（控制理论与控制工程专业论文）离心压缩机防喘振控制系统研究.pdf

大连理工大学硕士学何论文 摘要 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 是，离心压缩机也存在一些缺陷，例如稳定： 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：其一是经济性问题：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 其他凶素，导致控制质量不好，不能最有效、及时地防喘振。 针对以上问题，本文以某厂离心压缩机控制系统改造为研究对象，完成了控制系统 的架构设计，提出了一套离心压缩机综合控制策略，较全面地考虑了压缩机运行中可能 发生的因素，能源有效利用，改善了防喘振品质。主要内容如下。 首先，改进了常规的基于p i 控制的防喘振算法，附加了“阀跳变”和非线性两种 控制，其中“阀跳变”能够使控制器在原来输出的基础上阶跃某一开度，非线性控制在 防喘振过程中能动态的改变p i 控制器的比例增益和积分时间常数，与以往的控制算法 相比，控制器反应更加迅速，能够更快和更有效的防止喘振的发生。 其次，附加了入口压力控制和出口压力限制的辅助控制策略，通过调节汽轮机转速 来牢牢的控制住入口压力，进而对出口压力起到了控制作用，同时出口压力限制又进一 步的起到了保护作用。一般喘振发生前会引起压力的变化，通过调节转速来维持压力恒 定，从而抑制了喘振的发生，与传统的阀放空调节相比，节能效果明显。另外，运用通 用性能曲线解决了入口条件对喘振的影响。 另外，本文还开发了基于r s v i e w 3 2 的压缩机运行监控软件，该监控系统功能齐全， 操作简单，人机界面友好，对压缩机系统的稳定运行起到了积极的作用。 关键词：离心压缩机；防喘振；控制系统 人连理1 人学硕十学位论文 s t u d yo na n t i - s u r g ec o n t r o ls y s t e mo fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r a b s t r a c t c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r i st h ek e y e q u i p m e n ti ni n d u s t r yd e p a r t m e n t s i th a st h ec h a r a c t e r o fh i g hd i s c h a r g ep r e s s u r ea n dl o wi n l e tf l o w b u tt h e r ea r ea l s os o m ed i s a d v a n t a g e s s u c ha s s t a b l eo p e r a t i o na r e ai sn a r r o wa n di ti se a s yt os u r g e s u r g ei sh a r m f u lt oc o m p r e s s o r s oi t m u s tb ee q u i p p e dw i t hc o n t r o ls y s t e mt oa v o i ds u r g e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h em e t h o d sa n dq u a l i t yo fa n t i - s u r g ec o n t r o la r ei m p r o v e d b u tt h e r ea r e s t i l lp r o b l e m se x i s t e d ：1 t h ee c o n o m yo fa n t i - s u r g ec o n t r 0 1 a n t i - s u r g el e a d st oc o n s u m eo f t h ee n e r g yd u et or e c y c l eo ft h ef l o w 2 t h eq u a l i t yo fa n t i - s u r g ec o n t r 0 1 t os o m ec o n t r o l s y s t e m s ，t h ec o n t r o ll o o pi ss i m p l ea n do t h e rf a c t o r sa b o u ts u r g ea r en o tc o n s i d e r e d i tl e a d st o b a dc o n t r o lq u a l i t