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离心压缩机防喘振控制系统设计 王博郭振霞毛靓华 ／ 沈阳鼓风机集团有限公司 摘要 在分析离心压缩机管网特性的基础上， 对 其自动控制系统的组成原理和功能设计 ，特别 是防喘振控制进行了比较系统 的阐述。举例说 明了以上位工控机、三重化冗余 P L C和以太网 为架构的分散控制系统的设计方案。 关键词 离心式压缩机 ； 控制系统 ； P L C； 防喘振 中图分类号 T H 4 5 2 ； T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号号 1 0 0 6 8 1 5 5 2 0 0 9 0 2 - 0 0 5 3 - 0 5 De s i g n o f Ce n t r i f u g a l Co mp r e s s o r An t i - s u r g e Co n t r o l S y s t e m Ab s t r a c t rI ’I l i s t h e s i s a n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a c e n t r i f u g al c o mp r e s s o r p i p e n e t wo r k，the p r o c e s s c h a r a c t e r i s ti c s o f the c e n t r i f u g al c o mp r e s s o r c o n t r o l s y s t e m ，e s pe c i a l l y d i s c us s e s the ph e n o me n a， me c h an i s m a n d p r o t ect i o n me tho d o f the s u r g e ． At l a s t ，i t g i v e s a n e x a mp l e t o s h o w h o w t o d e s i g n a r e al c e n t r i f u g al c o mp r e s s o r c o n t r o l s y s t e m b o t h i n h a r dwa r e an d s o f t ware ． K e y wo r d sC e n t r i f u g al c o mp r e s s o r； C o n t r o l s y s t e m； P L C； An t i - s u r g e l 离心压 缩机的管 网特性 通 常把 为输送气体 连接压缩机 的管道 、 容 器等全套设备 ， 包括进 、 排气管线 ， 称为管 网。 压 缩机进 口气体压力为 ， 经过压缩机增压至 ， 经过管道排出， 压力下降到 。 压缩机的输气量 G和管网的流量 相等， 或者说压缩机的排气 压力等于管网的进口压力 ，压缩机和管网就 能稳定运行 。即 G p d pn 收稿 日 期 2 0 0 9 0 2 0 4 沈阳市1 1 0 1 4 2 管网的特性曲线和压缩机的特性曲线的交 点恰好能满足上述要求，这就是压缩机和管网 的联 GB G G 图 1 压缩机和管网的联合运行点 2 离心压缩机防喘振控制技术及要点 喘振控制技术 一是在设计 上对离心式压 缩机采取措施 ； 二是普遍采用防喘振装置【引 。 2 ． 1 喘振被动控制技术 最基本的控制方法是最小流量极限控制 ， 这种方法又分为两种 固定极限流量 和可变极 限流量【 4 】 。 1 固定极限流量法 如图 2 所示，让压缩机通过的流量总是大 于某一定值流量 ， 选取最大转速下的喘振极 限流量值为 的值。 喘振线 ， 。 一 ／ ＼ Q Q 图 2 固定极限流量 一 5 3 鬈 篡 廑 20 o 9 年 第 2期 坠 ．上 旦 2 可变极限流量法 是设置极限流量跟随着转速而变的一种 防 喘振控制 ， 见图 3 。 2 ． 2 喘振主动控制技术 它直接抑制诱 发喘振的气流不稳定 过程 ， 改善 压缩机 系统 的性 能 ，阻止喘振 的发生 ， 见 图 4 。 