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离心式压缩机的防喘振控制.pdf

离心式压缩机的防喘振控制.pdf

上传者: WANGZHH21 2018-02-01 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《离心式压缩机的防喘振控制pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含《自动化技术与应用》年第卷第期TechniquesofAutomationApplications|工业控制与应用IndustryControlan符等。

《自动化技术与应用》年第卷第期TechniquesofAutomationApplications|工业控制与应用IndustryControlandApplications离心式压缩机的防喘振控制宋海成(中国神华榆林化工分公司,陕西榆林)摘要:本文主要介绍了离心式压缩机的控制系统的现状,分析了离心压缩机喘振产生的原因,详细说明了喘振特征,影响喘振因素,喘振技术控制原理及喘振系统设计要求。关键词:离心压缩机喘振原因控制原理特征因素设计要求中图分类号:TP文献标识码:B文章编号:()AntiSurgeControlofCentrifugalCompressorSONGHaicheng(ChinaShenhuaCoaltoLiquidChemical,YulinBranchCo,Ltd,YulinChina)Abstract:Thispapermainlyintroducesthecurrentsituationofcontrolsystemofcentrifugalcompressor,analyzesthereasonsofcentrifugalcompressorsurge,describesthecharacteristicsofsurge,influencefactorsofsurgeindetail,surgecontroltheoryandthesurgecontrolsystemdesignrequirementsKeywords:centrifugalcompressorssurgereasoncontroltheoryfeaturefactordesignrequirements引言离心式压缩机控制系统,从年代的晶体管电路组成的电子调速器到年代的压缩机防喘振控制系统。离心压缩机是工业生产中的关键设备,它具有排气压力高,输送流量小的优点。但离心压缩机也存在一些缺陷,如稳定工作区域窄,容易发生喘振等。喘振对压缩机的危害极大,为了保证压缩机的正常运行,必须配备控制系统来防止喘振的发生。随着计算机控制技术的发展,防喘振的控制手段和控制品质都得到了提高,但是始终存在两方面的问题需要解决。其一,经济性问题,防喘振控制导致大量气体回流,造成能量浪费。其二,防喘振控制品质问题,有些控制系统控制回路单一,没有考虑可能发生的其他因素,导致控制质量不好,不能最有效、及时地防喘振。离心式压缩机控制系统的现状离心压缩机的基本控制要求是在压缩机安全平稳运行的情况下,充分利用压缩机的工作区域,在工艺要求收稿日期:的压力和流量范围内,工况稳定可靠,操作方便,自动化程度高。控制系统尽可能地将压缩机系统的工作状态实时展现在操作人员面前,便于操作人员了解,并对运行数据进行存贮,以备查询和分析。当由于某些原因导致压缩机即将出现不稳定时,控制系统应该能及时预测到不稳定性的发生,通知操作人员,并针对不同情形,自动采取措施,做出及时有力的动作,确保压缩机回到正常的工作轨道上来。因此,如何设计离心压缩机控制系统是一个非常重要的问题,从以下三方面来阐述离心压缩机控制系统的设计现状:、控制系统硬件平台的选择。目前国内仍有很多企业的压缩机控制系统以经典控制理论为基础,采用模拟调节器,对其运行中的有关参数如排气量、排气压力,分别作必要的调节,构成单回路的并联控制系统,控制件也多为机械式的双位或比例调节器以及一些保护继电器。这种控制系统模式虽然能对参数进行一定的调节,以保证装置正常安全运行,实现必要的工艺要求,但调节器难以适应大的负荷变化和工况变化,更顾及不到机组总体最佳的节能运行。