某項目中，冰機裝置制冷劑丙烯氣壓縮采用了二段離心式壓縮機。本文簡要介紹了該套壓縮機控制系統的控制方案及其特點。
1、壓縮機主要控制方案
該丙烯氣壓縮機為兩段離心式壓縮機組，主要控制方案如圖1所示。主要考慮了壓縮機的防喘振控制、壓縮機性能控制、性能-喘振解耦控制，以及壓縮機主電機限電流控制。
圖1 壓縮機控制方案示意
圖1中，ps壓縮機入口壓力；ps1為一段壓縮機出口壓力，同時也是二段壓縮機入口壓力；pD為壓縮機出口壓力； pT-4為入口緩沖罐壓力；II-1為壓縮機主電機電流。
1.1 壓縮機防喘振控制
喘振是離心式壓縮機的一種固有特性：在一定轉速下，當壓縮機的入口流量小于最小流量時，壓縮機排氣管的壓力比壓縮機內部的壓力高，導致氣體瞬時倒流，繼而使壓縮機排出側的氣體壓力降低，機組內部壓力升高，使氣體流量恢復，直到壓縮機出口壓力再次升高；之后重復上述過程，周而復始。盡管壓縮機喘振對下游生產以及壓縮機本身都有較大的破壞作用，但可以通過科學的防喘振控制技術，準確快速地預測喘振的發生，并提高壓縮機的工作效率。壓縮機防喘振控制原理如圖2所示，圖2中，橫坐標表征喘振流量，由壓縮機入口差壓法流量計測出的差壓值Δp，經過溫壓補償和運算后與 ps之比。喘振線為壓縮機廠家根據實驗得出，喘振點即根據出入口壓力比從曲線中得到的流量，工作點根據壓縮機出入口壓力比以及流量不同，位于不同的位置，當工作點向左側移動進入到喘振線左側時，喘振控制器將檢測為已發生喘振，喘振點和工作點之間的距離為喘振裕度。
圖2 壓縮機防喘振控制原理示意
防喘振控制就是為了確保在當前運行條件下保證壓縮機的吸入流量大于最小流量, 阻止喘振的發生。
該套壓縮機組的防喘振控制的控制功能包括：兩段壓縮機喘振PID控制，一段壓縮機喘振超馳控制，二段壓縮機補充流量超馳控制，喘振安全裕度校正，以及自動/部分手動/全手動控制。
1.1.1 喘振PID控制
兩段壓縮機的喘振PID控制類似，因此以分析一段壓縮機喘振PID控制為例。
喘振PID控制實際上就是喘振裕度的PID控制。喘振PID控制器的測量值(PV)為經過溫壓補償的入口體積流量，減去喘振點對應流量；喘振PID控制器的設定點(SV)并不是一個固定值，它被設定在防喘振控制線與設定點徘徊線之間，設定點徘徊線設定為控制線加20%，根據壓縮機工作點所在區域不同而變化。
壓縮機工作點根據所設定區域范圍不同，采取措施包括以下幾個方面：
1)當工作點在設定點徘徊線右側且與設定點距離超過一個預先設定值，設定為5%時，防喘振控制器的設定點被固定在設定點徘徊線上，此時防喘振控制器的輸出為零，關閉防喘振控制閥。
2)當工作點在控制線與設定點徘徊線之間時，防喘振控制器的設定點低于工作點并以預先設定值5%來跟蹤工作點。當工作點向左移動時，設定點并不是立即左移，而是按照程序給定的跟蹤速率(默認為1.0%/s)向左移動。如果工作點的移動速率大于設定點的下降速率且工作點到了設定點左側，盡管工作點還沒有到達控制線，但此時防喘振控制器也將產生輸出，打開防喘振閥，使壓縮機工作點向右移動以避免喘振；而當工作點右移到設定點右側時，防喘振控制器的輸出減小，防喘振控制閥關閉，防喘振控制器設定點則維持設定值5%跟蹤工作點。
3)當工作點移動到防喘振控制線左側時，防喘振控制器的設定點被固定在控制線上，工作點低于設定點，防喘振控制器增大輸出，打開防喘振控制閥以防止喘振發生。
1.1.2 一段喘振超馳控制
壓縮機超馳控制原理示意如圖3所示。當一段壓縮機工作點進入喘振超馳線左側時喘振超馳線設定為安全裕度70%處，壓縮機即將發生喘振，這時正常的PID控制無法提供足夠快的響應，超馳控制開始起作用。超馳控制實際上就是純比例控制，即當工作點在喘振超馳線上或右側時，比例控制器輸出為0，一段壓縮機防喘振閥按照1.1.1節描述的喘振PID控制方案控制；當工作點在喘振線上，比例控制器的輸出為100%；當工作點在超馳控制區域中某一點時，比例控制器的輸出正比于壓縮機工作點跨過喘振超馳線的距離。
