CN105370629B - Pta装置用能量回收控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及PTA装置用能量回收控制方法，其特征在于包括以下步骤：测量压缩机的入口、出口温度，入口、出口压力以及出口流量；将孔板差压转换为入口流量的平方qr2作为防喘振曲线的横坐标；根据压缩机出、入口的压力转换为压比Rc作为防喘振曲线的纵坐标；根据入口流量的平方qr2、压比Rc得到动态防喘振控制曲线；根据动态防喘振控制曲线，得到工作点至喘振点的距离d，再根据设定的安全裕度b计算出DEV值即DEV＝d‑2b；根据DEV值对能量回收阀进行控制。本发明将防喘振控制方法来控制能量回收阀，满足压缩机可靠运行，具有极高的稳定性能。压缩机的工作点紧随防喘振线附近，使机组效率发挥最大化，使阀门通常处于完全关闭状态，保证能源的利用而不流失。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量回收阀的控制方法，具体涉及一种PTA装置用的压缩机外接的能量回收阀的控制方法。
背景技术
空压机组是PTA装置的核心设备，它除了承担输送大量空气的任务外，还需承担装置能量平衡和尾气利用的功能。压缩机运行参数中有压缩机各段间的温度、压力、振动、密封气量、润滑油压力、汽轮机的转速。
如图1所示PTA装置中压缩机的系统原理图，空气经过空气过滤器送入，然后经过压缩机入口导叶进入，压缩机的入口导叶可调节，不同导叶角度对应不同风量，压力特性曲线，空气在压缩机中经过四级压缩增压后从压缩机出口向氧化反应流程送风，当压缩机运行点触到防喘振线后，防喘振控制调节器开始激活，防喘振阀根据防喘振控制调节器输出控制信号CV确定防喘振阀开度进行放空，放风运行，最终使得压缩机运行点远离防喘振控制线回到安全区域。
PTA装置中压缩机生产是以风量、压力为基准，是在定压力1.492MPaA操作状态下,反应流程取决于风压大小。根据离心式压缩机固有特性，当用户管网阻力增大到某值时，空压机流量下降很快，当下降到一定程度时，就会出现整个空压机管网的气流周期性的振荡现象，压力和流量发生脉动，同时发出异常噪声，即发生喘振，整个空压机组受到严重破坏，因此空压机严禁在喘振区运行。当压缩机出口压力达到一定压力时，并且还没进入反应流程阶段，此时，是一种能源浪费。
能量回收阀是在开车阶段，将具有一定压力的空气，经过能量回收阀和膨胀机入口导叶使膨胀机做功，待反应流程产生的尾气达到设计压力后，打开膨胀机入口切断阀，此时能量回收阀会以一定的速率快速关闭。
现有能量回收阀控制是根据操作员的经验，手动控制。这样，需要多个操作员协调控制各种相关阀门，时间长，人员多，且能量回收的效果不好，以致于失去了能量回收的意义，能源极大地浪费。
发明内容
本发明目的是提供一种可以建立动态防喘振曲线、实现适应各个温度、压力环境下的能量回收控制方法，以克服上述缺陷。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：PTA装置用能量回收控制方法，在压缩机的输出端与膨胀机一级入口导叶之间设置能量回收阀，控制能量回收阀包括以下步骤：
1)测量压缩机的入口、出口温度，入口、出口压力以及出口流量；
2)将孔板差压转换为入口流量的平方qr2作为防喘振曲线的横坐标；
3)根据压缩机出、入口的压力转换为压比Rc作为防喘振曲线的纵坐标；
4)根据入口流量的平方qr2、压比Rc得到动态防喘振控制曲线；
5)根据动态防喘振控制曲线，得到工作点至喘振点的距离d，再根据设定的安全裕度b计算出DEV值即DEV＝d-2×b；根据DEV值对能量回收阀进行控制。
所述动态防喘振控制曲线通过下式得到：
Ss＝qr2(,sll)/qr2(,op)