ya n dc a nn o ta n t is u r g ee f f e c t i v e l yo ri nt i m e t ot h ep r o b l e m sd e s c r i b e da b o v e ，t h i sa r t i c l ed e s i g nt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ec o n t r o l s y s t e ma n dg i v e st h es t r a t e g yo fc o m p r e s s o ri n t e g r a t e dc o n t r o lw h i c hc o n t a i n ss e v e r a ll o o p s i tc o n s i d e r st h ef a c t o r sw h i c hm a y b eo c c u r ，a n di m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m i t c o n t a i n sa sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ea n t i s u r g ec o n t r o la l g o r i t h mn o to n l yc o n t a i n st h eo r d i n a r yp ic o n t r o l ，b u ta l s o c o n t a i n sv a l v ej u m pa n dn o n l i n e a rc o n t r 0 1 v a l v ej u m pc a nm a k et h ev a l v es t e pt oc e r t a i n p o s i t i o n n o n l i n e a rc o n t r o lc a nc h a n g et h ep r o p o r t i o n a lg a i na n di n t e g r a lg a i nd y n a m i c a l l y c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m ，i tc a np r e v e n tt h e s u r g em o r eq u i c k l ya n d e f f e c t i v e l y o t h e r w i s e ，i n l e tp r e s s u r ec o n t r o la n dd i s c h a r g ep r e s s u r el i m i tp r o t e c tt h es t a b l eo p e r a t i o n o ft h ec o m p r e s s o rf u r t h e r e s p e c i a l l y ，i ts a v e st h ee n e r g yb ya v o i d i n go p e n i n gt h er e c y c l e v a l v ew h i l ea d j u s t i n gt h es p e e do ft h et u r b i n et oa v o i dt h es u r g e i ta l s oc o n s i d e r st h ei n l e t c o n d i t i o n so ns u r g ea n dg i v e su n i v e r s a lc u r v e st os o l v et h ep r o b l e m t h i sa r t i c l ea l s od e v e l o p sh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c eb a s e do nr s v i e w 3 2 i tc o n t a i n s k i n d so ff u n c t i o n s 。i ti ss i m p l et ob eo p e r a t e da n dt h eh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ei sf r i e n d l y i t t a k e sg o o de f f e c to nt h es t a b l eo p e r a t i o no ft h ec o m p r e s s o r k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；a n t i s u r g e ；c o n t r o ls y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另t j ) j h 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：起主日期：兰竺! 