随着计算机技术的迅猛发展,有可能利用微信号处理机或计算机来完成更高的控制要《自动化技术与应用》年第卷第期|TechniquesofAutomationApplications工业控制与应用IndustryControlandApplications求,在许多情况下可以利用可编程控制器PLC来实现。、控制系统软件开发平台的选择。很多国外进口的压缩机组,供货商都会一并提供配套的控制系统,针对性比较强,控制效果比较理想。也可以购买第三方厂家的通用工控组态软件来直接进行上位机监控系统的开发,这样可以缩短开发周期,但无疑增加了成本。还可以选择自行设计开发专用于离心压缩机组控制的软件平台,这需要开发人员对压缩机组的特性有比较好的了解,需要较长的开发时间,但是适当降低了成本。、控制策略的选择。这是压缩机控制系统设计中最重要的问题。在防喘振数字直接控制中,最基本的方法仍然是采用最小流量控制,但是可以针对不同的情形采用不同的对策。近年来发展起来的模糊控制、鲁棒和神经网络控制技术,为压缩机的智能控制奠定了基。离心压缩机组工艺流程回路复杂,需要监控的参数众多,涉及到水路、油路、气路的压力、温度和流量控制,以及机组的防喘振控制,机组振动和温度监控,对汽轮机驱动的压缩机机组来说,更是集汽轮机控制、压缩机性能控制和防喘振控制系统等多个系统于一体,显然,传统的控制方法难以满足上述控制要求,因此采用先进PDI控制技术是离心压缩机控制的必然选择。离心式压缩机喘振的原因及特征离心式压缩机产生喘振的原因图离心式压缩机的特性曲线首先得从对象特性上找,离心式压缩机的压缩比PP与流量Q的曲线大体如图所示。各种转速下的曲线都有一个PP值的最高点。在此点右侧的曲线上工作,压缩机是稳定的。在曲线左面低流量范围内,由于气体的可压缩性产生了一个不稳定状态。当流量逐渐减小到喘振线以下时,一旦压缩比下降,使流量进一步减小,由于输出管线中的气体压力高于压缩机出口压力,被压缩了的气体很快倒流入压缩机,待管线中压力下降后,气体流动方向又反过来,周而复始,产生喘振。喘振时机体发生振动,并波及到相邻管网,喘振强烈时,能使压缩机严重损坏。在不同的转速下,最高点的轨迹近似一条抛物线。压缩机的实际工作点还应留有一些余地,因此可写出防喘振保护曲线公式如下:PP=ab(QT)式中:Qmdashmdash入口流量Tmdashmdash入口温度如果PP小于ab(QT),工况是安全的,如果PP大于ab(QT),工况就危险了。a和b的数值由压缩机的制造部门提供,又可分a=(曲线通过PP=的一点),a(Q=时,PP),及a(Q=时,PP)三种情况。喘振是离心式压缩机所固有的特性,对每台离心式压缩机有它一定的区域。因此只能采取相应的防喘振控制方案以防止喘振发生。另一方面,喘振与管网特性有关,管网容量越大,喘振的振幅越大,频率越低,管网容量越小,喘振的振幅越小,频率越高。除了上面所讲的流量变小(即减负荷时),使离心式压缩机造成喘振原因外,被压缩气体吸入状态,如分子量、温度、压力等的变化,也是造成压缩机喘振的因素,它们的影响关系如图、所示。图分子量对特性曲线的影响此图表明,在相同的转速情况下,若被输送气体的分子量为对应于A点的流量为QA时,压缩机处于正常工作状态然而当分子量增至时,那时相应的《自动化技术与应用》年第卷第期TechniquesofAutomationApplications|工业控制与应用IndustryControlandApplications工作点已变为A,已进入不稳定区,于是压缩机出现喘振。由此可知,当被输送气体分子量增大时,则往往会引起喘振,这就是由于吸入状态参数的改变,使机器特性曲线变化了,所以离心压缩机使用时,规定了按照工艺要求的参数指标,例如分子量只允许在规定的~范围内波动。图气体温度对特性曲线的影响除气体分子量变化外,当压缩机的吸入气体温度发生变化时,其特性曲线也将改变,如图所示。这是压缩机在某一恒定转速情况下,因吸入气体温度变化时的一组特性曲线。曲线表明随着温度的下降,压缩机易进入喘振区。离心式压缩机喘振伴有以下特征()压缩机出口管道气流发生的噪音时高时低,产生周期性变化,当进入喘振工况点时,噪音还会剧增,甚至有暴音出现。()压缩机出口压力和进口流量均比正常工况变化很多,且发生周期性大幅度波动,严重时甚至可能出现气体从压缩机进口被倒推出来。()发生强烈振动,振幅会比正常工况增大许多,但振动频率比较低,一般在倍频、倍频以下,甚至在HZ左右有较多分量。