图 4 压缩机主动控制和被动控制的区别 主动控制模式都 采用 P I D模型 ，使用的执 行机构较多 ， 如返回阀 、 放气阀 、 节流阀 、 注气 和 可变导叶， 对电机驱动式压缩机采用驱动机本身 作为喘振控制器等[5 - 6 ] 。 图 5是 一压缩 机 系统 ，其 中紧连 控制 阀 C C V 的配装 紧接 压缩机 出 口， 一般认 为它是 最有前景的主动控制阀。 压缩机正常运行点在特性线的右支 ，斜率 为负 。 而当运行点处于喘振线以左时 ， C C V阀的 压降通过主动控制使压缩机包括阀在内的特性 曲线斜率均改为负 ， 使运行变得稳定f -／ ] 。 ’ -- 5 4 - - 图 5 压缩机系统的主动控制 2 _ 3 防喘振控制要点 气体失速能很快 的引发喘振 。通常人为地 在喘振线右侧设定一条控制线 ，与喘振线相距 一 定 的流量量程值 。 回流阀和控制器的性能数据 ，对喘振极 限 范围 内压缩机 的整个动态行为有很大 的影 响。 另外选择和执行 的控制规则在可达到的控制质 量上有一个决定性的影响。 进 口温度和气体成分 的波动 ，对喘振极 限 线的位置有很大的影响 】 。 3 离心压缩机防喘振控制系统举例 该系统运用数字直接防喘控制系统较好地 考虑了压缩机运行 中可能发生的因素 ，在离心 压缩机综合控制 系统中 ，利用解耦技术很好地 处理了防喘振控制 与性能控制或多个防喘振回 路之间的协调关系。 3 ． 1 控制系统的基本要求 1 提供的机组控制系统应为技术成熟、 高 可靠性能的硬件 、 最新版本的软件 。 2 控制器、 I ／ O模块 、 所有电源设备和网络 通讯设备， 采用必须双重或三重化冗余、 容错技 术 ， 确保系统的安全 、 可靠 。 3 除实现机组的所有检测 、 控制和自动安 全连锁保护外 ，还应能实现机组特殊的控制要 求 如防喘振和调速控制等 。 4 机组必须实现有效的防喘振控制， 所配 套的仪表包括调节阀等 ，应全部满足防喘振控 制 的要求 。 5 控制系统应能与其它系统进行通讯 ， 并 以从站方式与 D C S进行通讯。同步时钟 由 D C S 发出， C C S 应具有接受外部同步时钟信号的功 能配置。 6 控制站 控制站的硬件和软件应具有高可靠性和容 错性。控制站应具备顺序控制、 批量控制、 一般 连续控制及顺序事件记录的功能。信号从输入 卡到控制器， 经程序处理到输出， 全过程时间应 小于 l O O m s 。用于调速 的控制回路 应满 足调速 控 制的需要。控制站配备压缩机控制与安全连 锁保护的软件。 7 I ／ O卡的配置 I ／ O卡应具 备识别 现场接线断路 或短路并 发 出报警的功能。 8 操作站 1 套工程师站 带 S O E功能 安装于 中心控 制室的工程师室内，通过冗余的通讯方式连接 在 网络上 ， 用于控 制器 的组 态 、 除错 、 修改 、 测 试、 软件装载及维护等。 工程师站应具备打印组 态数据 和图形 的能力 。 工 程师站应具 有兼任 顺序事件记录 S O E 站的功能， 应配备整套顺 序事件记录的软件 。 9 机组控制系统 的对外接 口 机组控制系统 C C S 与装置 D C S间的通讯 协议为 M o d b u s R S 4 8 5 ， 冗余的通讯接口。 机 组控制 系统 C C S 与 B e n t l y 3 5 0 0间的通 讯协议 为 Mo d b u s R S 4 8 5 ， 冗余 的通讯接 口。 3 ． 2 控制系统的技术规格 1 机 组控制 系统 C C S 必须具 有完备 的 冗余 、 容错技术。 所有设备和部件必须为 2 o o 3 方式的三重冗 余 、 容错结构或 2 o o 2 D方式的冗余 、 容错结构 。 2 机组控制系统的可靠性和可用性 。 提 供 所 有 设 备 最 小 的 平 均 无 故 障 时 间 MT B F 和平均故障修复时间 MT r R 。 3 机组系统的可用率应不低于 9 9 ． 9 9 ％。 系统的设计应是故障安全型的 ，系统内发 生故障时， 应能按照故障安全的方式停机。 4 系统必须具有 完善 的硬件 、软件故 障 诊断及 自诊断功能 ，自动记录故障报警并能提 示维护人员进行维护 。