CN105201807A - 一种基于压力差和流量控制的压缩机运行控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节方法，包括：压缩机出入口压力差设定步骤、压缩机入口压力测量步骤、压缩机出口压力测量步骤、压缩机出入口压力差自动控制步骤、压缩机出入口压差调节执行步骤、压缩机出口侧管道压力设定步骤、压缩机出口侧管道压力测量步骤、压缩机出口侧管道压力自动控制步骤、调节变频器步骤和运行结果显示步骤。本发明还提供了一种基于压力差和流量控制的压缩机优化运行装置。上述方法和装置能够帮助化工企业在生产过程中优化压缩机运行，自动克服在流量减少到一定程度时压缩机发生的一种非正常工况下的振动，消除由于振动引起管道、机器及其基础共振时对安全生产所带来的巨大风险。

Description

一种基于压力差和流量控制的压缩机运行控制方法和装置

技术领域

本发明涉及化工、冶金、制造等领域，特别是涉及一种基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节方法和装置。

背景技术

压缩机运转中可能出现的异常振动会对安全生产带来巨大的风险。分析这种异常振动现场产生的原因如下：流量减小到最小值时出口压力会突然下降，下游管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出口压力升高重新向管道输送介质为止；当管道中的压力恢复到原来的压力时,流量再次减少,管道中介质又产生倒流，如此周而复始。

以离心式压缩机为例，进口压力或流量瞬间降低，低过最低允许工况点时，压缩机内的气体由于流量发生变化会出现严重的旋转脱离形成突变失速，这时叶轮不能有效提高气体的压力，导致机出口压力降低；但是系统管网的压力没有瞬间相应地降下来，从而发生气体从系统管网向压缩机倒流；当系统管网压力降至低于机出口压力时，气体又向系统管网流动。如此反复，使机组与管网发生周期性的轴向低频大振幅的气流振荡现象。

这种异常振动的出现，会造成出口压力和进口流量明显降低并产生大幅度波动；气流的强烈脉动引发激振，使转子、轴承、壳体、出口管线都会发生振动；噪音由原连续变为周期性且分贝显著上升，甚至有爆音出现；强烈的振动引起轴承、密封的损坏，严重时将损坏转子甚至震碎轴瓦造成安全事故。

图1示出了现有技术中压缩机的工作流程，在该工作流程下若想预防异常振动的发生，全过程需专人实时监控，在异常发生时采取人工干预，使得操作人员劳动强度大、生产效率低，尤其在夜班操作人员比较疲劳的情况下容易引发安全事故。

发明内容

基于上述现有技术存在的缺陷，需要提供一种基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节方法和装置，以便彻底根除异常振动情况下压缩机轴瓦震碎崩出可能危及现场操作人员人身安全的隐患，同时降低操作工人的劳动强度。

为解决上述技术问题，作为本发明的第一个方面，提供了一种基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节方法，该方法包括以下步骤：

压缩机出入口压力差设定步骤，根据设备安全运行要求确定压缩机出入口压力差设定值SV1；

测量步骤，测量压缩机入口压力实际值PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3；

压缩机出入口压力差自动控制步骤，根据所述压缩机出入口压力差设定值SV1和测得的压缩机出入口压力差PV，通过反馈算法给出一个压缩机出入口压力差控制值CV1；

压缩机出入口压差执行步骤，调节压缩机出口旁路回流量，实现所述压缩机出入口压力差控制值CV1；

压缩机出口侧管道压力设定步骤，根据工艺要求确定压缩机出口侧管道压力设定值SV2；

压缩机出口侧管道压力自动控制步骤，根据所述压缩机出口侧管道压力设定值SV2和测得的所述压缩机出口侧管道压力实际值PV3，通过反馈算法给出压缩机出口侧管道压力控制值CV2，以控制压缩机出口侧管道压力达到设定值SV2；

调节变频器步骤，根据自动控制步骤计算结果通过调节变频器改变压缩机转速，实现所述压缩机出口侧管道压力控制值CV2。

还可以进一步包括运行结果显示步骤，适时显示所述压缩机入口压力实际PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3、压缩机出入口压力差设定值SV1、压缩机出口侧管道压力设定值SV2。