压缩机是不允许在喘振条件下运行的,因为危害很大。它会损坏压缩机部件,破坏机器的安装质量,引起机器在以后运行中振动加剧,使一些仪表失灵或仪表准确性降低。影响喘振的因素实际运行中引起喘振的原因很多。除了内部流动情况因失速区的产生与发展结果引起喘振外,从外部条件来分析,即从压缩机与管网的联合运行来分析,管网流量、阻力的变化与压缩机工作不协调应是引起压缩机喘振的重要原因。影响离心压缩机喘振的因素不是单一的,往往是多种因素综合作用的结果,主要因素如下:()转速变化对喘振的影响离心式压缩机转速变化时,其性能曲线也将随之改变,当转速提高时,压缩机叶轮对气体所做的功将增大,在相同的容积流量下,气体的压力也增大,性能曲线上移。反之,转速降低则使性能曲线下移。对应不同转速,喘振流量也不同,当转速增大时,喘振流量也增大,即随着转速的增大,喘振线向大流量区移动,这一结论已被人们所公认。()进气状态对喘振的影响在石油化工生产中,在工艺条件波动的情况下,压缩机进气温度、压力、气体组分的变化都会引起压缩机性能曲线及喘振点的变化。压缩机提供给气体的能或压缩功可用如下公式来描述:式中,h为多变压缩能量头,m为多变指数,T为进气温度,P、P分别为进、排气压力,R为气体常数且R=M,M为气体分子量。同一台压缩机压缩同样容积流量的气体,压缩机给气体提供的能量h不变,多变指数m不变。那么,进气温度不增大、进气压力君降低,分子量M减小,都会引起排气压力几的降低,可定性地得出:进气温度不增大、进气压力只降低、分子量M减小都会使压缩机性能曲线下移。设压缩机入口流量计孔板差为h:,则入口容积流量为:式中,K为流量计流量系数,由孔板尺寸决定,rho为压缩机入口气体密度,rho=PRT。由此可知,在相同Hs下,进气压力P的降低,进气温度T的增大和气体分子量M的减小都会引起实际入口流量Qv的增大。所以实测的喘振流量Qmin将随着进气压力P的降低,进气温度T的增大或气体分子量M的减小而增大。()管网特性对喘振的影响离心式压缩机的工作点是压缩机性能曲线与管网特性曲线的交点,只要其中一条曲线发生变化,则工作点就会改变。管网阻力增大(例如压缩机出口阀关小),其《自动化技术与应用》年第卷第期|TechniquesofAutomationApplications工业控制与应用IndustryControlandApplications特性曲线将变陡峭,致使工作点向小流量方向移动,如图所示。当工作点由A移至Arsquo时便进入了喘振工况区。管网容量越大,喘振的振幅越高,频率越低,喘振越严重,破坏性越强。喘振的频率大致与管网容量的次方成反比。另外,管网的容量对压缩机的喘振流量也有影响,有些人对一台小型低压离心式压缩机的喘振试验表明:管网的容量对喘振点的影响很大,容量大时喘振点流量也增大,压缩机系统的稳定性变差。图压缩机性能曲线与管网特性曲线()结构参数对喘振的影响离心压缩机结构参数的变化直接影响其性能曲线,从而使喘振流量改变。喘振控制技术由于喘振的危害性,所以防止喘振和抑制喘振的发生,一直是长期研究的重要课题,有许多行之有效的方法。归纳起来分为两类:一是在压缩机本体设计时采取的,以扩大稳定工况范围为目的的二是针对压缩机运行条件即从压缩机与管网联合运行上采取的。第一种方法中,对于离心式压缩机在设计上采取的措施,一是在气动参数和结构参数的选择上,如采用后弯式叶轮,无叶扩压器,出口宽度变窄的无叶扩压器等。二是在设计时采用导叶可调机构。第二种方法是普遍采用防喘装置。一方面设法在管网流量减少过多时增加压缩机本身的流量,始终保持压缩机在大于喘振流量下运行另一方面就是控制压缩机的进出口压力,离心压缩机特性曲线表明,压缩机稳定运行范围的最小流量极限是喘振线,因此,为使压缩机稳定运行,当管网流量减少到这个限定时就有可能发生喘振,因而喘振控制的目的就是避免压缩机出现喘振。设定一条喘振控制线,通常将喘振线右移一流量,其目的就是当管网流量小于喘振控制线流量时,还保持压缩机运行点始终在稳定区域内,将多余的流量放空或回流,使压缩机稳定运行。早期的防喘振控制系统是模拟量控制系统,随着数字控制系统的发展,防喘振控制系统发展为微信号处理机或计算机控制系统和可编程控制器PLC控制系统。