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1、
壓縮機控制技術(shù)概述
概述
壓縮機是石油、化工、冶金等行業(yè)工藝中重要的設(shè)備,對機組運行的穩(wěn)定性,安全性,連續(xù)性要求比較高,這樣,就需要由高度可靠、高度集成、高度專業(yè)的控制系統(tǒng)作為達到以上要求的保證。
概括而言,壓縮機的控制系統(tǒng)主要分為以下幾個方面:
機組的聯(lián)鎖保護及邏輯功能(ESD)
過程調(diào)節(jié)功能
壓縮機的防喘振
汽輪機調(diào)速控制和超速保護
功能說明
一 機組的聯(lián)鎖保護及邏輯功能(ESD)
1. 報警聯(lián)鎖保護
控制系統(tǒng)
2、監(jiān)測壓縮機,汽輪機,油站等現(xiàn)場的溫度,壓力,振動,位移等信號,做出相應(yīng)的高低報警及聯(lián)鎖停機。
2. 啟停車邏輯
系統(tǒng)能實現(xiàn)機組的開機啟動順序控制,包括機組啟動前確認潤滑油溫度、潤滑油壓力、控制油壓力、透平入口的蒸汽壓力及溫度達到啟動值,防喘振閥全開位置,主氣門全開,盤車停止等條件,全部條件滿足后輸出啟動信號。正常停機的卸載控制。
3. 油站的油泵控制(A.O.P)
兩個油泵互為備用,控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)主備油泵的選擇,每個油泵可在手動自動方式切
換。如果潤滑油壓力或控制油壓力低,可自動啟動備用泵;如果潤滑油壓力開關(guān)動作,以三取二方式實現(xiàn)聯(lián)鎖停車邏輯。
4. 汽輪機的冷凝水泵控制(C.
3、E.P)
兩個冷凝水泵互為備用,控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)主備冷凝水泵的選擇,每個冷凝水泵可在手動自動方式切換。冷凝水泵主要是用于冷凝罐的排水泵,可根據(jù)液位設(shè)定值自動或手動啟動停止水泵,兩個水泵可同時或單獨工作。另外,系統(tǒng)還會做相應(yīng)的保護,比如,液位如果達到最大設(shè)定值,立即強制兩個水泵同時運行,如果達到液位最低設(shè)定值,立即強制兩個水泵同時停止,以保證冷凝罐內(nèi)的水位正常。
二 過程調(diào)節(jié)功能
汽輪機驅(qū)動的壓縮機控制回路主要有:
1. 油站的油壓調(diào)節(jié)
根據(jù)需要,有的油站設(shè)計有兩個油壓調(diào)節(jié)回路,分別在油泵出口和油過濾器出口,可以根據(jù)相應(yīng)管路的油壓要求調(diào)節(jié)閥門,保證油壓的穩(wěn)定。
2. 汽
4、輪機的冷凝水的排放閥和循環(huán)閥控制
根據(jù)汽輪機的冷凝水液位,調(diào)節(jié)排放閥和循環(huán)閥以控制冷凝罐內(nèi)的水位,冷凝水的排放閥和循環(huán)閥控制為分層調(diào)節(jié),分層點由現(xiàn)場的實際情況來定,可以由用戶在操作界面上設(shè)定分層點。
3. 壓縮機段間氣液分離器液位控制
根據(jù)氣液分離器液位調(diào)節(jié)出水閥控制液位。
三 壓縮機的防喘振
防喘振功能
喘振現(xiàn)象
喘振是渦輪機組特有的現(xiàn)象,我們可以從下圖的簡單模型來解釋這一特性,從圖中可以看出,當容器中壓力達到一定值時,壓縮機運行點由 D 沿性能曲線上升,到喘振點 A,流量減小壓力升高,這一過程中流量減小壓力升高,由A點開始到B點壓縮機出現(xiàn)負
5、流量即出現(xiàn)倒流,倒流到一定程度壓縮機出口壓力下降(B-C),又恢復(fù)到正向流動(C-D),這樣,氣流在壓縮機中來回流動就是喘振,伴隨喘振而來的是壓縮機振動劇烈上升,類似哮喘病人的巨大異常響聲等,如果不能有效控制會給壓縮機造成嚴重的損傷,喘振工況的發(fā)展非??焖? 一般來講在 1-2 秒內(nèi)就以發(fā)生,因而需要精確的控制算法和快速的控制算法才能實現(xiàn)有效的控制。