其中，qr2(,sll)为喘振点的流量平方，qr2(,op)为正常运行点的流量平方，分别利用下式得到：
qr2＝(△Po,d*Pd/Ps2*Ts/Td)/Ps；
其中△Po,d为喘振点/正常运行点的出口差压，Td为喘振点/正常运行点的出口温度；Pd为喘振点/正常运行点的压缩机出口压力，Ps为喘振点/正常运行点的压缩机入口压力，Ts为喘振点/正常运行点的压缩机入口气体温度。
所述根据DEV值对能量回收阀进行控制包括：
当DEV值小于零时，控制能量回收阀以设定的速率打开阀门；
当DEV值等于零时，控制能量回收阀保持当前阀门开度；
当DEV值大于零时，控制能量回收阀以设定的速率关闭阀门。
当DEV与2×b的和超过阈值时，控制能量回收阀、冷空气入口阀在若干秒内关闭。
在压缩机的输出端通过并联的两个防喘振阀放空；根据DEV值即DEV＝d-b 对防喘振阀进行控制，包括：
当DEV值小于零时，控制防喘振调节阀以设定的速率打开阀门直至全开；
当DEV值等于零时，防喘振调节阀保持当前阀门开度；
当DEV值大于零时，控制防喘振调节阀以设定的速率关闭阀门直至全关。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明建立了动态防喘振控制曲线，实现不同温度、压力环境状态下的防喘振控制，满足压缩机可靠运行，具有极高的稳定性能。
2.本发明的防喘振采用两个调节阀，均带有电磁阀，能够实现快开慢关功能，且防喘振控制能够平稳，快速调节达到保护压缩机组的作用。
3.本发明的防喘振控制扫描周期在20ms(毫秒)内执行，时间短，速度快，能更好地控制阀门，以保证机组长期稳定地连续运行。
4.本发明是压缩机的工作点紧随防喘振线附近，使机组效率发挥最大化，使阀门通常处于完全关闭状态，保证能源的利用而不流失。
5.本发明在防喘振阀的作用下，随着温度、压力环境的不同能极好地发挥能量回收的作用，快更好地节约能源。
6.本发明的能量回收阀通过防喘振控制，能够为了更好地发挥能量回收的作用，节省能源，同时又要保护压缩机组的安全性。
7.能量回收阀在防喘振调节阀开/闭前进行开/闭，在压缩机出口气体进入反应流程以前，使带有足够压力的空气进入膨胀机做功，不至于浪费能源，同时又节省了蒸汽用量。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的防喘振控制流程图；
图3为本发明的防喘振控制曲线图一；
图4为本发明的防喘振控制曲线图二；
其中，1汽轮机，2减速机，3压缩机，4膨胀机，11能量回收阀，12冷空气入口阀，13膨胀机入口切断阀，14压缩机入口导叶,15膨胀机一级入口导叶， 16膨胀机二级入口导叶，17第一防喘振调节阀，18第二防喘振调节阀，21空气入口过滤器，110第一联轴器，120第二联轴器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括汽轮机1、减速机2、压缩机3、膨胀机4和辅机系统，组成压缩机组；其中，汽轮机1通过第一联轴器110与减速机2连接组成驱动源机组；减速机2通过第二联轴器120与压缩机3组成汽轮机驱动压缩机组；压缩机3通过第二联轴器120与膨胀机4组成膨胀机驱动压缩机组；所述汽轮机和膨胀机是通过两个联轴器连接的，两者共用辅机系统完成装置蒸汽动力平衡。
所述辅机系统包括能量回收阀11、冷空气入口阀12、膨胀机入口切断阀13、压缩机入口导叶14、膨胀机一级入口导叶15、膨胀机二级入口导叶16、第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18、空气入口过滤器21。