诊 断测试应能在 系统运 行时始终周期地进行 ， 一旦检测 出故障 ， 即产生 报警及显示。 5 冗余设备必须能在线 自诊 断 ，排错报 警 ， 无差错切换 。 6 系统的各种插 卡应能在线插拔 、 更换 。 I ／ O卡应能带电插拔 、 更换而不影响外部接线或 引起系统停机。 7 机组控制系统的冗余原则 机组 系统应具有完 善的冗余和容错技术 。 包括设备冗余和工作冗余。 各级网络通讯设备、 部件和总线必须双重或三重化冗余。控制站处 理器等功能卡必须双重或三重化冗余。所有电’ 源设备和部件必须双重或三重化冗余。对冗余 的设备 ， 应能在线诊断 、 报警 、 自动切换及维 修 提示 8 机组控制系统各级负荷 控制站 C P U的负荷不应高于 5 0 ％；当控制 站满负荷时， 系统的电源、 软件的负荷不应高于 5 0 ％； 各级通讯负荷不应高于 5 0 ％； 其 它各种 负 载应具有至少 4 0 ％以上 的工作裕量 ； I ／ O卡件插 槽要求预留 1 5 ％的余量。 3 ． 3 系统 的功能 1 数据采集及处理 需 采集的数据 压缩 机转速 、 压力 、 温度并 可输出到处理软件。 在整个运行过程 中， 计算机 系统应对压缩机的气、 油、 水路三大系统的主要 性能参数 、关键运行参数 和压缩机的轴 向位移 进行连续 、 循环监测 。 2 性能参数的 自动调节 压缩机排气量 调节 进 出口温度 、 压力的 自 动调节； 油路 、 水路系统运行参数的 自动调节等。 3 测控系统 测控 系统根据编制的工艺流程和规定 的操 作程序 ，对机器设备执行一定 的顺序控制或程 序控制 ， 如实现压缩机的程序启动与停车 、 自动 卸载以及通过与机组性能模拟参数的比较， 不 断调整工况参数， 使机组运行在最佳工况点等。 4 故障报警和故障分析系统 当压缩机 出现欠压 、 短路 、 电动机过 载 、 油 位偏低 、 油压不足、 冷却水量不足 、 排气温度过 高、 排气压力过高等情况时， 监控系统能进行声 光报警，同时运用屏幕显示或打印机打印进行 故障记忆 。 5 紧急停车系统 E S D 当压缩机或者 汽轮机出现紧急情况时 ， 如 温度 、 转速过高及油压过低等 ， 系统应紧急停汽 轮机 。 6 性能参数的屏幕显示 显示内容 压力参数、 温度参数 、 控制参数、 压力变化趋势 、 温度变化趋势、 控制参数、 变化 趋势及流程 图等。 3 ． 4系统的硬件结构设计 该控制系统 由硬件设备 T S 3 0 0 0控制器 、 3 5 0 0 测振系统、 以太网通讯链路 、 操作站和工程 师站组成 。 3 ． 4 ． 1 系统结构 按行业 习惯把 P L C控制器称为下位机 ， 操 作站 、 工程师站称为上位机 ， 它们之 间通过 以太 一 55 a o o o鉴 a整n 让 篡 用 第 I 型 网线连接起来 ，通讯使用 T C P ／ I P和 D D E协议 ， 双网冗余。下位机的就地和远程机架用光纤连 接。 机组控制系统设置一台工程师站 ， 通过冗余 的通讯方式连接在控制器 的通讯接 口上 ，用于 控制器的组态 、 除错 、 修改 、 测试 、 软件装载及维 护。 工程师站具备打印组态数据和图形功能 、 顺 序事件记录 S O E 功 能 ， 配置整套顺 序事件记 录软件。 工程师站的 P C机的规格与操作站 的相 同 ， 并配备软 盘驱动器 、 光 盘驱动器 ， 并留有人 机接口 H M I 。两台操作站， 用于操作员操作。 一 台数字报警灯屏 具备操作站功能 用于安装 按钮 、 开关 、 指示灯等 。控制器与操作站通过冗 余的光纤连接。 3 ． 4 ． 2 系统的通讯网络 除用 以太 网通讯 外 ，还有 几个 部分 通过 MO D B U S 协议进行通讯。T S 3 0 0 0系统可 以通过 配置 T C M通讯卡 的 4个 串 口与 3 5 0 0测振 系统 和 D C S进行通讯 。这些端 口在系统做从站时可 以选择使用 A S C I I 或 R T U MO D B U S传输协议 ， 支持 R S 一 2 3 2或 R S 一 4 8 5通讯。MO D B U S是一种 主从协议 ，规定 了网络主从设备通讯的建立和 断开 ， 信息交换 ， 错误检测等。