垒幽兰血 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 起串 pj 一， 1 2 竺女年j 羔月二上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 离心压缩机介绍 1 1 1 离心压缩机的工作原理 离心式压缩机属于透平压缩机。透平压缩机是一种叶片式旋转机械，它利用叶片和 气体的相互作用，提高气体的压力和动能，并利用相继的通流元件使气流减速，将动能 转变为压力的提高。一般透平压缩机中用的最广泛的是离心式压缩机和轴流式压缩机， 二者各有自己合适的工作范围和气动特点。 离心式压缩机：气体在压缩机内大致径向流动。 轴流式压缩机：气体在压缩机内大致沿平行于轴线方向流动。 轴流式压缩机具有效率高、流量大等优点，但排气压力不高，稳定工作范围窄，对 工质中的杂质敏感，叶片易磨损；离心压缩机除效率比轴流式压缩机低外，可达到很高 的排气压力，允许输送较小的流量【1 】d 图1 1 离心压缩机结构图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r 如图1 1 所示，离心压缩机的主要通流元件如下： ( 1 ) 吸气室在每段第一级入口都设有吸气室，将气体从进气管均匀地引入叶轮进 行压缩。 ( 2 ) 叶轮它是离心压缩机中最重要的部件。它随着离心压缩机轴高速旋转，气体 在叶轮中受旋转离心力和扩压流动的作用，由叶轮出来后，压力和速度都得到提高。从 能量转换的观点来看，叶轮是将机械能传给气体，提高气体能量的唯一元件。 离心压缩机防喘振控制系统研究 ( 3 ) 扩压器气体从叶轮出来时，具有很高的速度，为了将这部分动能转变为势能， 以提高气体压力，紧接着叶轮设置了扩压器。 ( 4 ) 弯道和回流器为了把从扩压器出来的气体引导到下一级去继续压缩，设有使 气流拐弯的弯道和把气流均匀地引入下一级叶轮入口的回流器。 ( 5 ) 蜗壳蜗壳的主要作用是把从扩压器或从叶轮出来的气体汇集起来，并引出机 外。 为了使压缩机持续安全、高效率地运转，还必须有一些辅助设各和系统。如油路系 统等【“。 1 1 2 离心压缩机的性能曲线 离心压缩机的运行工况常常发生变化。为了反映不同工况下压缩机的性能，通常把 在一定进气状态下对应各种转速、进气流量与压缩机的排气压力、功率及效率的关系用 曲线形式表示出来，这些曲线就称为压缩机的性能曲线。对于工业用压缩机，性能曲线 一般只给出排气压力或压比、功率与流量的关系。 性能曲线用数学关系式表示为： 只( 或厶) = ，1 ( n ，见或g )( 1 1 ) 式中，见为压缩机进气容积流量；g 为质量流量；n 为压缩机转速；只为排气压力；已为 压缩机出口和进口压比。 离心压缩机的性能曲线可以通过计算方法、试验方法和试验计算方法相结合的方法 来获取。但是由于计算中需要做出这样或那样的假设，因此计算结果必然是近似的，因 此，有时可靠和更为准确的特性曲线还是要通过整机试验来获得。试验时，当压缩机转 速在一个转速下稳定运行后，调好一个流量，维持转速不变，待各参数稳定后，再测量 并记录所有测量点的数据。如此测量相应于不同流量下各测量点数据，经过整理，就可 以绘成在这一个转速下的特性曲线。改变压缩机的转速，按上述方法进行，又可以得到 其他转速下的流量特性曲线，以至整个转速范围内的全部特性曲线。如此获得的特性曲 线是在特定的进气条件下得到的。显然，进气条件发生变化，特性曲线也要发生变化。 利用相似原理，可以得出不随进气条件变化的通用性能曲线，在文献 1 】中对此进行了详 细的论述。 压缩机性能曲线是压缩机变动工况性能的图像表示，它清晰的表明了各种工况下的 性能，稳定工作范围，是操作运行、分析变工况性能的重要依据。 大连理工大学硕士学位论文 1 1 3 离心压缩机的管网特性 离心压缩机在使用时，总是和其他设备管道联系起来，和驱动机用传动机构连接起 来，构成一个统一的系统。通常把为输送气体连接压缩机的管道、容器等全套设备，包 括进、排气管线，称为管网。离心压缩机究竟在哪个工况下稳定运行，显然不仅取决予 离心压缩机本身的性能，而且还取决于管网的特性。压缩机入口气体压力为只，经过压 缩机增压至e ，再经过管道排出，压力下降到只。管网设备和压缩机的联系是气体联系， 压缩机和管网的关系是气体供求关系，供求要相当，即压缩机的输气量g 和管网的流量 g 相等，经过压缩机增加的气体压力恰好等于管网的阻力降，或者说压缩机的排气压力 等于管网的入口压强最。