圖1  離心式氣體壓縮機(jī)喘振線(xiàn)及防喘振線(xiàn)示意圖

    壓縮機(jī)喘振控制系統(tǒng)的基本原理，采用壓比（出口壓力/入口壓力）Pd/Ps和做喘振曲線(xiàn)，其基本形狀為拋物線(xiàn)，而采用Pd/Ps和作圖時(shí)得到的喘振線(xiàn)則基本呈直線(xiàn)形狀（簡(jiǎn)化后，得，這里的h為孔板的差壓，是線(xiàn)性輸入）。
其中：Pd為出口壓力，kPa；Ps為入口壓力，kPa；C為常數(shù)（由孔板尺寸決定），m²；h 為孔板差壓（與流量的關(guān)系式為Q²=h)，kPa；

3.2  防喘振線(xiàn)的計(jì)算

    將壓縮機(jī)出口與入口壓力的比，即Pd/Ps（Y軸）和孔板差壓h與入口壓力Ps的設(shè)計(jì)壓力的百分比，即h/Ps?100%（X軸）。

Y坐標(biāo)：

X坐標(biāo)：

其中：ρ為密度kg/m³；

Qm為體積流量，m³/h（質(zhì)量流量M=ρ?Qm，kg/h）；

Ts為入口溫度，K；

Zs為壓縮機(jī)壓縮系數(shù)，Zs；

C為常數(shù)；

Ps為入口壓力(A)，kPa；

MW為壓縮機(jī)分子量。

表1  喘振點(diǎn)計(jì)算表

    將計(jì)算出的喘振線(xiàn)五個(gè)喘振點(diǎn)輸入到TRICONEX公司提供的喘振函數(shù)模塊中，生成防喘振曲線(xiàn)，將Pd/Ps作為K1Y的系數(shù)、h/Ps?100%作為K1Y的系數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成喘振線(xiàn)。在此基礎(chǔ)上設(shè)置好Surge Control Line的參數(shù)后，自動(dòng)生成防喘振線(xiàn)及防喘振線(xiàn)下移的百分比。

    其中防喘振偏置系數(shù)e1EBIAS=6.0，r1ADMAR為喘振偏置累計(jì)，即工作點(diǎn)每進(jìn)入一次喘振區(qū)，r1ADMAR增加2.0，防喘振線(xiàn)下移的百分比由k1RCINC來(lái)確定，一般k1RCINC= 2.0。

圖2  喘振控制塊功能圖

    為了保證機(jī)組的安全，喘振偏置累計(jì)將使防喘振控制線(xiàn)隨著工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)的次數(shù)而每次2%向右移動(dòng)，使壓縮機(jī)的工作區(qū)域減小；必須人為進(jìn)行復(fù)位才能使防喘振控制線(xiàn)恢復(fù)到原始位置。

3.3  防喘振控制的實(shí)現(xiàn)

    TS3000系統(tǒng)具有一個(gè)獨(dú)特的喘振預(yù)測(cè)技術(shù)，它根據(jù)測(cè)量壓縮機(jī)的入口流量、出口壓力、入口壓力來(lái)進(jìn)行喘振控制。防喘振控制技術(shù)由標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)喘振控制模塊：Surge-Line、Surge-Detect、Surge-Control進(jìn)行封裝。

(1)  防喘振控制功能塊

    三個(gè)喘振控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要有：如果機(jī)組發(fā)生喘振，防喘振線(xiàn)重新調(diào)整；工作點(diǎn)突然移向喘振區(qū)，喘振設(shè)定值徘徊功能將打開(kāi)喘振閥；喘振控制器有適配增益和快開(kāi)、慢關(guān)功能；比例功能可忽略控制器的調(diào)節(jié)，強(qiáng)制打開(kāi)喘振閥；速度控制器與喘振控制器進(jìn)行耦合控制，必要時(shí)進(jìn)行解耦；使用自動(dòng)/手動(dòng)/半自動(dòng)控制功能有利于故障檢測(cè)和控制系統(tǒng)調(diào)試；將等百分比閥進(jìn)行線(xiàn)性化；當(dāng)工作點(diǎn)接近喘振線(xiàn)時(shí)，閥門(mén)預(yù)置特性打開(kāi)喘振閥進(jìn)行泄壓調(diào)整；如果突然發(fā)生喘振或聯(lián)鎖停車(chē)，用開(kāi)關(guān)量信號(hào)打開(kāi)喘振閥放空。以上功能可以細(xì)分為13個(gè)子功能塊，功能塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，各功能塊的作用如下：

    ?  模塊1 (Surge-Line)：選定喘振算法；TS3000控制算法分兩種：即Pd/Ps～h/Ps喘振算法和 Pd-Ps～h/Ps喘振算法，一般選用Pd/Ps～h/Ps喘振算法；