本系统考虑到传 输距离 ，都采用 R S 一 4 8 5通讯模式 。控制器 与 3 5 0 0系统之间通讯时 ，控制器做主站 ， 3 5 0 0系 统做从站 ， 3 5 0 0被设定为一个从设备 ， 只能响应 主设备的传输请求。 通过简单的通讯连接， 3 5 0 0 能够直接把压缩机轴振动、位移等参数传输到 控制器 中。与 D C S系统通讯时 ， D C S系统做主 站 ， 1 5 3 0 0 0系统做从站 ， 选用 R T U协议 ， 控制器 把压缩机各参数传送 到 D C S系统上显示。 3 ． 5 下位机软件设计 3 ． 5 ． 1 T r i S t a t i o n 1 1 3 1 介绍 系统下位机编程使用 T R I C O N E X公司的 T r iS ta t i0 n 1 1 3 1 软件， 主要提供以下功能 1 工程项 目的管理 。包括新建 、删除项 目， 访 问程序 的权限设定 、 等级划分 ， 软件包 的 导入导出等。 2 应 用 程 序 的 开 发 。 提 供 符 合 I E C 6 1 1 3 1 3国际标准的 3种语言 ，功能流程块 图 F B D 、 梯形图 L D 、 结构化文本 s T 。 3 控制器组态 。可以对各硬件卡件进行 组态 、 下装 。 4 通讯。对各通讯参数进行设置 ， 使控制 一 56 一 器与工控机 ， 控制器与 D C S ， 与其它设备之间可 以方便地传递数据 。 5 模拟仿真。可以脱离控制器独立模拟 仿真 。 3 ． 5 ． 2 系统功能模块设计 1 装置 E S D 包括机组 的启车停车 、 报警 连锁 、 报警记录 、 油泵的控制 。此模块按照机组 的不同做 了划分， 一个机组 占一个程序块 。 2 调速模块 由于汽轮机启动涉及 到升速 的问题 ， 本系统用软件实现 了汽轮机调速 。 3 防喘振模块 离心压缩机的防喘振控 制， 压缩机控制系统的核心模块。 4 S O E模块 能够将装置发生的各种事件 按时间顺序记录下来 ， 精确到毫秒级 。 每个模块中又分若干页。 模块 中按照页号的顺序依次执行程序。主 程序中各模块的执行顺序按照图 6中程序执行 顺序表所示从上到下依次执行 。 图 6 执行顺序 表 3 ． 6 系统安全设计 系统的安全设计主要体现在系统部分功能 的设计上 ， 下位机分 3个安全等级 。 1 操作员 只能对下位机的逻辑进行在线 监测。 2 调试工程师 可以对系统 内部点进行强 制 ， 对程序进行部分下装 ， 不能 中止系统运行 。 3 系统工程师 具有最高权限 ， 可以对程 序进行全部下装 ， 可 以停止控制器 。 上位机也分 3 个安全等级。 1 操作员 对系统进行最基本的操作， 如 开关阀、 各种查询 、 监控。 2 装置工程师 可以进行连锁切除。 3 仪表工程师 可以修改报警 、连锁参 数 、 P I D参数等。 下转第 5 9页 腐蚀性的雾沫和附着性很高的粉尘。在确保机 械设备气密性的同时 ， 采取 防腐 、 防粉尘附着对 策也是非常重要的 。 4 今后的课题 4 ． 1 T R T发电设备的高功率化 对于 T R T发电设备高功率化 ，现在 占 T R T 发电设备主流 的湿式 T R T发 电系统 ，目前 已由 离心透平 向轴流透平转化 ；由高炉尾气 的部分 回收系统 向全量 回收系统 的系统改 良；控制方 式由调速阀控制改为静叶可调机构控制等。 通过 这些改善措施 ， 产品已基本达到了成熟的阶段 。 干式 T R T发 电系统被 看作是 T R T发 电设 备高功率化的本命 最优先候选系统 ， 从湿式 发电系统的开发经历数年 已迈 出了实用化的第 一 步。但是 ，因为受 T R T干式发电系统关键技 术的有关干式 除尘系统 的设置 、运用等各类技 术问题 炉况异常时的温度控制 、 气体温度降低 上接第 5 6页 3 ． 7 系统外部 I ／ O点数确定 所有机组 的 I ／ O模块在机架上 的布置在物 理 上独立 ， 但同类 型机组 间允许混用 ； 汽轮机 的 三取二超速保护在压缩机控制 系统中实现。根 据这些要求 ， 对系统外部需要的 I ／ O点数进行估 算 和确定 。 3 ． 8 上位机监控软件设计 上位机监 控系统采用 I N T O U C H组态 软件 开发 ， 实现功能结构见图 7 t n l 。 