圖3 壓縮機超馳控制原理示意
1.1.3 二段壓縮補充流量超馳控制
如圖1所示，二段壓縮防喘振控制時，如果二段壓縮機防喘振閥全開但二段壓縮機工作點仍然在喘振控制線左側，二段壓縮補充流量超馳控制器將打開一段壓縮機防喘振閥對二段壓縮機提供補充流量，使二段壓縮機工作點右移，避免喘振。
二段壓縮補充流量超馳控制就是二段防喘振PID控制器輸出的分程控制原理如圖4所示。分程點設在二段防喘振PID控制器輸出的80%處。當在分程點左邊時，如果二段壓縮機工作點持續左移，二段防喘振PID控制器通過打開二段防喘振控制閥進行二段壓縮機的防喘振PID控制；當二段PID控制器輸出達到分程點時，二段防喘振控制閥全開，此時如果二段壓縮機工作點仍然在喘振控制線左側，則二段PID控制器輸出繼續增加，開始打開一段防喘振控制閥，為二段壓縮機提供補充流量，阻止工作點繼續左移而發生喘振。
圖4 二段壓縮補充流量超馳控制原理示意
1.1.4 安全裕度校正
安全裕度初始設置為10%。當工作點向左移動進入喘振線左側時，喘振控制器將檢測為已發生喘振，此時需要增加安全裕度，盡早使防喘振控制發揮作用，避免壓縮機再次產生喘振。當系統檢測到第1次喘振，喘振控制線右移2%，安全裕度由原來的10%變成12%；以此類推，如果檢測到第5次喘振，控制線累計右移10%，安全裕度變為20%，如果該過程中沒有將喘振計數器復位，喘振累計達到5次后，壓縮機將聯鎖停機。聯鎖復位后，或者在喘振發生已經查明喘振原因后，必須將喘振計數器復位，使安全裕度重新回到初始值。
1.1.5 防喘振控制器控制模式
防喘振控制器可分為自動/部分手動/全手動控制模式。在自動模式下，二段防喘振控制閥接受的信號為二段防喘振PID控制器輸出經過補充流量超馳控制器分程后的輸出(輸入0-80%，輸出0-100%)；一段防喘振控制閥接受的信號為一段防喘振PID控制器輸出，一段喘振超馳控制器輸出，解耦控制器輸出和二段防喘振PID控制器輸出經過補充流量超馳控制器分程后輸出(輸入80%-100%，輸出0-100%)的高選。為防止壓縮機波動，當一段喘振超馳控制器的輸出高于一段喘振PID 控制器的輸出時，PID 控制器的輸出跟蹤比例控制器的輸出。全手動模式時，輸出選擇模塊選擇手動輸入值作為防喘振閥的開度；半手動模式時，輸出選擇模塊選擇自動控制輸出和手動輸入值的高值作為防喘振閥的開度。
2、壓縮機性能控制
冰機裝置是通過壓縮機壓縮制冷劑丙烯氣，控制冰機出口冷凍水溫度到設定值，供工藝裝置使用。因此，壓縮機性能控制實質上就是冰機出口冷凍水溫度控制。
壓縮機性能控制原理如圖1所示。冰機出口冷凍水溫度控制器TIC-4和壓縮機入口緩沖罐壓力控制器PIC-4構成了串級回路，溫度控制器的輸出作為壓力控制器的設定值，通過壓力控制器的輸出控制壓縮機入口節流閥的開度，從而實現壓縮機性能控制。
如果冰機出口冷凍水溫度比設定值高時， TIC-4降低PIC-4的設定值，PIC-4通過增加入口節流閥開度，降低入口緩沖罐壓力，從而降低冰機出口冷凍水溫度；如果冰機出口冷凍水溫度比設定值低時，TIC-4提高PIC-4的設定值， PIC-4通過降低入口節流閥開度，增加入口緩沖罐壓力，從而提高冰機出口冷凍水溫度。
2.1 壓縮機性能控制和喘振解耦控制
2.1.1 性能控制與防喘振控制的耦合關系
當壓縮機組的性能控制系統與防喘振控制系統獨立設置時，它們之間就存在耦合關系。
如上所述，壓縮機組的性能控制是通過冰機出口冷凍水溫度和入口罐壓力構成的串級控制實現的。壓縮機入口壓力的變化，通過壓縮機的氣體流量發生變化，也就使壓縮機的工作點在防喘振控制原理圖上的位置發生變化，壓縮機工作點的改變，通過防喘振控制器使防喘振控制閥的開度發生變化，防喘振控制閥的開度變化反過來又會導致壓縮機組的入口壓力發生變化。可見，離心壓縮機組的性能控制系統與防喘振控制系統之間相互影響，存在著很強的耦合關系。這會使壓縮機組的性能控制系統和防喘振控制系統都不能正常發揮作用，為此必須對壓縮機組進行解耦控制才能使壓縮機組正常、穩定地運行。
