基于“三線法”防喘控制的空壓機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)
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趙成文
（山東鋼鐵萊蕪分公司自動化部，山東 萊蕪 271104）
摘要：以空壓機(jī)喘振保護(hù)為研究目的，通過介紹“三線法”防喘控制的實施方式，詳細(xì)描述了如何通過DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)對空壓機(jī)的喘振保護(hù)。
關(guān)鍵詞：喘振；DCS;三線法；空壓機(jī)中圖分類號：TH45
1 喘振的危害
喘振是指介質(zhì)受到周期性吸入和排出的激勵作用而發(fā)生的機(jī)械振動，具有振幅大、頻率低的特性，是壓縮機(jī)的物理特性。喘振會破壞機(jī)器內(nèi)部介質(zhì)的流動規(guī)律性，引起工作部件的強(qiáng)烈振動，加速軸承和密封的損壞，甚至?xí)䦟θ~輪和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致維修費(fèi)用提高，影響機(jī)器的壽命。
為了保護(hù)機(jī)組和設(shè)備，保證氣體的及時供應(yīng)，采用“三線法”防喘策略可以有效地解決喘振的問題。
2“三線法”防喘控制方案
喘振線是根據(jù)喘振實驗得到的數(shù)據(jù)，通過7波段函數(shù)繪制出的特性曲線，反映了壓縮機(jī)的物理特性。如果只通過喘振線控制喘振很容易使工況到達(dá)喘振線附近，而整個機(jī)組的工況出現(xiàn)波動時很可能使工況點到達(dá)喘振線，來不及調(diào)節(jié)就會出現(xiàn)喘振，因此單純的喘振線控制不利于工況點的穩(wěn)定。
為了使空壓機(jī)的工況點遠(yuǎn)離喘振線，即使機(jī)組工況稍有波動時，也有足夠的安全裕量來調(diào)節(jié)，避免喘振的發(fā)生，因此采取“三線法”的控制思路。“三線法”控制是指采用喘振線、安全線和控制線預(yù)防喘振的模式。
喘振線(Surge Line)確定以后，通過向右平移5%的安全裕量DFSL(Safety Margin)得到安全線(SafetyLine)；在喘振線的基礎(chǔ)上向右平移10%的控制裕量DSL(Control Margin)得到控制線(Control Line)。
如果入口流量過程值P v達(dá)到喘振流量Q s g次數(shù)等于設(shè)定值，說明整個機(jī)組可能會有故障出現(xiàn)，影響了管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定，此時預(yù)先設(shè)定的控制線已經(jīng)不適用于當(dāng)前壓縮機(jī)所面對的空分機(jī)組要求。為了壓縮機(jī)的設(shè)備安全，需要有更加穩(wěn)妥的控制模式來保障壓縮機(jī)的運(yùn)行，避免發(fā)生喘振。本文通過采用控制線向右移位的方式來調(diào)節(jié)工況點，使工況點遠(yuǎn)離喘振線，以此留出足夠的安全裕量DSFL，如果控制線移位一次后工況點繼續(xù)向喘振線移動，并且P v值達(dá)到喘振流量Q s g一次，則控制線繼續(xù)向右第二次移位來調(diào)節(jié)工況，按照這種思路，控制線最多可以移位5次，每次右移的幅度為喘振線的1%，移位5次后，如果工況點還會碰到喘振線，則連鎖空壓機(jī)停車。圖1為防喘控制示意圖，其中的虛線表示控制線5次移位的情況。
3 防喘控制思路