满足这些条件，压缩机和管网就能稳定运行。总的来说，压缩 机的稳定运行条件为： g - q 只- 最 ( 1 _ 2 ) ( 1 3 ) 管网的特性曲线和压缩机的特性曲线的交点恰好能满足上述的要求，这就是压缩机和管 网的联合运行点。 p p “ p , m 图1 2 压缩机和管网的联合运行点 f i g 1 2j o n tp o i n to fc o m p r e s s o rc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dl o a d 如图1 ，2 中的a 点就是管网和压缩机在一下性能曲线的交点，相应这点的流量和压 力分别为嘭、巳。如果管网流量和压力减少了，例如减少到q ，相应的压缩机排气压 力为，则这时联合运行点为b 点，压缩机的转速为一：。正是由于联合运行点是压缩机 性能和管网特性所共同决定的，所以正确设计、确定管网的性能对压缩机的运行是非常 重要的。 离心压缩机防喘振控制系统研究 管网的阻力特性是由管道和所连接设备的阻力特性所决定的，例如由压力容器和连 接管道组成的管网，阻力特性可以用以下关系表示： 最一e + a q 2( 1 4 ) 式中，c 为容器中气体压力；q 为管网的体积流量；a 为管道阻力计算系数。从此式子 可以看出，如果接管很短，则管网阻力主要由容器气体压力来定，即最p ，在图上显 示一条水平线，如果容器压力低，接管长，则最。一q ：，在图上显示一条抛物线。 离心压缩机在运行时要适应管网的要求，一般来说管网的要求可以分为三大类：其 一，流量改变但要求气体压力维持不变，满足这类要求的调节常称为定压调节；其二， 压力改变时，流量维持不变，这类调节常称为定量调节；其三，压力和流量按一定规律 变化。 离心压缩机运行时，为适应不断变化着流量或压力的管网要求，压缩机也应该不断 改变着排气压力和流量，也就是要不断改变运行工况。改变压缩机运行工况是由压缩机 本身和管网特性共同决定的，因此，压缩机的调节方法既可以借助改变压缩机的特性曲 线，又可以借助改变管网的特性线或者两者同时改变来实现。 1 1 4 离心压缩机的故障诊断 离心压缩机在运行中受到许多因素的影响，如仪表可靠度、操作、维修等，都会影 响到机组的正常运行。常用的常规监测控制仪表故障率较高，导致设备的故障率居高不 下，每年要花费大量资金用于设备零部件更换。因此对压缩机组进行状态监测、故障诊 断与预测维修，是实现设备安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行的重要保证，也是 提高设备现代化管理的重要手段0 - 4 1 。 故障诊断系统引入的监测参数主要包括振动、位移、速度、出入口流量及压力，轴 承温度等，实现了多参数综合诊断，提高诊断的准确度。系统引入了大量的热工仪表监 测参数，包括轴瓦温度、进排气温度、压力、液位等，实现了设备状态的全参数监测诊 断。这样做的优点是将仪表髓测和故障诊断合二为一，更方便机组的运行操作和状态监 测而且节省投资。 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 故障诊断结构图 f i g 1 3s c h e m eo f f a i l u r ed i a g n o s i ss y s t e m 故障诊断系统由信号分析处理系统和专家系统两部分组成，信号处理系统主要从实 时数据库中取出各个机组在不同时刻、不同状态下的动态信号，快速准确地进行各种信 号分析和数据处理，绘制出有利于观察识别机组状态的图谱，如轴心轨迹图、极坐标图、 波德图等，并将其数据值信号特征传递给专家系统，供诊断设备故障使用。其基本结构 如图1 3 所示。 专家系统由以下部分组成：知识库、数据库、数据接口、推理机。 ( 1 ) 知识库知识库是诊断维修专家的核心部分，其主要功能是存储和管理专家系 统中的知识。知识库的存储主要有两种，第一种是相关领域公开性的知识理论，第二种 是专家长期工作实践所获得的知识和日常实践维修数据。 ( 2 ) 数据库数据库是专家系统中用于存放反映系统当前状态的实时数据的地方。 其数据包括设备采集的数据以及推理过程中得到的中间结果，这些值在系统运行中是不 断改变的。 ( 3 ) 数据接口数据接口负责传递实时数据库中的数据进入推理机，同时将用户输 入的信息转换成系统内规范化的表达方式以及传出故障类别和处理方案。 ( 4 ) 推理机推理机实际上是一组计算机程序，它从实时数据库和信号分析系统传 来的数据，同知识库中的知识框架按一定规则进行各自匹配，最后得出以下多种故障状 况：转子不平衡、转子裂纹、油膜涡动、旋转失速、转子损坏、油膜振荡、喘振、转予 弯曲、碰撞摩擦、轴承损坏、密封气流激振、转子零件松动、连续摩擦、支撑零件松动、 轴承间隙过大、电磁干扰等。 