在一般情况下,负荷的减少是压缩机发生喘振的主要原因,因此,要确保压缩机不出现喘振,必须在任何转速下,通过压缩机的实际流量都不小于喘振流量,最基本的控制方法是最小流量限控制,根据不同的应用场合,这种方法又可以分为种:固定极限流量和可变极限流量。定极限流量法如图所示,让压缩机通过的流量总是大于某一定值流量,为保证在各种转速下压缩机均不会发生喘振,选取最大转速下的喘振极限流量值为的值Qp,当不能满足工艺负荷需要时,采取部分回流,从而防止进入喘振区。图定极限流量法固定极限流量防喘振控制具有实现简单、使用仪表少、可靠性高的优点。但当压缩机低速运行时,虽然压缩机并未进入喘振区,而吸气量也可能小于设置的固定极限,旁路阀打开,气体回流,造成能量的浪费。这种防喘振控制适用于固定转速的场合。变极限流量法可变极限流量是防喘振控制在整个压缩机负荷变化范围内,设置极限流量跟随着转速而变的一种防喘振控制,如图所示。实现可变极限防喘振,关键是确定压缩机的喘振极限方程。《自动化技术与应用》年第卷第期TechniquesofAutomationApplications|工业控制与应用IndustryControlandApplications图可变极限流量法离心式压缩机防喘振控制要点通过确保任何时候压缩机有足够小的容积流量能够预防喘振的发生。否则必须打开回流阀以补充这个流量差。防喘振保护控制也不能过早地动作,否则将引起能量的损耗。从控制工艺的观点来看,最令人感兴趣的方面是系统的动态性能。流体失速能很快的引发喘振。目前还没有在价格上可以接受的工业仪表来直接测量喘振,因此控制系统必须能识别喘振极限线有否被越过。为此,通常人为地在喘振线右侧设定一条控制线,其形状与喘振线一致,但与喘振线相距一的流量量程值。该距离越小,打开阀的机会就越小,能量损失越少,但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。该距离越大,打开阀的机会就越大,越能保证机组的安全,但能量损失越大。为了保证有效的防喘振还要非常重视回流阀的动态响应和回流回路的响应时间。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。当压缩机紧急停车时,一般要求回流阀从全关到全开的时间大约在S一S,高性能的阀门大约在S。只要很小的开度就足以保证压缩机恢复至稳定可靠的工作状态。从全开到全关,由于需要克服流体阻力约需S,不能太快,以求平稳。除设备相关的方面之外,选择和执行的这些控制规则在可达到的控制质量上有一个决定性的影响。入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。我们应该仔细斟酌这些极限值,虽然它们能够用一种可靠精确的方式来防止喘振的发生,但是同时不应该引起工作区域不必要的减少。必须确保影响极限值的不确定参数尽可能的少。而且,要求采用的算法合理的影响那些影响极限值的参数。防喘振控制系统设计要考虑的几个因素压缩机的类型按照压缩机能否调速,可分为恒速和可以调速两类。前者如果要实现防喘振控制,显然不考虑速度的变化,设计一个固定极限流量的防喘振系统方案较为简单。后者可以根据需要设计可变极限流量的防喘振控制系统。工况变化的工艺生产的要求如果压缩机的入口温度、压力以及负荷变化较大时,应结合工艺生产的要求是否要在喘振点附近操作、压缩机组规模的大小等因素综合考虑决定是否采取温度、压力补偿措施的防喘振控制系统。如果过程要求的控制精度较高时,防喘振控制系统相应也要复杂些。防喘振控制线的设置防喘振控制线的设置要合理。如果防喘振调节器能严格地控制在喘振线上开始工作,那当然是最经济的操作。但由于喘振线一般是抛物线,防喘振控制系统设计变得较为复杂,而且要求控制精度也很高。否则,由于控制系统的失误等,就会导致压缩机进入喘振区工作的危险。当然,防喘振调节器的工作点离喘振线右边越远越安全,但因为大量不必要的气体循环会增加不必要的动力消耗。考虑压缩机的安全、有效和经济操作,压缩机在低负荷下操作时,其气量应始终保持在喘振线右边并留有一定的安全余量。一般,控制线大约大于喘振线极限流量的~。因而,正确地设计一个防喘振控制系统必须首先正确地确定压缩机的喘振线。要使防喘振控制系统容易实现,喘振线最好能用直线拟合。如果喘振线是非线性的,应尽量作线性化处理。随所采用的喘振线不同,也就有多种防喘振的控制系统。防喘振调节器因为正常时调节器不工作,所以如果选用比例积分调节器时,必须考虑防积分饱和,这样才能使需要它工作时动作及时。