作为本发明的第二个方面，还提供了一种基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节装置，该装置包括：

压缩机出入口压力差设定模块，用于接受压缩机出入口压力差设定值的输入；

压缩机入口压力测量模块，用于测量压缩机入口的实际压力；

压缩机出口压力测量模块，用于测量压缩机出口的实际压力；

压差反馈控制算法模块，通过反馈控制算法使得压缩机出入口压力差的实际值达到设定值并建立新的动态平衡；

执行模块，通过调节压缩机出口旁路回流量控制压缩机出入口压力差；

压缩机出口侧管道压力设定模块，用于接受压缩机出口侧管道压力设定值的输入；

压缩机出口侧管道压力测量模块，用于测量压缩机出口侧管道的实际压力；

压力反馈控制算法模块，通过反馈控制算法使得压缩机出口侧管道压力的实测值达到设定值并建立新的动态平衡；

变频调节模块，通过调节变频器改变压缩机转速实现压缩机出口侧管道压力控制。

运行结果显示模块，用于实时显示压缩机出入口压力实际测量值和压差设定值、压缩机出口侧管道压力设定值和实际测量值的变化趋势。

本发明克服了现有技术用人工方法实时跟踪压缩机运行状态并通过手动调节，如果稍有疏忽会造成安全事故的缺陷，通过控制压缩机出入口压力差保持压缩机旁路中的最小安全流量，同时通过稳定压缩机出口主管道内介质的流量，从根本上解决由于机组与管道间发生周期性的气流往复振荡现象使得压缩机出现异常振动的情况。

附图说明

图1给出了现有技术中采用人工操作控制压缩机的示意图；

图2给出了本发明的基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节方法和装置总体示意图；

图3给出了本发明的基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节方法的优选实施示意图；以及

图4给出了本发明的基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节装置的优选实施示意图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的控制方法和装置的较一般的实施方式。如图所示，图3所示，根据本发明的控制方法包括以下步骤：

压缩机出入口压力差设定步骤，根据设备安全运行要求设定压缩机出入口压力差；

测量步骤，测量压缩机入口压力实际值、出口压力实际值和压缩机出口侧管道压力实际值；

压缩机出入口压力差自动控制步骤，根据实际测量结果计算压缩机出入口压力差，并自动控制压力差达到设定值；

压缩机出入口压差调节执行步骤，根据自动控制步骤计算结果调节压缩机出口旁路回流量，实现压缩机出入口压力差控制；

压缩机出口侧管道压力设定步骤，根据工艺要求设定压缩机出口侧管道压力；

压缩机出口侧管道压力自动控制步骤，根据实际测量结果自动控制压缩机出口侧管道压力达到设定值；

调节变频器步骤，根据自动控制步骤计算结果通过调节变频器改变压缩机转速实现压缩机出口侧管道压力控制，即压缩机出口侧管道流量控制；

运行结果显示步骤，动态显示压缩机出入口压力实际测量值和压差设定值、压缩机出口侧管道压力设定值和实际测量值。

通常情况下，在实施本发明时，上述压缩机出入口压力差设定步骤、测量步骤、压缩机出入口压力差自动控制步骤、压缩机出入口压差调节执行步骤、压缩机出口侧管道压力设定步骤、压缩机出口侧管道压力自动控制步骤、调节变频器步骤和运行结果显示步骤均在分布式控制系统中自动完成。根据设备安全运行和实际生产工艺要求分别输入压缩机出入口压力差和压缩机出口侧管道压力的设定值后，当自动检测到流量瞬间发生波动后，最为关键的一步是通过压差反馈算法保持压缩机旁路中的最小流量，再基于压缩机出口侧管道压力测量结果通过压力反馈控制算法使得主管道压力稳定在设定值，即维持主管道流量稳定，完成克服流量瞬时波动后动态平衡的建立。通过控制压缩机出入口压力差保持压缩机旁路中的最小安全流量，同时通过稳定压缩机出口主管道内介质的流量，从根本上解决由于机组与管道间发生周期性的气流往复振荡现象使得压缩机出现异常振动的情况。通过上述方法和装置，能够避免压缩机组发生周期性的轴向低频、大振幅气流振荡现象的发生，利用自动控制技术最大限度地保护压缩机组轴瓦安全，彻底根除共振情况下压缩机轴瓦震碎崩出可能危及现场操作人员人身安全的隐患。