4 结 论 图7 软件功能结构图 机组的 自动控制是一个非常重要而且复杂 的研究领域 。为了保证压缩机能够在工艺所要 求的工况下安全运行，必须配备一系列自控系 统。 防喘振控制是一个重要的安全控制， 是使压 造成结露的防治对策、 防腐对策 、 除尘器的长寿 命化等 的阻碍， 产品在设备中的应用仍处于踏 步状态 。 今后 T R T发电设备的高功率化首先取决于 干式除尘系统运用的稳定化 一部分也涉及 到 高炉作业 自身的稳定性 。可 以说 ， 对于 T R T发 电系统的高功率化来讲，其最大的课题就是解 决有关干式除尘 系统的诸问题 。 4 ． 2 湿式 T R T发电系统的长期稳定运行 T R T发电设备进一步的高功率化，还有待 于干式 T R T发 电系统 的改 良及稳定化。但是 ， 随着时间的推移 ， 即便是湿式 T R T发电系统 ， 由 于粉尘附着而造成效率下降的问题应该说还没 有寻求到令人十分满意的对 策 ，还有改善 的余 地。因此， 作为防止粉尘附着的对策， 进一步改 进并努力降低经 时性的功率下降 ，确保设备的 长期稳定运行， 提高运转率， 是当前 T R T 发电设 备所 面临的课题。 缩机工作点始终处在限定的范 围内 ，不进入喘 振 区的重要保障 。本文的例证可以有效地改善 传统防喘振控制策略造成的能源浪费现象 ， 具 备良好的应用前景。 参 考 文 献 [ 1 ] P a u l C H a n l o n ． 压缩机手册[ M] ． 中国石化出版社， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 曹锋 ， 邢子文， 束鹏程． 压缩机性能测试及控制系统[ J ] ． 流 体机械， 1 9 9 8 4 2 8 3 O ， 5 0 ． [ 3 ] 黄钟岳 ， 王晓放． 透平式压缩机[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 项春， 杨为， 谢丽娟． 离心式压缩机旋转失速的故障机理研 究[ J ] ． 振动 、 测试与诊断 ， 2 0 0 2 ， 2 2 1 5 4 5 5 ． [ 5 j F ． Wi l l e m s a n d B ． d e J a g e r ．M o d e l i n g a n d c o n t r o l o f r o t a t i n g s t a l l and s u r g e A n o v e r v i e w [ J ] ． I n P r o e ． 1 9 9 8 I E E E I n t ． C o n f ． Co n t rol Ap p l i c a t i o n s， I t a l y， 1 9 98 3 31 - 33 5． [ 6 ] 何谦 ， 马志勇． 离心压缩机防喘振控制[ J ] ． 泸天化科技 ， 2 0 o 5 1 l 8 2 4 ． [ 7 ] C h o w R c ， R M c m o r d ie r ， Wi e g and ． P e r f o r m a n c e M a i n t e n anc e o f Ce n tr i f u g a l Co mp r e s s o r s T h r o u g h t h e Us e o f Co a t i n g s t o R e d u c e H y d r o c a r b o n F o u l i n g [ J J ， 1 9 9 4 ． [ 8 ] 戴金龙璃 心式压缩机的调节控制系统[ J ] ． 风机技术， 2 0 0 2 6 3 6 3 9 ． [ 9 ] 王志标， 张早校， 胡海军， 等． 叶轮压缩机的喘振的机理和防 喘振策略研究[ J ] ， 化工 自 动化仪表， 2 0 0 3 ， 3 0 2 1 0 1 3 [ 1 O ] 魏龙 ， 袁强． 离心压缩机的喘振及控制[ J ] ． 风机技术 ， 2 0 0 4 1 4 3 4 7 ． [ 1 1 ] 马国华． 监控组态软件及其应用[ M] ．北京 清华大学出版 社 ． 2 0 0 1 ． 一 59