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PTA装置中压缩机组喘振控制的设计与实现

宋颖梅/沈阳鼓风机集团股份有限公司    

摘要:为确保压缩机在PTA装置中稳定可靠地运行,采用美国CCC公司世界最先进的压缩机控制系统和世界三大安全系统之一的德国HIMA系统的结合设计来实现防喘振控制;通过分析PTA装置中压缩机组防喘振控制的特点,对其算法进行消化,针对机组防喘振系统正常负荷下,利于防喘振阀的实时准确地动作,提出了解决方案。实践证明,控制效果良好,使机组效率最大化。
关键词:PTA;压缩机;PID控制算法;防喘振技术

中图分类号:TH452 文献标志码:B
Design and Realization of Compressor Surge Control in PTA Installation
Abstract: For the purpose of assuring the compressor can be operating reliably and stably in PTA installation, the most advanced compressor control system in the world in America CCC (compresor Controls Corporation) is adopted and combined with German HIMA system design which is one of three biggest safety systems in the world to realize anti-surge control. Based on analyzing the characteristics of compressor unit anti-surge control in PTA installation, the algorithm is understood in this paper. Aiming at the anti-surge valve can be operating in real-time and accurately, the solving project is pointed out under the normal load of unit anti-surge system. The practice proves that the control effect is good and makes the unit effiency maximum.
Key words: PTA; compressor; PID control algorithm; anti-surge technique
0 引言
  所谓PTA装置就是利用压缩机组向反应器提供大量的空气来作为氧气原料,使PX装置充分进行化学反应生成CTA产品,CTA进入下道工艺,与氢气进行充分燃烧最终生产成PTA产品,PTA化学全称为精对苯二甲酸,是合成纤维的主要原料。
  该机组需要维持工艺波动情况下压缩机出口压力的稳定,从而保证氧化反应的顺利进行。特别是反应器突然降负荷时,采用压力超驰和防喘振协调控制来防止压缩机喘振和出口压力大幅波动。蒸汽轮机通过主蒸汽阀调整进入汽轮机的蒸汽量来保证功率平衡,维持转速的稳定。
  空气压缩机采用蒸汽轮机和尾气膨胀机联合驱动,在设计条件下,实现由副产蒸汽和氧化尾气回收的能量满足压缩机的消耗,即能量平衡。
  整个化学反应流程对压缩机组的出口压力和风量的大小都有非常严格的要求,否则不能充分进行结晶和催化燃烧。而且压缩机转速恒定不变,同时需要控制压缩机组的喘振现象,需要专业操作员的实时监控,自动控制,可靠性高,便于维护。
  通常压缩机控制系统采用TS3000、GE、AB、西门子等PLC和上位机进行监控,针对PTA装置的复杂机组,根据实际情况和要求,采用了CCC控制器来实现对压缩机组的监测和控制,通过分析PTA装置中压缩机组防喘振控制的特点,对其算法进行消化补充;并且针对机组防喘振系统正常负荷下,利于防喘振阀的实时准确地动作,提出了解决方案;实践证明控制效果良好,有效地控制了压缩机的喘振现象。使机组效率最大化。
1 系统分析
  实现PTA生产过程中压缩机组的防喘振控制,首先要了解整套机组的工作性能。压缩机在工作运转过程中,当机组进口气体流量小于该工况下的最小流量限制时,机组将从工作区进入喘振区,这时机组连同其外围及相关变送器一起做周期性的大幅度的振动,工程上称为喘振。为确保压缩机稳定可靠地运行工作。工程上将压缩机出口气体的一部分抽出经过一个控制阀返回到压缩机进口处,控制该阀的开度就可改变实际进入压缩机的气量,不至于小于喘振流量。该阀又称“喘振阀”,见图1。

  1) 防喘振控制器通过打开回流阀来保护压缩机;
  2) 打开回流阀降低了压缩机系统阻力;
  3) 从而使压缩机远离喘振。
  防喘振技术是压缩机控制系统的关键技术之一。此技术所实现的是当压缩机组现行工作点越过喘振线,进入喘振区发生喘振,防喘振阀迅速打开、喘振消失后防喘振阀会慢慢关闭。机组安全可靠运行时,工况点在防喘振线右侧,见图2。