总之专家诊断系统可以实现压缩机不同的诊断结果，并提出日常维护和保养，能准 确判断故障走向，减少维修的盲目性，达到预测性维修。 离心压缩机防喘振控制系统研究 1 2 本文的研究意义 离心压缩机是一种高速旋转的机械，可以满足工业上对气体压缩的各种需求，应用 范围很广。作为一种工业装备，它广泛应用于石油、化工、天然气管线，制冷和冶炼等 诸多重要部门。其安全运行与整个装置的可靠性直接影响着经济效益，因而成为倍受关 注的心脏设备。随着科学技术的发展，压缩机无论在性能还是在运行的安全可靠性上都 得到了很大的提高，但是它本身也存在一些难以消除的缺点，如稳定工况区较窄、容易 发生喘振等。另外，离心压缩机的稳定运行也受到其他一些条件的影响，如负载、气体 性质、温度等，可以说离心压缩机的控制是一个比较复杂的领域。因此设计一个可靠及 时的控制系统对压缩机的稳定运行起着决定性的作用，自动化程度高、性能更加完善、 可靠性更高的控制系统可以极大的提高经济效益和压缩机的运行年限。 随着计算机技术的发展，压缩机的控制技术有了很大的提高，但是纵观中国，无论 是在压缩机的制造还是控制方面都远远落后于世界先进国家，大部分的工业要害部门都 使用着外国进口的压缩机和控制系统，同时也带来了技术上和设备维护、修理方面的诸 多问题。因此，要想改变我国在这方面的落后状况，我们就必须在现有条件的基础上， 努力学习，积极吸收国外先迸思想和技术，勇于创新，开发出自己的先迸控制系统。这 对于改变我国落后的工业控制面貌是至关重要的，这不仅在技术上，还有经济上都会给 企业带来巨大的效益。 1 。3 离心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： ( 1 ) 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 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 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求，在许多情况下可以利用可编程控制器p u 0 来实现。 当今压缩机防喘振系统已经采用这种控制系统。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 奠定了基础n 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 p i d 控制技术是离心压缩机控制的必然选择。 1 4 本文的选题背景和实际意义 中油辽阳石化分公司某厂裂解装置中的透平一压缩机组由一台蒸汽轮机、两台离心 式压缩机组成。其中驱动机为德国s i e m e n s 公司制造的e h n k 3 2 3 6 型抽汽凝汽式汽轮 机，压缩机由德国d e m a g 公司制造的1 2 m h 6 b 低压缸和0 8 m v 6 b 高压缸组成。控制系 统主要w o o d w a r d5 0 5 e 电子调速器、p r o t e c h 2 0 3 超速保护系统以及a b p l c 系统组成。 以上控制系统存在不少问题，在机组建设初期，并没有配套的上位机监控系统，只 能由西门子提供的p a n e l v i e w l 0 0 0 控制面板对系统进行监测和简单的参数设置。随着控 制系统的投入运行，控制系统逐渐暴露出以下存在的一些问题： ( 1 ) 只能对系统的数据进行监测，无法对参数进行在线修改。 ( 2 ) 只有数据显示，没有流程画面，给操作人员了解系统、维护系统带来不便。 ( 3 ) 历史数据保存不完整，无法对系统进行全面分析。 ( 4 ) 没有提供报警和停车数据浏览、打印。 ( 5 ) 主从p l c 通讯存在故障，导致不能进行主从切换。 ( 6 ) 由于管理混乱，导致控制系统相关的资料丢失严重，因此工人对系统进行维护 和故障检修就比较困难。 离心压缩机防喘振控制系统研究 基于以上原因，辽阳石化公司决定委托大连理工大学对原系统进行改造升级，包括 两方面的内容： ( 1 ) 控制系统硬件和软件的升级。 ( 2 ) 工艺消化。 控制系统改造的实际意义： ( 1 ) 新增加的上位机不会影响原有系统的运行，并和西门子提供的p a n e l v i e w l 0 0 0 控制面板组成冗余的监控系统。 ( 2 ) 监控系统在保留原有上位机功能基础上对监控软件进行重新设计，采用功能强 大的r s v i e w 3 2 组态平台，并在w i n d o w s 操作系统下工作，保证系统的完整性。 ( 3 ) 重要的i o 点、电源都进行了热备冗余配置，增强了控制系统的可靠性。 r 4 1 改进了防喘振控制算法。