由于喘振是由流量的流速變化引起的，因此它發(fā)生的速度非�？臁Ｄ壳斑�沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的儀器能衡量或者測量喘振，而壓縮過程中的各種參數(shù)變化成為一個可依賴的依據(jù)。因此，在控制系統(tǒng)中，必須把喘振的參數(shù)控制在喘振線以內(nèi)，其最有效的方式就是調(diào)節(jié)放空閥或者回流閥，即必須保證在2s以內(nèi)將兩個閥全部打開，有時候稍微開一點就可以使壓縮機(jī)恢復(fù)到正常的工作范圍，從而保護(hù)壓縮機(jī)遠(yuǎn)離不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
3.1 消除吸入溫度對喘振線的影響
為了消除吸人溫度對喘振線的影響，在此將吸入溫度作為其中的一個變量考慮。采用壓頭的計算函數(shù)可以把壓比和吸入溫度作為兩個變量來考慮，即：
采取壓頭的計算方式，避免了吸入溫度對喘振線造成的干擾，使得喘振線更加準(zhǔn)確。
3.2 閥門的步進(jìn)控制邏輯
當(dāng)工況點在安全區(qū)運(yùn)行時，閥門控制器PID比例系數(shù)為較小的值；當(dāng)工況點到達(dá)控制線左側(cè)時，將會通過動態(tài)的增益放大邏輯，使比例系數(shù)與控制器偏差成比例增加。
正常情況下，將入口流量過程值P V作為PID的輸入，PID的最終輸出值與斜坡控制的輸出（斜坡的速度為每秒1%）、最小保護(hù)的開度值及壓力調(diào)節(jié)器的輸出值進(jìn)行高選后來確認(rèn)放空閥的閥位。
如果工況波動較大，正常的調(diào)節(jié)無法穩(wěn)定工況時，則需要通過閥門的步進(jìn)邏輯來控制放空閥的開度，以實現(xiàn)對喘振的控制。如果空壓機(jī)的入口流量過程值PV降低到安全線(Safety Line)所對應(yīng)的安全流量Q s g時，閥門的步進(jìn)邏輯介入，通過動態(tài)增益放大邏輯，閥門控制器快速給定放空閥10%的開度；如果PV值下降速度過快，通過安全線(Safety Line)的步進(jìn)控制邏輯不能阻止流量的下降，那么，在人口流量降低到喘振線(Surge Line)所對應(yīng)的喘振流量Q s g時，則閥門控制器快速給定放空閥75%的開度，
根據(jù)對圖1的分析可以得出：
工況點在①時，為穩(wěn)定工況，此時工況運(yùn)行穩(wěn)定，放空閥處于全關(guān)狀態(tài),PV>Sp（其中Sp是設(shè)定點）。
工況點在②時，為臨界工況，工況在控制線上運(yùn)行，PV =Sp，此時流量控制器FIC打開放空閥并對控制器偏差進(jìn)行控制，并且啟動增益放大器邏輯，放大控制器開始動作。
工況點在③時，為步進(jìn)工況，工況在安全線上運(yùn)行，閥門步進(jìn)邏輯快速給定放空閥10%的開度。
工況點在④時，為喘振工況，工況在喘振線上運(yùn)行，閥門的步進(jìn)邏輯會快速給定放空閥75%的開度。
放空閥的最小保護(hù)開度如下：當(dāng)進(jìn)入冷箱的總閥門關(guān)閉時，給定放空閥75%的開度；當(dāng)增壓機(jī)1段卸載時，給定放空閥60%的開度；當(dāng)增壓機(jī)2段卸載時，給定放空閥45%的開度，后面的優(yōu)先級高于前面。放空閥開度的高、低限幅分別為95%和5%，并設(shè)有報警，放空閥控制的同時設(shè)有放空閥反饋故障報警。
因此DEV的值直觀地反映了工況點與控制線的關(guān)系，當(dāng)DEV>0，說明工況點處于安全區(qū)；當(dāng)DEV=0，說明工況點在控制線上；當(dāng)DEV<0，說明工況點越過控制線靠近喘振線。
4結(jié)束語
60 000m3／h制氧機(jī)組工藝復(fù)雜，控制連續(xù)�？諌簷C(jī)作為整個機(jī)組的龍頭設(shè)備，其重要性尤其突出�？諌簷C(jī)自投產(chǎn)以來，自控程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，通過先進(jìn)的防喘控制技術(shù)的應(yīng)用，減少了因喘振造成的停車故障，大大提高了空壓機(jī)的使用壽命。