能量回收阀11的入口连接压缩机3的输出端，能量回收阀11的出口连接通过膨胀机一级入口导叶15进入膨胀机。所述冷空气入口阀12与能量回收阀并联且出、入口方向相同。能量回收阀11是在机组启动过程中，当压缩机出口气体压力达到一定值时，通过该阀进入膨胀机组进行做功，以减少汽轮机做功，从而减少蒸汽进气量；冷空气入口阀12是膨胀机在启动过程中，通过该阀使冷空气进入膨胀机，防止膨胀机发热，保护膨胀机。
尾气入口切断阀13入口连接尾气，尾气入口切断阀13的出口经过膨胀机一级入口导叶15进入膨胀机4。尾气入口切断阀13是当尾气压力达到一定值时，打开该阀，使尾气进入膨胀机做功。
压缩机入口导叶调节阀14连接到压缩机3的入口，外部空气经过空气入口过滤器21后，再经过压缩机的入口导叶14进入压缩机3。压缩机入口导叶14 是通过改变压缩机入口导叶的角度来调节压缩机的流量和压力的。空气入口过滤器21是过滤入口空气用的，防止杂质进入压缩机组。
所述膨胀机一级入口导叶15连接到膨胀机4的入口，能量回收阀11、冷空气入口阀12、尾气入口切断13，通过管路连接到膨胀机一级入口导叶15的输入端。所述膨胀机二级入口导叶16连接到膨胀机4的二级入口，通过管路连接到膨胀机二级入口导叶16的输入端。膨胀机一级入口导叶15是通过改变膨胀机一级入口导叶的角度来调节膨胀机的一段入口压力的；膨胀机二级入口导叶 16是通过改变膨胀机二级入口导叶的角度来调节膨胀机的二段入口压力的。
其中，压缩机入口导叶14、膨胀机一级入口导叶15、膨胀机二级入口导叶 16均由中控系统控制实现开闭。能量回收阀11、冷空气入口阀12、第一补气阀9、第二补气阀10、第一防喘振调节阀17、第二防喘振调节阀18、膨胀机入口切断阀13、速关阀19、主汽门调节阀20均带有电磁阀，上述阀门能够实现迅速开闭功能。启动蒸汽调节阀8不带电磁阀，只能调节，不能实现迅速开闭功能。
第一防喘振调节阀17和第二防喘振调节阀18为型号参数完全相同的阀门，均连接压缩机3的输出端，经过防喘振调节阀17进行放空。防喘振调节阀17、 18是防止压缩机喘振用的，根据压缩机性能曲线，当压缩机的工作点进入到防喘振线时，打开阀门，压缩机出口压力下降，流量增加使压缩机不发生喘振。
本发明采用防喘振控制的方法控制能量回收阀。
参见图2本发明的压缩机的防喘振控制系统包括：传感器模块，用于测量出口的温度、压力、差压，及入口的温度、压力；简化流量的平方的转换模块，用于将孔板差压转换为简化流量的平方；动态防喘振控制模块，用于根据所述入口处的温度、压力、出口处的温度、压力、流量和压缩机的静态喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线，然后，根据压比和转化流量的平方，输入到防喘振调节器进行控制；防喘振调节器用于根据所述防喘振控制压比和所述传感器模块输入的出、入口压力，温度，差压，输出防喘振控制信号；执行机构，用于根据所述防喘振调节器输出的防喘振控制信号调节所述压缩机工作的正常运行点。流量、压力、温度经处理变为标准流量，供显示用。
本发明不同于一般压缩机组的防喘振控制，用横、纵坐标值(流量、压力) 显示来控制防喘振阀的开度，而是引入一个偏差参数DEV的正负值来控制防喘振阀的开度。
如图3所示，静态防喘振控制线是不随温度、压力参数变化而变化，喘振线是以流量为横坐标，以压力为纵坐标，根据特性曲线上喘振点集合构成的一条曲线，按照物理本质经过温度、压力补偿；用简化流量的平方和简化压头，经过多变压缩指数处理得到动态防喘振控制曲线，命名为Ss＝1为喘振线，当Ss<1 时为安全操作区域，当Ss>1时为喘振区域。为了监控画面方便显示，引进了偏差DEV,DEV＝0为喘振线，当DEV>0时为安全操作区域，当DEV<0时为喘振区域。
基于这个动态防喘振线的防喘振控制方法无疑是一种精确的控制方法。以前由于种种原因，防喘振控制是以某一流量、压力变化而控制，这种比较粗放的防喘振控制做法，在如今越来越重视效率、节能越显得不合时宜，我们这种动态防喘振方案弥补了这一缺憾，控制更精确。
