統會自動檢測壓縮機狀態與設定值之間的關系，通過表１的三個進口導葉調節回路來調節進口導葉的開度，來維持系統壓力的穩定，并防止電機過載。
兩個放空閥調節回路來防止壓縮機在過高壓力下運行（最大排氣壓力），并維持壓縮機在達到最高允許壓力（系統壓力偏移值）運行。其控制曲線如壓縮機運行控制曲線（圖二）所示。
２.不同過程的控制
壓縮機起動時，最大馬達電流會控制進口閥，使壓縮機沿圖二曲線Ｄ快速加載，渡過喘振區。如系統流量過小，則最小流量控制器會取得控制權，在最小流量控制方式下，進口閥會沿圖二中曲線Ｂ在位置２與位置３間運行，如系統壓力達到偏移值則系統壓力調節器會調節放空閥開度，系統壓力會穩定于偏移值。如系統流量過大，則最大負載控制器會取得控制權，進口閥不再開大防止電機過載。
３.防喘振控制
壓縮機單級或多級產生逆流，高溫氣倒流壓縮機，此時壓縮機仍舊維持原狀不變，會使壓縮機的轉子產生強烈的震動并可能損壞軸承密封近而造成事故。當喘震發生時，由于氣流的脈動和周期性的震蕩，在葉片末端形成前列的瘠薄，葉輪的動應力大大增加，使葉片產生強烈振動發生疲勞斷裂，對其防止和控制極為重要。
喘振的原因是壓縮機的運行工況遠離設計工況，流量超過最小值，在壓縮機流道中出現嚴重的旋轉脫離和失速。喘振的控制方法，就是在機組進入最小流量時，通過開回流閥增加氣量使機組工作于最小供氣能力，避免喘振發生。即使采取以上方法，避免機組進入喘振區，仍有喘振發生的可能，例如：
1. 級間溫度或進口溫度升高，導致無效能增加。
2. 系統用氣的突然改變，機組的響應速度跟不上。
3. 儀表的錯誤輸出，例如電網電壓的變化，使壓縮機的功耗與電流值不能匹配。
4. 閥門響應不正確。
為保證機組的運行安全,控制系統設有喘振線的右側設有一條安全限制線和一條控制線(如圖二所示).
如前所述，壓縮機正常工作時維持系統壓力。當需氣量進一步減少，則系統不允許進口閥進一步關小，此時系統壓力會升高，當達到偏移值時，系統壓力調節回路獲得控制權，控制放空閥的開度使系統壓力穩定于其設定值。若管網出現異常（如切換閥故障等）回導致機組排氣壓力的突然升高至排氣壓力設定點，則排氣壓力控制器會獲得控制權，放空閥會快速響應，避免機組進入喘振區。如外界因素影響使機組運行狀況達到安全限則系統會進行記錄，同時將控制線右推對機組的運行喘振控制線進行修正，保證機組的安全運行。
４.電機的控制
對電機的運行設有四種狀態，分別為：STARTING，RUNING，STOPPINGH，STOPPED。依據各狀態的不同系統會運行不同的保護與控制邏輯。
４.1.起動壓縮機
當按下現場控制盤上的“START”鍵，系統初始化起動控制邏輯進入“STARTING”狀態，顯示屏會顯示啟動允許序列和啟動步驟。在此過程保護邏輯為啟動保護生效，此時軸振動連鎖值為正常運行報警值的三倍，以使機組能順利渡過臨界區完成啟動過程又能保護機組。若所有啟動步都通過，啟動程序結束進入“RUNNING”狀態，此時運行保護邏輯生效，運行時其保護連鎖又分為兩個級別：緊急連鎖和一般連鎖。緊急狀態下（油壓，軸振動），控制系統會先停主電機,再卸載壓縮機.低于緊急級別的點組態為一般連鎖（例級間溫度，級間壓力）,連鎖發生時,控制先卸載壓縮機后停主電機,運行“STOPING”停機邏輯。
按下現場控制盤的“STOP”鍵將激活停機程序，進入“STOPING”狀態，壓縮機會卸載并停機。
５.控制模式的討論
系統提供三種控制模式以響應不同用戶需要。分為AUTO-OFFLINE，AUTO-STANDBY，AUTO-UNLOAD。其控制過程相同，但是對管網用氣量變化的響應不同。
5.1 .AUTO-OFFLINE 系統檢測系統壓力與排氣壓力的壓差，當該值超過止回閥設定值時，機組進入卸載操作，運行于圖一的位置。當系統壓力低于設定值時機組復載。
５.2 .AUTO-STANDBY 該模式下如判別情況１發生，壓縮機不會卸載而是調節放空閥保持排氣壓力穩定于系統壓力值減去標準模式偏移量
5.3 .AUTO-UNLOAD 放空閥為非調節閥，只能全開全關，不適應空分工藝。
６.內部參數的整定
考慮外部條件對機組的影響，其控制基于幾個基本參數。
１.HEAD：基于排氣壓力，進口溫度和級間溫度由軟件進行計算的計算值。用于喘振測試，指示穩定壓力機頭下的喘振點。
２.流量：基于電機電流和HEAD計算值。
３.SURGE CONTROL OFFSET 控制軟件會根據喘振測試結果建立喘振曲線的數學模型。該偏移量疊加于喘振線作為進口閥在最小流量狀態下的控制線，進口控制器用該變量作為最小流量控制，避免機組進入喘振區。
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，如運行中達到該值，則放空閥快速反應全部打開，機組脫離喘振區。
５.SURGEWATCH TRIP 當喘振監視值接近該值時會定義為發生一次喘振（可能機組并未有異常），喘振檢測計數器進行計數，并且系統會將原始喘振曲線進行修正，各控制線向右推移，提高機組安全系數。
7 .調試與運行存在問題的處理
１.增壓機組空載調試運行非常平穩，可是與空分連動時出現二級出口壓力的大幅波動，并有加載卸載的波動現象。而對膨脹機來說，要求其進氣壓力需要非常穩定。通過對Gain(增益)對控制回路調節性能的影響進行分析如圖四。我們認為影響因素有兩個：一是放空系統壓力，建立壓力的過程或正常運轉的過程中，如其Kp值小，會使得System Pressure 與實際產生很大的誤差，無法達到設定值。二是最小流量設定，如其Kp值過大，使得實際反應之流量曲線振幅過大或發散，導致
圖四 Kp值對控制回路調節性能的影響
實際流量到達Surge Safety點，回流閥打開。為此我們對二級的防空閥系統壓力控制回路之Kp值由１.2改為1.8，最小流量控制回路之Kp值有0.08 下調為0.03。二機系統壓力不穩與回流閥突然打開的現象不再出現。
２.空壓機組存在喘震計數不斷增長的問題，導致其控制曲線不斷右移，進口閥進入最小流量控制狀態，放空閥被迫打開，致使電耗的升高同時空分進氣在分子篩不同的工作過程壓力的不穩定，影響了工藝的運行。其原因如下：一是儀表的錯誤信號，二是外部環境的改變機組無法適應，檢測到喘震，三是喘震檢測敏感度太高，機組并未進入喘震而程序誤判斷，四是內部參數組態設置不合適或內部程序出現問題。通過長期觀察機組的運行喘震計數增加時機組運行平穩，外部環境也無大的改變，電流及功率值變化亦非常的小。基本可排除前兩個原因。因其內部組態在機組運行是不能進行修改，我們對其SURGEWATCH TRIP值進行修改，適當放大其值喘震的計數速度有所減緩，后又利用停機的機會對喘震監視值的組態進行了修改，喘震計數值不再增加，機組運行平穩。
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