    ?  模塊2 (Surge-Detect )：檢測(cè)工作點(diǎn)離喘振控制曲線(xiàn)的遠(yuǎn)近情況；

    ?  模塊3 (Recalibrate)：喘振安全域度（即喘振控制曲線(xiàn)與喘振曲線(xiàn)之間的距離）修正，一般域度設(shè)7%～10%；

    ?  模塊4 (Control Line)：生成喘振控制曲線(xiàn)，即喘振曲線(xiàn)加喘振安全域度得到喘振控制曲線(xiàn)；

    ?  模塊5 (Controller Setpoint)：計(jì)算出喘振控制器的設(shè)定值。喘振控制器的設(shè)定值根據(jù)工作點(diǎn)的變化而變化，如工作點(diǎn)位于喘振控制線(xiàn)的右邊，該設(shè)定值與工作點(diǎn)的距離為某一設(shè)定值，一般設(shè)為2%～5%。如果工作點(diǎn)位于喘振控制線(xiàn)的左邊，則與防喘振控制線(xiàn)進(jìn)行高選，來(lái)決定設(shè)定值；

    ?  模塊6 (Controller)：喘振控制器，這是一個(gè)快速PID控制器，根據(jù)喘振控制器的設(shè)定值及當(dāng)前的入口流量來(lái)計(jì)算出喘振器的輸出值；

    ?  模塊7 (Proportional Function)：計(jì)算喘振控制器的比例項(xiàng)輸出值。如工藝擾動(dòng)特別大或其它原因，造成機(jī)組突然喘振，喘振控制器來(lái)不及響應(yīng)，這時(shí)該模塊輸出一個(gè)比例項(xiàng)輸出值來(lái)迅速打開(kāi)放空閥。

    ?  模塊8 (Startup)：計(jì)算機(jī)組起動(dòng)時(shí)的控制邏輯輸出值。在機(jī)組起動(dòng)時(shí)，控制邏輯使放空閥全開(kāi)，使機(jī)組能安全起動(dòng)，防止意外事故的發(fā)生；

    ?  模塊9 (Valve Singal Selector)：選擇防喘振控制程序的輸出值。即在快速PID控制器的輸出值、比例項(xiàng)的輸出值、機(jī)組起動(dòng)時(shí)邏輯控制器的輸出值三者之間進(jìn)行高選；

    ?  模塊10 (Speed Bias)：計(jì)算喘振－速度耦合控制器的值。如果喘振發(fā)生，控制邏輯會(huì)使速度控制器的設(shè)定值增加，使機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，增加入口流量防止喘振。當(dāng)然如果轉(zhuǎn)速升高，機(jī)組的出口壓力升高，有可能繼續(xù)引起喘振，這時(shí)就應(yīng)該解除耦合，實(shí)現(xiàn)解耦控制；

    ?  模塊11 (Auto/Manual)：設(shè)定喘振控制邏輯的手動(dòng)、部分手動(dòng)及自動(dòng)控制功能。如果在手動(dòng)方式，快速PID控制器的輸出值不起作用。如果在部分手動(dòng)方式，快速PID控制器仍然監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行情況，即防喘振控制優(yōu)先；

    ?  模塊12 (Valve Prepare)： 閥門(mén)預(yù)置功能，這一功能用來(lái)提高閥門(mén)的響應(yīng)速度；

    ?  模塊13 (Valve Linearize/Reverse)：進(jìn)行閥門(mén)線(xiàn)性。
以上這些子功能塊可以根據(jù)實(shí)際需要有選擇的進(jìn)行組態(tài)，不需要的功能塊可以不用組態(tài)。

(2)  重要的子模塊的功能與實(shí)現(xiàn)

?  喘振線(xiàn)

功能：根據(jù)輸入的喘振點(diǎn)繪制出喘振線(xiàn)。

輸入?yún)?shù)：

    K1SUMOD： 選擇喘振算法塊的形式。即K1SUMOD為“1”時(shí)，喘振算法采用入口流量差壓與出入口壓力比的形式；為“0”時(shí)采用入口流量差壓與出入口差壓的關(guān)系式。為了簡(jiǎn)潔我們選用壓比算法；

k1YA-k1YE：喘振點(diǎn)縱坐標(biāo)即Pd/Ps（出入口壓力比值）；

k1XA-k1XE：喘振點(diǎn)橫坐標(biāo)即h/Ps（入口流量差壓與入口壓力的比值）。

k1PART：出入口壓力比值（Pd/Ps）。

輸出參數(shù)：

    r1HX：若采用K1SUMOD=1，rHX等于流量差壓與入口壓力的比值h/Ps，若采用K1SUMOD=0，rHX等于流量差壓值h，即當(dāng)前工作點(diǎn)；

    r1SULIN：當(dāng)前工況下對(duì)應(yīng)的喘振點(diǎn)值（% r1HX）。

?  防喘振線(xiàn)的校正

輸入?yún)?shù)：

    k1RECT：防喘振校正的類(lèi)型，為“0”時(shí)，以一個(gè)常數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，為“1”時(shí)，每次以遞增方式校準(zhǔn)；