图3示出根据本发明的控制方法的具体实施方式，如图所示，其包括：压缩机出入口压力差设定步骤，根据设备安全运行要求确定压缩机出入口压力差设定值SV1；测量步骤，测量压缩机入口压力实际值PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3；压缩机出入口压力差自动控制步骤，根据所述压缩机出入口压力差设定值SV1和测得的压缩机出入口压力差PV，通过反馈算法给出一个压缩机出入口压力差控制值CV1；压缩机出入口压差执行步骤，调节压缩机出口旁路回流量，实现所述压缩机出入口压力差控制值CV1；压缩机出口侧管道压力设定步骤，根据工艺要求确定压缩机出口侧管道压力设定值SV2；压缩机出口侧管道压力自动控制步骤，根据所述压缩机出口侧管道压力设定值SV2和测得的所述压缩机出口侧管道压力实际值PV3，通过反馈算法给出压缩机出口侧管道压力控制值CV2，以控制压缩机出口侧管道压力达到设定值SV2；调节变频器步骤，根据自动控制步骤计算结果通过调节变频器改变压缩机转速，实现所述压缩机出口侧管道压力控制值CV2；运行结果显示步骤，适时显示所述压缩机入口压力实际PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3、压缩机出入口压力差设定值SV1、压缩机出口侧管道压力设定值SV2。

本实施例中，所使用的反馈算法优选是闭环反馈算法。测量步骤中，用于检测压缩机出口压力的检测点优选位于压缩机出口旁路与管道的连接点之前，用于检测压缩机出口侧管道压力的检测点优选位于压缩机出口旁路与管道连接点之后。

所述的压缩机出入口压差调节执行步骤，通过调节压缩机出口旁路回流量实现压缩机出入口压力差自动控制是按照如下方式实现的：

压缩机出入口压差等于压缩机出口压力测量减去压缩机入口压力测量；

将压缩机出入口压差与压差设定值进行比较，通过闭环反馈控制算法，以自动改变压缩机出口旁路回流量的方法实时调整压力差，以达到保持压缩机出入口压力差恒定在设定值的要求。

本实施例中，压缩机出入口压差调节执行步骤是通过调节压缩机出口旁路回流量实现压缩机出入口压力差自动控制。具体而言，将压缩机出入口压差与压差设定值进行比较，通过闭环反馈控制算法，以自动改变压缩机出口旁路回流量的方法实时调整压力差，以达到保持压缩机出入口压力差恒定在设定值的要求。另外，压缩机出口侧管道压力自动控制步骤是通过闭环反馈控制算法，根据压缩机出口侧管道实际压力作为调节变频器的依据。具体而言，是将压缩机出口侧管道压力与压力设定值进行比较，通过闭环反馈控制算法，以调节变频器来改变压缩机转速，实现压缩机出口侧管道压力控制，以达到保持压缩机出口侧管道压力恒定在设定值的要求。

更进一步地，上述调节变频器步骤，压缩机出口侧管道压力变化最终表征为压缩机出口侧管道内介质流量发生变化。

作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种基于压力差和流量控制的压缩机优化运行调节，参见图2和图4所示，该装置包括：

压缩机出入口压力差设定模块，用于接受压缩机出入口压力差设定值的输入；

压缩机入口压力测量模块，用于测量压缩机入口压力实际值PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3；