采用的防喘振控制算法除了常规的p i 控制之外，还附 加了“阀跳变”和非线性两种控制，能够更快和更有效的防止喘振的发生。另外，利用 通用性能曲线解决了入口条件对喘振的影响。以上方法有力的保证了防喘振的控制品 质。另外，入口压力控制和出口压力限制，对压缩机的稳定运行又起到了进一步的保护， 特别是通过调节转速来抑制喘振的发生，大大提高了防喘振的经济性能。 ( 5 ) 对防喘振的基本原理，改进后的控制系统，对相关人员进行培训，为系统更加 有效的运行提供技术支持和技术服务 1 5 本文完成的主要工作 第一，对离心压缩机的工作原理等方面进行了深入的分析。 通过对离心压缩机的工作原理进行了系统的学习，参阅了大量相关的书籍文献，并 多次深入工厂实际，通过项目实践加深了对离心压缩机系统的认识，对防喘振的机理、 影响喘振的因素等进行了深入分析，给出了管网特性、入口条件、压缩机结构参数等对 喘振的影响，提出了利用神经网络预测喘振的新方法，分析了喘振被动控制和主动控制 的特点，给出了防喘振控制的要点。 第二，在进行理论研究的基础上，针对防喘振控制中存在的问题，结合实际项目， 完成了以下工作： ( 1 ) 整个透平压缩机控制系统有三部分组成，w o o d w a r d 5 0 5 e 调速控制系统， p r o t e c h 2 0 0 3 超速保护系统和a b p l c 控制系统。本文的研究重点是a b p l c 控制系统 部分，它用来控制离心压缩机系统。在了解整个透平压缩机控制系统各个组成部分的 基础上，对于属于其重要组成部分的a b p l c 控制系统，完成了以上位机、热备冗余 p l c 、d a t ah i g h w a yp l u s 网络为结构的控制系统设计。利用r s v i e w 3 2 组态软件完成了 8 大连理工大学硕士学位论文 上位机监控系统的开发，包括了压缩机运行的实时监视，提供实时报警、历史曲线、数 据存储等功能。 ( 2 ) 对防喘振线最小流量点的设定等进行了研究，最重要的是对控制系统的控制策 略制进行了详细的研究和分析，提出一套有效的离心压缩机综合控制策略，有效的解决 了防喘振的有效性和经济性。它主要包括两个方面的内容，第一，改进的防喘振控制算 法。除了常规的p l 控制之外，还附加了“阀跳变”和非线性两种控制。对防喘振控制 的不同阶段，采取不同的控制方法。正常情况下采用常规p i 控制，当工作点越过控制 线时，立刻采取非线性控制，动态改变p i 增益，使反应加快，若以上方法未能阻止工 作点越过安全线时，则附加“阀跳变”控制，在原来p i 输出的基础上阶跃某一开度， 若某一时间后工作点仍处于安全线左侧，则再阶跃某一开度，直到工作点返回到安全线 右边。与传统方法比较，能够更快和更有效的防止喘振的发生。第二，基于压缩机入口 压力控制和出口压力限制的辅助控制策略。把入口压力p i d 控制器的输出作为 w o o d w a r d 5 0 5 e 控制器设定输入，通过调节汽轮机转速来牢牢的控制住入口压力，同时 出口压力限制又起到了进一步的保护。另外，利用通用性能曲线解决了入口条件对喘振 的影响。以上内容都会在文中进行详细的阐述。 离心压缩机防喘振控制系统研究 2 离心压缩机防喘振控制原理及要点 2 1 喘振现象 离心压缩机流量减少时，随着旋转失速的产生和发展，可能出现另一种不稳定的工 况现象，离心压缩机的气体流量和排气压力周期性地低频率，大幅度地波动，引起机器 强烈的振动，这种现象称为压缩机的喘振1 6 j 。 如图2 1 所示，a 点和b 点为管网的特性线与压缩机特性曲线的交点，其中a e 为 正常特性线，c b 为突变失速后可能工作的特性线。设a 点为压缩机工作失速点，b 点 时失速后一个可能的稳定工作点，压缩机在a 点工作时，流量微小的减少便引起压缩机 的旋转失速，压缩机排气压力突然减少，如果管网的容积非常小，管网的压力能迅速调 整到和压缩机排气压力相适应，运行点移至平衡点b 。如果管网容积很大，压力变化很 慢，高于压缩机排气压力，会迫使气体倒流，工作点由a 点移至d 点( 如虚线所示) 。由 于在叶栅脱离区充以气体，工作暂时恢复正常，这时管网一方面继续给用户供气，另一 方面一部分气体倒流到压缩机，使管网压力迅速下降，压缩机又可以向管网正常供气， 很有可能工况点沿虚线至a 点，如果引起喘振的原因未消除，又会重复上述现象。实际 管网的容积是有限的，开始可能出现倒流，管网的压力跟着降低。暂时排不出气体，叶 片槽道的脱离区可能缩小，叶栅的工况很可能瞬时恢复正常。压缩机的排气量迅速增加， 然后又很快到达稳定运行点a ( 如点划线所示的喘振循环路线所示) ，如果引起上述现象 的原因未消除，就会重复上述现象，这就是喘振1 7 j 。 图2 1 喘振循环图 f i g 2 1c o m p r e s s o rm a pw i t hs u r g ec y c l e g 大连理工大学硕士学位论文 喘振现象通常具有如下宏观特征： ( 1 ) 压缩机工作极不稳定，排气压力，流量等参数脉动大。 ( 2 ) 喘振有强烈的周期性气流噪声，出现气流吼叫声。 ( 3 ) 机器强烈振动。机体、轴承等振幅急剧增加。 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。 2 2 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。这种工作不协调可以分为 两点：第一，压缩机的流量等于或小于喘振流量；第二，压缩机排气压力低于管网气体 压力。因为联合运行点是由压缩机特性线和管网特性线共同决定的，如果联合运行点落 在压缩机特性线的喘振区就会出现喘振。实际运行中，引起运行点变化的情况很多，凡 是运行中压缩机特性线下移( 如迸气压力降低、进气温度升高、进气分子量减少) 或管网 特性线上移，或者两者同时发生，或减量过多，使联合运行点落入喘振区的都会引起压 缩机喘振。开车过程中升速、升压不协调，如升压太快；降速、降压不协调，如降速太 快都可能引起压缩机喘振。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1 8 】。 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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量或压缩功可 用如下公式来描述： 一- ；三月五【( 鲁) 三；一- 】c z t ， 离心压缩机防喘振控制系统研究 式中。& 为多变压缩能量头，m 为多变指数，五为进气温度，置、只分别为进、排气压 。口1 力，r 为气体常数且尺= 三竽，m 为气体分子量。 肘 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 不变，多变指 数m 不变。那么，进气温度五增大、进气压力# 降低，分子量m 减小，都会引起排气压 力昱的降低，可定性地得出：进气温度互增大、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) 差压为 。，则入口容积流量为： 压 式中，i 为流量计流量系数，由孔板尺寸决定，岛为压缩机入口气体密度n 一蛊。 由此可知，在相同t 下，进气压力昱的降低，进气温度五的增大和气体分子量m 的 减小都会引起实际入口流量q 的增大。所以实测的喘振流量红将随着进气压力e 的降 低，进气温度五的增大或气体分子量m 的减小而增大。 ( 3 ) 管网特性对喘振的影响 p v m i nv 图2 2 管网对喘振的影响 f i g 2 , 2i n f l u e n c eo f l o a dv a r i a t i o n0 1 1s u r g e 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) ，其特性曲线 将变陡峭，致使工作点向小流量方向移动，如图2 2 所示。当工作点由a 移至a 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o 5 6 次方成反比。另外，管网的容量对压缩机的喘振 大连理工大学硕士学位论文 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。 ( 4 ) 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。 入口导叶开度对喘振的影响 离心压缩机入口导叶开度的变化会引起压缩机性能曲线的变化，同时喘振流量也随 之改变。根据欧拉方程式，可知叶轮对单位气体所作的理论功h 为： h - 2 气一q 气( 2 3 ) 式中，地、“：分别为叶轮的进、出口圆周速度，c 。、气分别为叶轮的进、出口气体圆周 分速度。 由上式可知，当转动入口导叶，使进入叶轮的气体方向发生改变时，即气改变时会 使叶轮对气体所作的功h 改变，从而致使压缩机性能曲线发生变化。若增大气( 气 0 时 称为正预旋) ，则h 就减小，性能曲线也就下移。对某一台离心压缩机进行的进气预旋试 验表明：随着导叶预旋角由负增大到正，压缩机性能曲线将向左下方移动，喘振流量也 将减少。 叶轮结构对喘振的影响 叶轮是离心压缩机中的惟一做功部件，叶轮的结构对压缩机的喘振流量有直接影 响，但由于叶轮结构参数的变化对压缩机性能的影响较复杂，目前在叶轮结构对喘振的 影响方面的研究还较欠缺。叶轮结构参数中的出口安装角既对压缩机的性能有着决定 性的影响。 卢。小的叶轮( 水泵型叶轮) 所构成的级，性能曲线所对应的喘振流量较小，因此抗喘 振性能较好。此外，压缩机的喘振性能还与叶道设计的是否合适有关。