  典型的压缩机性能曲线图包括:(QsHp),(QsRc)或(Qspd)坐标系统。
  其中:Qs为实际或标准体积流率的进口流量;Hp为多变压头;Rc为压缩比 (pd/ps);pd为压缩机出口压头;ps为压缩机进口压头;ks为等熵压缩指数。
  根据生产工艺过程的需要,压缩机防喘振控制调节可分为两类:1) 等压力调节,即机组流量发生变化时,要保持其排气压力稳定,即pOUT=Const为机组运行的工况线;2) 等流量调节,即当压比发生变化时,要保持其进口流量的稳定,即Q=Const为机组运行的工况线。
2 系统软件、硬件分析
  考虑机组工作的重要性,采用1) CCC S5VANG-D10-02冗余系统;2) HIMA H51-HRS系统;3) 应用CCC TrainTools编程软件; HIMA ELOPⅡ编程软件;CCC TrainView监控软件等等。
  控制器完成的主要任务是:
  1) 一个能够准确定义操作点及其相应的喘振极限的算法;
  2) 能够允许数字控制器进行快速及时的模拟控制的控制器执行速率;
  3) 控制响应能够针对不同的操作工况使用不同的安全裕度;
  4) 先进的控制方案能够防止回路间相互作用所产生的负面影响。
3 系统算法分析及软件实现
  防止喘振的唯一方法是增加回流或放空量,使操作点维持在远离喘振极限的操作范围内。但压缩额外流量会带来经济上的损失,所以控制系统必须精确确定压缩机运行点与喘振线之间的距离,从而维持一个充足但并不过度的回流量。CCC通过使用独特的喘振预测和防喘振控制算法的组合控制,在需要回流时能通过尽可能小的回流来保护压缩机组。
  喘振极限相对于任何一个可测量的变量来说并不是固定的。相反,它是一个基于气体组成、压力、转速及导叶角度的复杂函数。所以CCC防喘振控制程序是通过一个与可能出现的任何过程变化均无关的多变量函数计算出喘振接近变量。以为这个函数是基于那些不变的工况以及压缩机配置,因此,CCC提供了一个定义此函数的灵活的方案。防喘振控制还能提供高限或低限回路。可以最多将3个单输入或多输入过程限制变量维持在一定范围内。
3.1 防喘振控制的算法
  喘振线上的各点可用至原点的斜率来表示,采用实测方式得到。见图2防喘振控制示意图。
  1) 喘振参数可以被定义为

  2) 喘振线各点即可用函数f1hr)对应的值 qr2 计算;
  3) 引入参数DEV(偏差值):DEV=d-喘振控制裕量。
  4) 参数DEV与压缩机的尺寸无关, 但对每个压缩机描述的都是相同的。
3.2 喘振线的动态分析
  3.2.1 对于分子量变化气体的压缩机防喘振保护
  在多种坐标系中,一个压缩机的喘振极限将按气体分子量的变化而变化,所以,如果气体分子量可发生变化,趋进喘振的计算必须按一种坐标系,此坐标系尽可能地对这种变化无关。这可以通过选用一个坐标系,并不需要分子量参与计算或分子量能在计算中消除得以实现。
3.2.2 气体特性及工艺条件
  趋近喘振的计算是一个多种可测量工艺变量的函数,同时也与气体特性有关,而这些特性很少能实时地测出,这些工艺变量和特性包括:
  孔板两端的压降Δpo
  多变效率Ηp
  功率消耗J
  等熵线指数K
  气体分子量M
  转速N
  绝对压力p
  气体常数R
  绝对温度T
  压缩因子Z
  非相关坐标系统将相关变量通过单位分析约简为数个坐标系,使其能够描述流体状态的一组无量纲参数。对任何系统来说,通常可得到多于一组的公式。采用这种方式,以下导出的无量纲参数可以用于描述一个涡轮压缩机。见图3无量纲参数喘振图。