2.1.2 解耦控制
由上述可知，壓縮機耦合現象就是因為在調整冰機出口溫度以保證壓縮機性能的同時，又改變了防喘振閥的開度防止壓縮機喘振造成的。歸根到底，壓縮機組耦合是因為壓縮機組性能控制系統與防喘振控制系統獨立設置造成的，解除壓縮機組的耦合就是要將壓縮機的性能控制系統與防喘振控制系統整合為一個解耦控制系統，其目的是防止防喘振控制器的 PV 低于防喘振控制器的設定值，避免由防喘振控制器控制防喘振控制閥，而改由解耦控制系統控制防喘振控制閥，這樣就避免了性能控制與防喘振控制同時進行，達到解耦控制的目的。
解耦控制器即可以實現壓縮機的性能控制又可進行防喘振控制，并且使性能控制和防喘振控制不能同時進行。壓縮機解耦控制原理如圖5所示，解耦控制器實質就是動態分程控制。動態分程控制的主控變量為壓縮機入口罐壓力，利用壓縮機入口罐壓力控制器的輸出調整入口節流閥和防喘振閥開度，既使得壓縮機入口罐壓力既滿足性能控制要求，又避免了壓縮機產生喘振。將壓力控制器控制入口節流閥開度切換到控制防喘振控制閥開度的切換點稱為動態分程點(DBP)。當壓縮機正常運行時，動態分程點跟蹤壓力控制器輸出，并保持低于壓力控制器輸出一個給定的裕度，
圖5 壓縮機解耦控制原理示意
圖6 動態分程點位置移動示意
動態分程點根據不同區域所體現位置、措施包括以下幾方面：
1)如果壓縮機工作點在動態分程點快速線右側，設定動態分程點的下降速率較快，這是因為在這一工作區域，可以使入口節流閥開度降低較多而不使壓縮機喘振。
2)如果壓縮機工作點在分程點最大區域線右側且在分程點快速線左側時，設定動態分程點下降的移動速率較慢。這是由于這一區域與喘振控制線較近，在不發生喘振的前提下壓縮機入口節流閥開度下調余量較小，當壓縮機工作點以較快速率向左移動且低于動態分程點時，解耦控制系統停止繼續減小節流閥開度，而是通過開大防喘振控制閥開度來維持壓縮機入口罐壓力的穩定。
3)如果壓縮機工作點在最大區域線與最小區域線之間，則設定壓縮機動態分程點的位置不動，等待壓縮機的工作點進入到其他工作區域。
4)當壓縮機工作點在最小區域線的左側時，設定解耦控制系統的動態分程點以較慢速率上升，這是因為這一工作區域與喘振控制線非常接近，為使壓縮機不發生喘振，解耦控制系統增加壓縮機入口節流閥開度，從而提高進壓縮機的氣體流量，由于壓縮機入口節流閥開度增加，使壓縮機入口罐壓力下降，則解耦控制系統的壓縮機入口罐壓力控制器輸出下降，開大防喘振控制閥可使壓縮入口壓力提高，如此可使壓縮機的工作點向右遠離防喘振控制線。
將動態分程調節系統的分程點限定在壓力控制器輸出的50%-100%，當解耦控制系統壓力控制器的輸出在動態分程點時，解耦控制系統使防喘振閥全關(0)；當壓力控制器的輸出在動態分程點減去50%時，解耦控制系統使防喘振閥全開(100%)。
解耦控制系統的動作過程：當壓縮機的入口罐壓力降低時，壓力控制器的輸出降低，使壓縮機入口節流閥開度減小，以升高壓縮機的入口罐壓力，當入口節流閥開度減小到即將引起壓縮機喘振時，在利用防喘振控制器控制防喘振控制閥之前，解耦控制器就停止繼續減小節流閥開度，而是開啟防喘振控制閥來維持壓縮機入口罐壓力穩定，避免在調整壓縮機轉速的同時又調整防喘振控制閥，這樣就達到了使壓縮機既能滿足性能要求又使壓縮機不發生喘振的目的。
3、壓縮機主電機限電流控制
如圖1所示，壓縮機主電機限電流控制為標準PID控制，它通過調節入口節流閥開度防止壓縮機主電機過電流。壓縮機入口節流閥接受的信號為解耦控制器輸出和壓縮機主電機限電流控制器輸出的低選。
4、結束語
本文分析了某項目冰機裝置用離心壓縮機的主要控制方案。應用這些控制方案既滿足了壓縮機在各種工藝條件下的性能控制要求，又保證了壓縮機安全穩定的運行。
作者：李曉冬，郭建嶺(中國天辰工程有限公司)