    k1RCINC：校正值；

    k1RECNO：最多允許校準(zhǔn)次數(shù)；

    r1MAR：實(shí)際操作裕度。

輸出參數(shù)：

    f1INSUR：喘振標(biāo)志。喘振發(fā)生時(shí)，此標(biāo)志為“1”；

    r1ADMAR：喘振發(fā)生時(shí)所調(diào)整防喘振線(xiàn)的總裕度；

    r1RECNO：當(dāng)前校準(zhǔn)次數(shù)；

    r1SURNO：當(dāng)前發(fā)生喘振的總累計(jì)次數(shù)。

當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，存在下列表達(dá)式關(guān)系：

    r1ADMAR（喘振發(fā)生時(shí)所調(diào)整防喘振線(xiàn)的總裕度）= r1ADMAR+ k1RCINC（以常數(shù)k1RCINC校準(zhǔn)防喘振線(xiàn)）；

    r1SURNO（當(dāng)前發(fā)生喘振的總累計(jì)次數(shù)）= r1SURNO+1；

    r1RECNO（當(dāng)前校準(zhǔn)次數(shù)）= r1RECNO+1。

    根據(jù)機(jī)組的性能的實(shí)際要求，設(shè)置最多允許校準(zhǔn)防喘振線(xiàn)10次，每發(fā)生一次喘振，防喘振線(xiàn)向右平移2%。可通過(guò)控制參數(shù)g1MARRS=0，使r1RECNO=0（當(dāng)前校準(zhǔn)次數(shù)）和r1ADMAR=0（喘振發(fā)生時(shí)所調(diào)整防喘振線(xiàn)的總裕度）。

?  防喘振線(xiàn)

輸入?yún)?shù)：

    e1EBIAS：設(shè)置偏置安全裕度；

    e1EPROP：設(shè)置安全裕度比例；

    r1ADMAR：喘振發(fā)生時(shí)所調(diào)整防喘振線(xiàn)的總裕度（模塊3）；

    r1SULIN：當(dāng)前工況下對(duì)應(yīng)的喘振點(diǎn)值。

輸出參數(shù)：

    r1SUCLN：當(dāng)前工況下對(duì)應(yīng)的防喘振線(xiàn)；

    r1MARTL：喘振線(xiàn)調(diào)整的總裕度。

    防喘振控制線(xiàn)等于喘振線(xiàn)加上總的安全校正裕度，見(jiàn)下列表達(dá)式：

    喘振線(xiàn)調(diào)整的總裕度：r1MARTL = e1EBIAS+（r1SULIN* e1EPROP/100）+ r1ADMAR；

    防喘振控制線(xiàn)：r1SUCLN = r1SULIN + r1MARTL。

?  喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)

輸入?yún)?shù)：

    k1HOVER：徘徊設(shè)定值；

    k1HOVERR：徘徊斜坡比例；

    r1SUCLIN：當(dāng)前工況下對(duì)應(yīng)的防喘振點(diǎn)；

    r1HX：當(dāng)前實(shí)際工作點(diǎn)。

輸出參數(shù)：

    r1SUCSP：喘振控制器的設(shè)定值。

    當(dāng)操作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線(xiàn)時(shí)，喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)將徘徊接近工作點(diǎn)r1HX，即以k1HOVERR這個(gè)比率斜坡靠近點(diǎn)r1HX- k1HOVER。點(diǎn)r1HX-k1HOVER與r1SUCLIN（當(dāng)前工況下對(duì)應(yīng)的防喘振點(diǎn)喘的值）經(jīng)過(guò)高選后作為振控制器的最終設(shè)定值，可見(jiàn)喘振控制器的設(shè)定值永遠(yuǎn)不會(huì)小于防喘振點(diǎn)的值，從而保證了所需的防喘振安全裕度。

?  喘振控制器

輸入?yún)?shù)：

    r1SUPB：比例增益；

    r1SUINT：積分時(shí)間；

    r1SUDER：微分時(shí)間；

    k1SURMP：控制器斜坡下降比率值；

    r1SUCSP：控制器的設(shè)定值。；

    rHX：當(dāng)前實(shí)際工作點(diǎn)；
 
    r1MAR：實(shí)際操作裕度；

    r1MARTL：喘振線(xiàn)調(diào)整的總裕度。

輸出參數(shù)：

r1SUCON：控制器的輸出。

    喘振控制器在其他工況下，如同常規(guī)PID控制器，除了在當(dāng)前實(shí)際工作點(diǎn)超過(guò)防喘振控制線(xiàn)的跨度大于適配增益區(qū)設(shè)定值這種工況，此時(shí)調(diào)節(jié)比例增益將成倍增大，積分項(xiàng)成倍減弱，調(diào)節(jié)器輸出迅速增大，快速開(kāi)啟防喘振閥，阻止工作點(diǎn)繼續(xù)左移，即喘振控制器的快開(kāi)特性。當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)已經(jīng)逐漸向右移到正常工作區(qū)時(shí)，此時(shí)調(diào)節(jié)器輸出值將與控制器斜坡下降比率值高選結(jié)果作為調(diào)節(jié)器的輸出，防喘振閥將以每秒不大于kSURMP的值逐步慢關(guān)，（在該系統(tǒng)中防喘振閥慢關(guān)速率每秒鐘不大于3%），這就是喘振控制器的慢關(guān)特性，如圖3所示。

圖3  喘振控制器的慢關(guān)特性