  一些非相关的坐标组在防喘振控制中将比其它的更有实际用途,这是由于动态系统中的参数较为容易测量。
  除Ne以外,气体分子量的改变所影响的变量只与k的变化有关,而在绝大多数情况下这一变化甚小,可以忽略不计,正如防喘振控制中的参数一文中所介绍的,简化的流量。
  可用在进口或出口测得的流量和压力独立计算得出。在实际应用中,最为有用的用于计算喘振趋近量非相关坐标系。对于多个转子组成的机组来说,一个单一的非相关的喘振趋近量只在没有旁路进口时才能被计算出,在有旁路进口时,每一压缩段应被本压缩段的有其特定算法的控制器所保护。
3.2.3 带有旁路进口的压缩机
  对于一台多段压缩机,而只有旁路的进口或出口的流量是通常被测量的,要计算简化流量,相应总流量除第一和最后一段的流量外其测量值必须从可取得的值计算得出。这些计算可由相应压缩段的质量平衡推导出来。
  当一个旁路是流出压缩机时,三个流道中温度、压力的成分都是相同的(并不一定是常数)m.p.t.e在公式中互相消去,因为可以计算并将各气体分组分相同的质量流量相加,一个由两部分组合而成的非相关的喘振趋近计算为

  采用简化功率的坐标系并不适用于多段压缩的机组,因为到目前为止,尚没有一种实际可行的方式来测定驱动每一段所需的功率。
  当工艺条件减少总流量到低于最小喘振极限时机组就会严重损坏,所以机组至少需要两个控制回路:一个防喘振回路放置发生喘振,一个性能回路调节压缩能力等。
  这些回路中大部分必须对其控制输出进行解耦,以防止控制输出使其它控制回路品质下降。例如,改变回流流量将会影响新的流量以及出口压力和进口压力,从而降低性能控制回路的精度。CCC控制程序内置解耦算法,此算法在任何时候控制输出改变时,通过调整每一个受影响控制元件来抵消这种控制回路间的相互影响,从而使这些回路能够提供更加可靠的喘振保护及更加精确的性能控制。
3.3 满足工艺要求防喘振阀准确动作的措施
  该工艺要求压缩机的出口压力和出口流量非常严谨,在整套机组运行中的防喘振系统正常负荷下出口压力经常会大于给定值,此时防喘振阀一直处于关闭状态,不能满足工艺要求,为克服这一现象,在程序中采用几种策略。
3.3.1 性能控制策略
  性能控制器除了与那些设定的防喘振和性能控制回路的输出进行解耦,以及开车和停车过程中协调动作外,它的压力超驰控制响应能够通过快速打开回流阀来抵消性能控制扰动,尽量减小与设定点之间的偏差。一个控制压缩出口压力的性能控制回路能够通过间接打开放空阀来减少严重的超压。提高了工艺过程和压缩机的可靠度和可用性。
3.3.2 解耦控制策略
  解耦控制功能,防止用于控制回路之间反向互动而带来的工艺过程的中断。
3.3.3 退守控制策略
  此功能保证了即使在变送器失效的情况下也能实现对过程的连续控制。
3.4 参数的设定
  控制算法的控制品质好坏,除了控制规律的选择外在很大程度上取决于控制参数的设定,它直接影响到整个系统的性能。只有针对现场的调节对象全面了解、实践以后,才能准确地进行参数的设定。本系统由于对压缩机出、进口参数要求非常严格,要求防喘振阀要及时准确地保护机组,防喘振的控制裕度及阶跃响应速率等都要经过实时调试,最终确定。
  此参数的设定能进一步优化机组级间动态防喘振技术。保证机组在最佳的操作范围内安全高效的工作,优化全机组的能源利用。
3.5 系统软件的实现
  利用CCC控制系统简捷的组态功能,灵活自如地改变组态的进程。程序采用了OPC,S5 Configeration等功能,其中防喘振控制采用了LIMIT POC超弛功能,Autosequence等设定功能,完成机组的启动并网,停止等过程,见图4。

4 结论
  此控制系统已运行于江苏海伦化工有限公司,运行情况良好,系统稳定,操作方便简捷,工作可靠,而且维护方便,人工劳动量大大减轻,成本明显降低,取得了很好的经济效益和社会效益,特别适用于PTA这样大型机组的监测和控制。而且CCC系统控制功能强大,扩展灵活,具有很强的通讯功能,很方便的集散式控制系统管理,有很强的实用价值。

参 考 文 献

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  评论人:钢格板   打分:0 分  发表时间:2015-6-17 21:39:27
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  评论人:隐形窗纱   打分:0 分  发表时间:2015-6-14 22:55:37
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-6-2 2:54:48
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-21 22:00:37
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