Qs, vol
Pd
壓縮機停車點,無壓力,無流量
A
B
C
D
動態(tài)防喘振技術(shù):
機組投入運行后,PLC系統(tǒng)將根據(jù)壓縮機入口流量、入口壓力、出口壓力及相應(yīng)的溫度,來判
6、斷是否發(fā)生喘振。如發(fā)生喘振,則由防喘振控制器的輸出值進行調(diào)節(jié)防喘振控制閥。
通用喘振線
喘振參數(shù)
壓縮機的喘振點可由壓比(Pd/Ps)及入口差壓計算的流量得出。入口流量的測量值與 Pd, Ps, Td,及Ts等可用來計算孔板值h(該孔板可視為位于壓縮機的入口),進而作出喘振預(yù)測。
防喘控制的 I/O要求
PT AI 入口/出口壓力
TT AI 入口/出口溫度
FT AI 入口流量
PV AO 防喘閥
SOV
7、DO 旁路/放空閥
ESD DI 聯(lián)鎖輸出
防喘控制功能塊標準特性有:
選擇h/Ps的算法
小流量或低轉(zhuǎn)速情況下的防喘振線計算
如果喘振發(fā)生,喘振安全裕度可自動調(diào)整
設(shè)定點浮動線功能可以在工作點向喘振線竄動時及時打開防喘閥
比例調(diào)節(jié)功能可以迫使防喘閥獨立于控制過程而打開
靈活的起機和跳車邏輯
可選擇手動控制幫助設(shè)定、測試和故障排除
當喘振逼近或透平跳車時,電磁閥觸點輸出可打開防喘閥
防喘振算法選擇:
采用壓比算法進行組態(tài)。
防喘振線計算:
將喘振線上的幾個點的坐標輸入到防喘振功能塊中,自動計算出喘振線,防喘振線。
安全裕
8、度重校:
如果系統(tǒng)檢測到工作點越過喘振線,表示喘振已發(fā)生,喘振控制線將被自動調(diào)節(jié)到右方,而加大安全余量。
壓縮機可能在以下情況下喘振:
變送器漂移帶來的誤差
喘振閥或執(zhí)行機構(gòu)的粘滯
喘振閥或回流管道的部分堵塞
非同尋常的巨大的工藝擾動
因壓縮機磨損導(dǎo)致喘振線移位
安全裕度不足
過程條件突變
喘振線設(shè)置錯誤
每當如前述喘振被檢測到,安全裕度增加(控制線右移)一個校準量。輸入一個裕度新值可使瞬態(tài)計數(shù)器歸零,且使重校后的裕度等于輸入值。系統(tǒng)可組態(tài)為每次增加一個固定量(如2%),或一個累加量(如1,2,4,8%等)。重校發(fā)生的最大次數(shù)亦可組態(tài)。
系統(tǒng)可顯示如下量:
9、
喘振發(fā)生次數(shù)(校準次數(shù))
初始安全裕度
當前重校后的安全裕度
設(shè)定點浮動線:
一般情況下,壓縮機不會在喘振線上持續(xù)運行或過長時間運行。當工作點在控制線右方(安全區(qū)域),喘振控制器的設(shè)定點(線)須在當前h值的某一可設(shè)百分比范圍內(nèi)以可設(shè)值移動。當工作點越過設(shè)置點(浮動線),以小幅快速向喘振線竄動時,將發(fā)生如下情形:
防喘閥迅速打開
設(shè)定點浮動線將以可設(shè)值移動直至防喘閥全關(guān)
新工作點建立
如果設(shè)定點浮動線與喘振控制線重合,系統(tǒng)將保持回流以保證在喘振控制線上運行,此特性并非在所有條件下應(yīng)用,在應(yīng)用前亦需作充分評估。
適應(yīng)性增益和非對稱響應(yīng):
喘振控制器提供了一種適
10、應(yīng)性增益特性。當工作點在喘振控制線右方時,該特性減少了比例動作。當工作點在喘振控制線右方的操作裕度超過設(shè)定距離,則調(diào)用適應(yīng)性增益特性。PI 控制將能夠在發(fā)生較小和較平緩的擾動的情況下進行平穩(wěn)的控制和保護。
根據(jù)比例或積分響應(yīng),防喘閥可打開,但限制了防喘閥的關(guān)閉。該特性使得防喘閥響應(yīng)快。當工作點安全地移到喘振控制線的右方,防喘閥以設(shè)定速率慢關(guān),保證將透平驅(qū)動機及工況控制器調(diào)整到新的工作條件下。
比例功能:
系統(tǒng)有一純比例調(diào)節(jié)階段,該階段可獨立于正常PI控制器打開防喘閥。當工作點移到喘振控制線左方,而正常PI控制器無法提供足夠響應(yīng),可能導(dǎo)致嚴重的過程失序時,則進入該階段
11、。亦即在控制線左方到達某一特定裕度,則打開防喘閥,進入該階段。當工作點與喘振線重合時,防喘閥全開。換言之,工作點進入喘振控制線及喘振線之間時,防喘閥按比例打開。該比例階段是由信號選擇器來實現(xiàn)的??刂破鞯姆答亜幼髌仁箍刂破鬏敵龈櫾撾A段。
即使在喘振控制器失調(diào)情況下,此特性仍可保護機組。
自增益響應(yīng)(微分響應(yīng)):
壓縮機在正常運行中,運行點基本上在控制線附近,如果壓縮機的安全裕度能盡量保持較小,這樣壓縮機運行的效率就較高。當運行點在一個較大的干擾作用下快速向喘振控制線移動, 速率超過一定限制后,喘振控制的安全裕度可以動態(tài)增加。這使得喘振控制 PID可以提早做出反應(yīng),防止突然快速
12、的工藝擾動造成機組喘振,避免出現(xiàn)快速擾動而沒有到喘振區(qū)域而打開防喘振閥造成的能量浪費。當運行點向左移動速度減小時,裕度不再增加。當運行點向安全區(qū)移動后,增加的安全裕度將以設(shè)定好的常數(shù)逐步減小。當壓縮機運行點移動到比例功能線左側(cè)時,自增益響應(yīng)中止。
解耦控制:
對于有性能控制的機組,通常會通過調(diào)節(jié)壓縮機的速度或入口調(diào)節(jié)閥的開度來滿足工藝要求,當壓縮機進入喘振調(diào)節(jié)時,有時性能控制會同時要求減小流量,如性能控制變量為出口壓力或出口流量時,兩個控制回路是互相反作用的,從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,使機組更加接近喘振。針對這種情況,性能控制算法和喘振控制算法會將各自的輸出加權(quán)到對方的控制響應(yīng)中去,從而實
13、現(xiàn)解耦控制來使兩個控制回路協(xié)調(diào)動作,迅速穩(wěn)定系統(tǒng)。
手操控制:
有兩種手操控制可選:第一種為全權(quán)手操控制功能。它允許防喘閥不顧防喘振控制器的作用而關(guān)閉。這種選擇在測試和設(shè)定的時候有用,但不可組態(tài)為正常操作。因為如果系統(tǒng)被置于手操狀態(tài),防喘振控制器將無法開閥防喘。第二種為限權(quán)手操控制功能。這種選擇設(shè)定了一個防喘閥的最小開度,它允許操作員開閥;如果防喘振控制器需要開閥避免喘振的話,手動關(guān)閥動作不起作用。
防喘振系統(tǒng)提供了可與調(diào)節(jié)閥同比例的線性度,因而可產(chǎn)生更為線性化的增益。當系統(tǒng)在不同點而非耦合點運行時,則避免了任何可能的不穩(wěn)定性。大多數(shù)應(yīng)用場合下,總有一個防喘閥是氣開閥
14、,它需要防喘閥輸出反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)可組態(tài)為徑向或反轉(zhuǎn)操作。
電磁閥輸出:
當向喘振控制線左方出現(xiàn)特定竄動時,可組態(tài)一個觸點輸出打開大功率電磁閥,來使防喘閥快開。此特性對于有較短閥程的大閥門來說很有用。當系統(tǒng)從喘振狀態(tài)回來時,電磁閥關(guān)。對閥的控制則可從比例控制恢復(fù)到正常的喘振控制。
四 汽輪機調(diào)速控制和超速保護
汽輪機的主要控制就是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),包括啟動,升速,運行,超速等過程,傳統(tǒng)的控制大部分由WOODWARD505或505E調(diào)節(jié)器來完成轉(zhuǎn)速控制,由ProTECH 203完成三取二超速保護控制。隨著PLC硬件的發(fā)展及國際專業(yè)透平控制公司的研究,現(xiàn)在很多石油,化工等行業(yè)的汽輪