压差反馈控制算法模块，通过反馈控制算法使得压缩机出入口压力差的实际值达到设定值并建立新的动态平衡；

执行模块，通过调节压缩机出口旁路回流量控制压缩机出入口压力差；

压缩机出口侧管道压力设定模块，用于接受压缩机出口侧管道压力设定值的输入；

压缩机出口侧管道压力测量模块，用于测量压缩机出口侧管道的实际压力；

压力反馈控制算法模块，通过反馈控制算法使得压缩机出口侧管道压力的实测值达到设定值并建立新的动态平衡；

变频调节模块，通过调节变频器改变压缩机转速实现压缩机出口侧管道压力控制。

运行结果显示模块，用于实时显示压缩机出入口压力实际测量值和压差设定值、压缩机出口侧管道压力设定值和实际测量值的变化趋势。

进一步地，上述压缩机入口压力测量模块，即压缩机的实际入口压力，将输出至反馈控制算法模块，用于计算压缩机出入口压力差。

更进一步地，上述压缩机出口压力测量模块，即压缩机的实际出口压力，将输出至反馈控制算法模块，用于计算压缩机出入口压力差。

更进一步地，上述压差反馈控制算法模块，通过调节反馈控制算法中的比例、积分和微分相关参数，使得压缩机出入口压力差达到设定值并建立动态平衡。

更进一步地，上述执行模块，通过将维持压缩机出入口压力差的计算结果转化为被现场压缩机出口旁路回流量调节阀所接受的电信号，现场调节阀接收到该信号后给出相应的阀开度从而保证压缩机旁路中的介质流量满足保持压差设定值的要求。

更进一步地，上述压缩机出口侧管道压力测量模块，其测量结果，即压缩机的出口侧实际管道压力，将输出至反馈控制算法模块，用于建立动态平衡。

更进一步地，上述压力反馈控制算法模块，通过调节反馈控制算法中的比例、积分和微分相关参数，使得压缩机出口侧管道压力到设定值并建立动态平衡。

更进一步地，上述变频调节模块，通过将维持压缩机出口侧管道压力的计算结果转化为被现场压缩机出口侧管道流量调节阀所接受的电信号，现场调节阀接收到该信号后给出相应的阀开度从而保证压缩机出口侧管道流量满足保持管道压力设定值的要求。

上述压缩机出入口压力差设定模块、压缩机入口压力测量模块、压缩机出口压力测量模块、压差反馈控制算法模块、执行模块、压缩机出口侧管道压力设定模块、压缩机出口侧管道压力测量模块、压力反馈控制算法模块、变频调节模块和运行结果显示模块，均基于分布式控制系统实现相关功能。

在化工生产过程中，压缩机运行过程中会遇到如下异常工况：当转速一定，压缩机的进料减少到一定的值，造成叶道中气体的速度不均匀和出现倒流，当这种现象扩展到整个叶道，叶道中的气流通不出去，造成压缩机级中压力突然下降，而级后相对较高的压力将气流倒压回级里，级里的压力又恢复正常，叶轮工作也恢复正常，重新将倒流回的气流压出去。此后，级里压力又突然下降，气流又倒回，这种现象重复出现，压缩机工作不稳定，这种现象称为喘振现象。传统工作方式下为了预防压缩机发生喘振，全过程需专人实时监控，在异常发生时采取人工干预压缩机出口旁路回流和管道流量，使得操作人员劳动强度大、生产效率低，尤其在夜班操作人员比较疲劳的情况下容易引发安全事故。这种传统操作方式，会对化工生产带来巨大安全隐患。

本发明自动克服了在流量减少到一定程度时压缩机发生共振的异常工况，消除由于振动引起管道、机器及其基础共振时对安全生产所带来的巨大风险。通过上述方法和装置，能够避免压缩机组发生周期性的轴向低频、大振幅气流振荡现象的发生，利用自动控制技术最大限度地保护压缩机组轴瓦安全，彻底根除共振情况下压缩机轴瓦震碎崩出可能危及现场操作人员人身安全的隐患。

本发明可基于分布式控制系统，即DCS系统，实现压缩机出入口压力差设定和根据压缩机入口压力、出口压力测量值的压力差实时计算，从而在DCS系统中实现基于压差反馈控制算法的压缩机出入口压力差控制；同理，还可实现压缩机出口侧管道压力设定和压缩机出口侧管道压力实时测量，从而在DCS系统中实现基于压力反馈控制算法的压缩机出口侧管道流量控制。

本实施例可使得压缩机在流量突然下降的异常工况下保持其旁路最小回流量从而维持其出入口安全压力差，且同步完成管道中流量的快速稳定，其过程不再需要任何人工干预。进一步地，还可在DCS系统中实现压缩机出入口压力实际测量值和压差设定值、压缩机出口侧管道压力设定值和实际测量值变化趋势的实时跟踪显示。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、单元、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、单元、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明的范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压力差和流量控制的压缩机运行控制方法，其特征在于，包括：