结束语综上所述,包含了设备工艺的所有规则,控制器结构,考虑的关于压缩机特性,负载的过程特性以及压缩机装置设计的知识对于控制系统的质量来说是决定性《自动化技术与应用》年第卷第期|TechniquesofAutomationApplications工业控制与应用IndustryControlandApplications的,因此控制方案必须精心设计。早期的离心式压缩机配备的性能控制及防喘振控制系统都是比较简单的模拟量控系统,控制性能不好。防喘振控制系统通常采用单参数控制系统,防喘振回路由流量示控制器控制旁通阀,当管网流量小于或等于最低流量限时,开启旁通阀,使部分气回流到压缩机入口管线或者放空,增加通过压缩机的流量,防止喘振的发生。现在运用数字直接防喘控制系统,以取代先前的防喘振控制系统。其中包括多个控回路,较好的考虑了压缩机运行中可能发生的因素,从而提高了防喘振的安全可靠性。参考文献:历玉明化工仪表及自动化(第四版)M北京化学工业出版社王计栓,苑文改离心式压缩机喘振问题研究及解决方案J风机技术,,():梁志伟浅谈离心式压缩机喘振分析及解决措施J内蒙古石油化工,,():张成宝离心式压缩机的喘振分析的喘振分析与控制J压缩机技术,,():魏龙离心式压缩机的防喘振控制通用机械,,():钱枝茂离心压缩机喘振原因及对策J石油和化工设备,,():结束语针对蜂群算法前期收敛慢,后期探索能力差的问题,本文通过理论分析和仿真验证,采用调整引领蜂的比例和改变侦查蜂的生成方式,使算法能够尽快收敛,且在后期有较强的探索能力,有效避免早熟收敛。本文进行了仿真验证,结果表明此方法有较好的改进效果。参考文献:BBASTURK,DERVISKARABOGAAnArtificialBeeColony(ABC)AlgorithmforNumericfunctionOptimizationJIEEESwarmIntelligenceSymposiumIndianapolis,Indiana,USA():DKARABOGA,BBASTURKOnThePerformanceOfArtificialBeeColony(ABC)AlgorithmJAppliedSoftComputing,January,,():DKARABOGA,BAKAY,AComparativeStudyofArtificialBeeColonyAlgorithmJAppliedMathematicsandComputation,,():秦全德,程适,李丽,史玉回人工蜂群算法研究综述J智能系统学报,,():ZHU,G,KWONG,S,GbestguidedartificialbeecolonyalgorithmfornumericalfunctionoptimizationJ,AppliedMathematicsandComputati作者简介:胡欣(),男,助理工程师,在读硕士研究生,研究方向:控制系统建模与仿真。(上接第页)on,,():BAKAY,DKARABOGA,ParameterTuningfortheArtificialBeeColonyAlgorithmC,stInternationalConferenceonComputationalCollectiveIntelligenceSemanticWeb,SocialNetworksMultiagentSystemsC,,,Wrocław(Poland)DKARABOGA,BBASTURK,ApowerfulandEfficientAlgorithmforNumericalFunctionOptimization:ArtificialBeeColony(ABC)AlgorithmJ,JournalofGlobalOptimization,,Volume:,Issue():肖剑,周建中,张孝远等基于LevyABC优化SVM的水电机组故障诊断方法J振动、测试与诊断,,():易正俊,韩晓晶增强寻优能力的改进人工蜂群算法J数据采集与处理,,():李龙,蒋念平,王伟基于HCMAC与PID复合控制的倒立摆控制系统J信息技术,():作者简介:宋海成(-),男,学士,从事化工仪表维护管理工作。

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