15、機轉(zhuǎn)速控制由專業(yè)的控制器通過軟件來完成,控制器也是PLC的一種,只是針對性更強,象CCC(美國壓縮機控制公司)、WOODWARD公司、美國TRICONEX公司,英國ICS均是專業(yè)的機組控制公司,其中以CCC為國際上認可的最專業(yè)公司。
調(diào)速技術(shù)
機組的轉(zhuǎn)速控制從啟動開始,一般分為幾個模式:
模式0 停機
模式1 允許啟動
模式2 暖機
模式3 升速(其中包括越過臨界區(qū))
模式4 運行(調(diào)節(jié)區(qū))
模式5 超速測試
透平啟動分為手動和自動兩種方式設(shè)置。自動方式下會按照預(yù)設(shè)的暖機速度、暖機時間和升速率等自動控制透平升速并迅速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)。直
16、至升速至正常運行的最小轉(zhuǎn)速,進入模式4。也可以通過人工手動啟動,相對來說,手動啟動更為常見。
模式0 停機
任何模式下出現(xiàn)聯(lián)鎖停機信號或停機動作則透平進入模式0停機,速關(guān)閥電磁閥失電全關(guān),其它輸出也進入安全狀態(tài)。
模式1 允許啟動
在所有啟動條件具備后,可以啟動汽輪機。
汽輪機分為冷啟動和熱啟動,冷啟動就是需要經(jīng)過長時間盤車后進行的啟動,在啟動中,需要暖機;熱啟動是直接從盤車后啟動,可以不需要暖機。
在這個過程中,由于汽輪機的靜止慣性,電液轉(zhuǎn)換器可能需要很大的輸出才能使汽輪機有轉(zhuǎn)速,造成汽輪機沖動過程中的飛速,因些,好的控制器會在這時限制一個轉(zhuǎn)速,一旦汽輪機有轉(zhuǎn)速,強制
17、電液轉(zhuǎn)換器的輸出為一個定值,例如3%,將轉(zhuǎn)速控制在一個小范圍內(nèi),這樣也減小了啟動過程中對冷態(tài)軸承的磨擦。
模式2 暖機
冷啟動方式啟動后,為使軸承受熱均勻,機組會在暖機轉(zhuǎn)速下恒速運行一段時間。典型的汽輪機啟動會有1或2個暖機轉(zhuǎn)速。暖機完畢后,機組可以升速到最小調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速,然后加載。
模式3 升速
在升速模式下,可以自動或手動升速到最小工作轉(zhuǎn)速。升速過程可以隨時中斷或重新開始。
升速模式中會遇到汽輪機或壓縮機的臨界轉(zhuǎn)速區(qū),在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)不能停止,要快速超過或快速降回臨界區(qū)下限。
在工程初期,可能會因為蒸氣品質(zhì)原因,輸出電液轉(zhuǎn)換器最后還沒有越過臨界區(qū),這時候系統(tǒng)在進
18、入臨界區(qū)后開始計時,計時到后還沒有越過,就會立即降轉(zhuǎn)速到臨界區(qū)下限,這樣以避免機械損傷。
模式4 運行
運行區(qū)是汽輪機的可調(diào)節(jié)區(qū),這里可以通過手動給定轉(zhuǎn)速設(shè)定值,手動升降速,性能控制等幾種方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。通過性能控制調(diào)節(jié),需要進行轉(zhuǎn)速和防喘振控制間的解耦。
在運行期間,如果甩負荷出現(xiàn)快速甩負荷造成汽輪機轉(zhuǎn)速跳車轉(zhuǎn)速快速接近,PID來不及輸出關(guān)閥,通過設(shè)定一個電液轉(zhuǎn)換器輸出值,快速關(guān)閥。轉(zhuǎn)速降低到最大調(diào)速控制轉(zhuǎn)速以下時,PID 控制接替動作將速度控制在速度設(shè)定點上。
模式5 超速測試
在初期試車階段,會做超速測試,校驗電子跳車轉(zhuǎn)速和機械跳車轉(zhuǎn)速。
以上簡單介紹了常見的機組控制技術(shù),高級應(yīng)用還有性能控制,負荷分配等,在此不做介紹。
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