压缩机出入口压力差设定步骤，根据设备安全运行要求确定压缩机出入口压力差设定值SV1；

测量步骤，测量压缩机入口压力实际值PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3；

压缩机出入口压力差自动控制步骤，根据所述压缩机出入口压力差设定值SV1和测得的压缩机出入口压力差PV，通过反馈算法给出一个压缩机出入口压力差控制值CV1；

压缩机出入口压差执行步骤，调节压缩机出口旁路回流量，实现所述压缩机出入口压力差控制值CV1；

压缩机出口侧管道压力设定步骤，根据工艺要求确定压缩机出口侧管道压力设定值SV2；

压缩机出口侧管道压力自动控制步骤，根据所述压缩机出口侧管道压力设定值SV2和测得的所述压缩机出口侧管道压力实际值PV3，通过反馈算法给出压缩机出口侧管道压力控制值CV2，以控制压缩机出口侧管道压力达到设定值SV2；

调节变频器步骤，根据自动控制步骤计算结果通过调节变频器改变压缩机转速，实现所述压缩机出口侧管道压力控制值CV2。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括运行结果显示步骤，适时显示所述压缩机入口压力实际PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3、压缩机出入口压力差设定值SV1、压缩机出口侧管道压力设定值SV2。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的压缩机出入口压力差自动控制步骤和/或所述压缩机出口侧管道压力自动控制步骤是采用闭环反馈控制算法。

4.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，压缩机出口侧管道压力变化最终表征为压缩机出口侧管道内介质流量发生变化。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，用于检测压缩机出口压力的检测点是位于压缩机出口旁路与管道连接点之前。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，用于检测压缩机出口侧管道压力的检测点必须位于压缩机出口旁路与管道连接点之后。

7.一种基于压力差和流量控制的压缩机运行控制装置，其特征在于，该装置包括：

压缩机出入口压力差设定模块，用于根据设备安全运行要求确定压缩机出入口压力差设定值SV1；

测量模块，用于测量压缩机入口压力实际值PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3；

压差反馈控制算法模块，用于根据所述压缩机出入口压力差设定值SV1和测得的压缩机出入口压力差PV，通过反馈算法给出一个压缩机出入口压力差控制值CV1；

执行模块，用于调节压缩机出口旁路回流量，实现所述压缩机出入口压力差控制值CV1；

压缩机出口侧管道压力设定模块，用于根据工艺要求确定压缩机出口侧管道压力设定值SV2；

压力反馈控制算法模块，用于根据所述压缩机出口侧管道压力设定值SV2和测得的所述压缩机出口侧管道压力实际值PV3，通过反馈算法给出压缩机出口侧管道压力控制值CV2，以控制压缩机出口侧管道压力达到设定值SV2；

变频调节模块，用于根据自动控制步骤计算结果通过调节变频器改变压缩机转速，实现所述压缩机出口侧管道压力控制值CV2。

运行结果显示，用于实时显示压缩机出入口压力实际测量值和压差设定值、压缩机出口侧管道压力设定值和实际测量值的变化趋势。

8.权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括运行结果显示模块，用于适时显示所述压缩机入口压力实际PV1、出口压力实际值PV2、压缩机出口侧管道压力实际值PV3、压缩机出入口压力差设定值SV1、压缩机出口侧管道压力设定值SV2。

9.权利要求7所述的装置，其特征在于，所述执行模块，通过将维持压缩机出入口压力差的计算结果转化为被现场压缩机出口旁路回流量调节阀所接受的电信号，现场调节阀接收到该信号后给出相应的阀开度，确保压缩机旁路中的介质流量满足保持压差设定值的要求。

10.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，所述变频调节模块，通过将维持压缩机出口侧管道压力的计算结果转化为被现场压缩机出口侧管道流量调节阀所接受的电信号，现场调节阀接收到该信号后给出相应的阀开度从而保证压缩机出口侧管道流量满足保持管道压力设定值的要求。