如果叶道设计得 不好，在同样的流量下，若其边界层分离损失很大，则即使岛。较小，也不一定会使喘 振流量较小。 扩压器结构对喘振的影响 离心压缩机中扩压器是一个与叶轮几乎同等重要的部件。扩压器的型式对于喘振工 况和阻塞工况有很大的影响，是决定压缩机稳定工况范围的重要因素。离心压缩机中扩 压器可分为：无叶扩压器和叶片扩压器。通过对某一台小型离心压缩机中的不稳定流动 进行测量，得出无叶扩压器半径比对喘振流量有较大影响：半径比小，喘振流量大，压 缩机容易喘振。对于叶片扩压器，一般认为：当减小叶片扩压器进口安装角q 。时，可 使压缩机性能曲线大幅度地向小流量区偏移，喘振流量大为减少，同时压缩机性能曲线 离心压缩机防喘振控制系统研究 近似平移，其最高效率和能量头基本不变。通过实验研究认为：通过调小叶片扩压器进 口安装角，以及采用机翼型和等厚型叶片扩压器均能有效地使离心压缩机性能曲线在一 定范围内向小流量工况区偏移。 2 3 喘振机理的研究 如果压缩机进入喘振状态，由于气流的剧烈振荡性质，使机器处于极度危险中，因 此喘振不论对航空发动机还是民用工业，不论是轴流压缩机还是离心压缩机都是严格禁 止的。长期以来人们一直致力于喘振这类复杂物理现象的理论和实验研究，取得了许多 显著成果。 g r e i t z e 和m o o r e 提出了分析压缩机失稳现象的统一模型，简称m g 模型，这一 模型在系统稳定性分析，失速与喘振的数值模拟和压缩机动态特性模型构造等方面已得 到较好应用。m c c a u g h a n 依据m - g 模型，运用分叉理论分析了压缩系统非稳定性的特 性，定性地提出了经典喘振与深度喘振的区别【9 1 。经典喘振即为没有回流的小振动，振 动频率接近赫姆霍兹共振频率。深度喘振即为包含完全混乱甚至倒流的振动，振动频率 低于共振频率。并提出了压缩机的动态响应规律与旋转失速的特性有关。与以上研究者 不同，e l d e r 和g i l l 在文献1 6 q j ，把离心压缩机喘振的特征与具体压缩机部件对非稳定产 生的效应联系起来，大致把影响喘振特性的因素归纳为：特性线的压力梯度、进口导叶 的冲角，扩压器通道形式和集流器类型等。 2 4 喘振预测 前面已经提到压缩机发生喘振的原因主要是两方面：第一，压缩机的实际运行流量 小于压缩机的喘振流量。第二，压缩机的出口压力低于管网压力。 另外，当气体分子量和气体入口温度变化太大，压缩机转速变化过快时也可能引发 喘振。 因此喘振流量和排气压力、转速、入口温度、分子量都有关系，可以用如下关系式 来表示： q f ( e , n ，t ，) ( 2 4 ) 式中，q 为喘振流量；p 为排气压力；n 为转速；r 为入口温度；m 为气体分子量。寻 求喘振与这些工艺参数之间关系的数学模型，无论在理论上还是工程实际中都很困难。 神经网络为解决这种难以用数学模型描述的多变量问的关系提供了一个切实可行的办 法。它利用反映多变量间关系的累积数据，来获知变量间存在的关系，并通过网络的结 构和权值加以“记忆”，使新的工艺参数输入神经网络后，“判断”出机器对应的状态。 大连理工大学硕十学位论文 2 5 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。 2 5 1 喘振被动控制技术 ( 1 ) 概述 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5 ，1 0 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。早期的防喘振控帛系统是模拟量 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p u c 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2 种：固定极限 流量和可变极限流量i 埘。 固定极限流量法 如图2 3 所示，让压缩机通过的流量总是大于某一定值流量q ，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q 的值，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。 离心压缩机防喘振控制系统研究 图2 3 固定极限流量 f i g 2 3c o n s t a n tl i m i tf l o w 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，虽然压缩机并末进入喘振区，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。 可变极限流量法 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