根据上述特性，对压缩机的防喘振控制功能设计了阶梯响应RTL控制线，喘振线SLL，防喘振控制线SCL,安全线(SOL)，如图4所示。
其中喘振线SLL是根据机组性能曲线设定的，防喘振控制线SCL是根据喘振线SLL加上裕度b设定的,阶梯响应RTL控制线是根据喘振线SLL加上一定裕度(该系统为0.15)设定的，安全线(SOL)是根据喘振线SLL减去裕度(该系统为0.1)设定的。它们均可以根据温度变化而变化，实现动态防喘振控制。防喘振控制系统保证压缩机组运行工况点处于安全区域。
下面结合具体实施对本发明的防喘振控制方法进一步说明:
第1步，测量压缩机的入口温度43℃，出口温度107℃，入口压力98.07KPaA, 出口压力1.492MPaA，出口流量209000Nm3/h；
第2步，防喘振曲线横坐标的计算，即将孔板差压转换为入口简化流量的平方qr2。
其中，Ru为通用气体常数，R为特定气体常数，MW为气体分子量，Ps 为入口压力，Δpo.s为通过测量元件的差压，Ts 为压缩机入口气体温度， Zs为压缩机入口气体的压缩因子；Z和T分别等于Zs和Ts ；
qr2＝(△Po,d*Pd/Ps2*Ts/Td)/Ps； (2)
其中△Po,d为出口差压，无论流量计安装在入口还是出口，最终参与防喘振控制的要转换为入口差压，再转换为简化流量的平方。Td为出口温度。
第3步，根据压缩机出、入口的压力转换为压比Rc。
Rc＝Pd/Ps (3)
其中，Pd为压缩机出口压力，Ps为压缩机入口压力。
第4步，根据出、入口处的温度压力，通用、特定气体常数，气体分子量入口气体的压缩因子，测量元件的差压，计算动态防喘振控制曲线；
Ss＝qr2(,sll)/qr2(,op) (4)
其中，qr2(,sll)为喘振点的流量平方，qr2(,op)为正常运行点的流量平方，均通过公式(2)得到，公式(2)中各参数也分别为喘振点和正常运行点的参数。
第5步，根据防喘振控制曲线，引进工作点至喘振点的距离d，再根据安全裕度计算出一个值(DEV)，当这个值小于零、或大于零时，输出防喘振控制信号；
d＝1-Ss
DEV＝d-b
其中，b为安全裕度,根据机组性能设定，一般为0.2-0.3,该点所对应流量的百分数是：((1/qrt(1-b))-1)*100。
膨胀机入口切断阀13关闭时，控制防喘振调节阀17、18不仅起到保护压缩机组的作用，同时，还使能源回收利用，节省蒸汽用量。
当DEV值小于零时，控制防喘振调节阀17、18进行PID调节，打开阀门直至100％全开(本实施例采用比例P＝1,积分I＝4进行PID调节，并且PID控制的输出使阀门的动作随着P、I的增大而加快)。
当DEV值等于零时，防喘振调节阀17、18保持当前开度；
当DEV值大于零时，控制防喘振调节阀17、18同时以设定的速率(本实施例采用约2％/s)关闭阀门直至全关；
如图3所示，表一为喘振点的特性曲线的相关参数，计算如下：
表一
| Point | ① | ② | ③ | ④ | ⑤ | ⑥ |
| X1 | 14.2046 | 14.9694 | 15.4180 | 15.7036 | 15.9381 | 16.0197 |
| f1 | 5.8871 | 8.6107 | 10.9747 | 13.6650 | 17.0297 | 18.3262 |
如图4所示，工作点到达喘振线(SLL)或者在喘振线的左侧，就代表机组发生了喘振，此时的偏差值DEV小于零。工作点在防喘振线(SCL)左侧、喘振线右侧的时候处于调节保护状态，PID将打开防喘振阀来保护压缩机组，如果工作点仍然继续深入靠左，就会触发RT响应(阶跃响应)，RT响应期间会导致阀门每隔一段时间(可修改)就会打开一定角度(角度大小可修改)，如果RT响应都不能阻止工作点继续靠近安全线(SOL)，就会触发SO响应(安全响应)， SO响应直接使防喘振阀门开到100％，也就是全开。
防喘振调节阀根据动态防喘振控制曲线中工作点与防喘振线的偏差作为参考值进行PID控制；
能量回收阀11在防喘振调节阀17、18开/闭前进行开/闭，具体为：DEV＝d-2 ×b，d为动态防喘振控制曲线中工作点至喘振点的距离，b为设定的安全裕度；
当DEV值小于零时，控制能量回收阀11进行PID调节，打开阀门直至100％全开(本实施例采用比例P＝1,积分I＝4进行PID调节，并且PID控制的输出使阀门的动作随着P、I的增大而加快)。
当DEV值等于零时，控制能量回收阀11保持当前阀门开度；
当DEV值大于零时，控制能量回收阀11以设定的速率(本实施例采用约 2％/s)关闭阀门阀门直至全关；
能量回收阀11根据动态防喘振控制曲线中工作点与防喘振线裕度的2倍的偏差作为参考值进行PID控制；
第6步，根据防喘振控制信号控制执行机构(防喘振阀的开度)放空，使压缩机工作在正常运行点中。
所述压缩机入口导叶14根据压缩机出口压力对阀开关角度进行PID控制。
为了避免经能量回收阀进入膨胀机4入口的压缩机出口气体，与经反应流程进入膨胀机4入口的尾气长时间内混合，当膨胀机入口切断阀13打开以后，控制能量回收阀11、冷空气入口阀12在若干秒内关闭。
Claims (4)
1.PTA装置用能量回收控制方法，其特征在于：在压缩机(3)的输出端与膨胀机一级入口导叶(15)之间设置能量回收阀(11)，控制能量回收阀(11)包括以下步骤：
1)测量压缩机的入口、出口温度，入口、出口压力以及出口流量；
2)将孔板差压转换为入口流量的平方qr2作为防喘振曲线的横坐标；
3)根据压缩机出、入口的压力转换为压比Rc作为防喘振曲线的纵坐标；
4)根据入口流量的平方qr2、压比Rc得到动态防喘振控制曲线；
5)根据动态防喘振控制曲线，得到工作点至喘振点的距离d，再根据设定的安全裕度b计算出DEV值即DEV＝d-2×b；根据DEV值对能量回收阀进行控制；
所述动态防喘振控制曲线通过下式得到：
Ss＝qr2(,sll)/qr2(,op)
其中，qr2(,sll)为喘振点的流量平方，qr2(,op)为正常运行点的流量平方，分别利用下式得到：
qr2＝(△Po,d*Pd/Ps2*Ts/Td)/Ps；
其中△Po,d为喘振点/正常运行点的出口差压，Td为喘振点/正常运行点的出口温度；Pd为喘振点/正常运行点的压缩机出口压力，Ps为喘振点/正常运行点的压缩机入口压力，Ts为喘振点/正常运行点的压缩机入口气体温度。
2.根据权利要求1所述的PTA装置用能量回收控制方法，其特征在于所述根据DEV值对能量回收阀进行控制包括：
当DEV值小于零时，控制能量回收阀(11)以设定的速率打开阀门；
当DEV值等于零时，控制能量回收阀(11)保持当前阀门开度；
当DEV值大于零时，控制能量回收阀(11)以设定的速率关闭阀门。
3.根据权利要求1所述的PTA装置用能量回收控制方法，其特征在于当DEV与2×b的和超过阈值时，控制能量回收阀(11)、冷空气入口阀(12)在若干秒内关闭。
4.根据权利要求1所述的PTA装置用能量回收控制方法，其特征在于：在压缩机(3)的输出端通过并联的两个防喘振阀(17、18)放空；根据DEV值即DEV＝d-b对防喘振阀(17、18)进行控制，包括：
当DEV值小于零时，控制防喘振调节阀(17、18)以设定的速率打开阀门直至全开；
当DEV值等于零时，防喘振调节阀(17、18)保持当前阀门开度；
当DEV值大于零时，控制防喘振调节阀(17、18)以设定的速率关闭阀门直至全关。
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