CN105604973A

CN105604973A - 一种轴流压缩机全线防喘振控制方法

Info

Publication number: CN105604973A
Application number: CN201510955999.XA
Authority: CN
Inventors: 魏原珂; 杜涛; 陈博; 赵丽; 魏顺风
Original assignee: Chengdu Chengfa Science & Technology Power Engineering Co Ltd
Current assignee: Chengdu Chengfa Science & Technology Power Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: CN105604973B

Abstract

本发明涉及高炉鼓风轴流压缩机防喘振控制技术，具体涉及一种轴流压缩机全线防喘振控制方法，在自动控制系统的人机界面上绘制出预先控制线EFL、喘振控制线ACL、快开放风线VOL、实际喘振线ASL和紧急停机线EAL，其中实际喘振线ASL是根据轴流压缩机产生喘振时的标准喉部差压和标准排气压力绘制而成，所述预先控制线EFL绘制所根据的喉部差压和排气压力均为标准喉部差压和标准排气压力的90％-92％等特征。本发明能反映轴流压缩机在各个季节的真实性能，更能准确地指导用户操作，使用更加安全可靠，其防喘振的控制策略更加精细和平稳，在调节过程中避免了对高炉风量和风压的大范围波动影响，使压缩机供风的稳定性和持续性更高，保证高炉连续生产的要求。

Description

一种轴流压缩机全线防喘振控制方法

技术领域

本发明涉及高炉鼓风轴流压缩机防喘振控制技术，具体涉及一种轴流压缩机全线防喘振控制方法。

背景技术

目前，轴流压缩机普遍存在排气压力低，风量大，长期放风运行，其原因除了轴流压缩机的设计参数与用户使用工况不一致外，机组的升压能力有限、排气压力设计余量不足也是重要的方面。从喘振实验所得到的喘振曲线来看，喉部差压偏大的同时，对应排气压力较低，使得实测喘振线较为扁平，特别是静叶角度较小时，升压能力弱，而在该区间运行时效率相对较高。再加上防喘控制线离实测喘振线有10％的安全余量，因此在广泛的使用过程中会出现送风流量足够，但送风压力不足的现象，而且夏季相对冬季会更明显。如需满足较高的使用压力，在避免机组进入防喘控制区的前提下，则只能增大静叶角度来满足，这样就使得机组风量增大。倘若高炉不需要大风量，则只能通过打开放风管道上的阀门，放掉多出的风量，而此时机组耗电量或能源消耗在已经增加的情况下，能源利用率却降低，造成了浪费；若此时为了减少放风，关小静叶和放风阀，则压缩机容易进入防喘控制区，操作不当则会发生真实喘振，危害机组安全。

随着轴流压缩机市场的发展，轴流压缩机项目逐渐增多，以上存在的性能问题就越来越突出。除了从机组设计角度在根本上进行改进之外，自控专业也要寻求更好的控制策略，在增强机组安全性、提高控制精度的同时，也要在尽量减少和避免放风方面下工夫。因此研究并提出了一种新型的防喘振控制技术，该技术通过更加精细、更加稳定的控制策略，在保证机组安全的同时，也尽可能的减少放风，降低能耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴流压缩机全线防喘振控制方法，解决了目前轴流压缩机的防喘振控制技术存在控制精度差、控制不稳定、能源浪费以及容易误操作危害机组安全的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种轴流压缩机全线防喘振控制方法，包括以下步骤:

在自动控制系统的人机界面上绘制出预先控制线EFL、喘振控制线ACL、快开放风线VOL、实际喘振线ASL和紧急停机线EAL，其中实际喘振线ASL是根据轴流压缩机产生喘振时的标准喉部差压和标准排气压力绘制而成，所述预先控制线EFL绘制所根据的喉部差压和排气压力均为标准喉部差压和标准排气压力的90％-92％，所述喘振控制线ACL绘制所根据的喉部差压和排气压力为标准喉部差压和标准排气压力的92％-96％，所述快开放风线VOL绘制所根据的喉部差压和排气压力为标准喉部差压和标准排气压力的96％-100％，所述紧急停机线EAL绘制所根据的喉部差压和排气压力为标准喉部差压和标准排气压力的110％；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，细微调整防喘阀或静叶的角度；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及喘振控制线ACL所标记的喉部差压和排气压力时，激活防喘振PID控制器自动调节功能，以预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力为目标线，调节防喘阀开度，将当前实时喉部差压和实时排气压力拉回到喘振控制线ACL以下，并最终稳定在预先控制线EFL上，直到用户手动复位后，退出防喘振PID控制器自动调节；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及快开放风线VOL所标记的喉部差压和排气压力时，自动控制系统立刻强制使防喘阀和放风阀快速打开30％至50％，从而使工况点迅速从快开放风线VOL所标记的喉部差压和排气压力回到喘振控制线ACL所标记的喉部差压和排气压力，防止机组发生真实喘振；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及实际喘振线ASL所标记的喉部差压和排气压力时，自动控制系统则立即将静叶全关、止回阀强关、放风阀及防喘阀全开；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及紧急停机线EAL，则发机组紧急停机。

进一步的，所述防喘振PID控制器自动调节功能包括快开慢关的变参数调节和防喘振变增益动态调节；

所述快开慢关的变参数调节方法如下：

①、PID控制器输入偏差为正，PID控制器输出在大比例、大积分参数的作用下，快速开大防喘阀，防止喘振发生；

②、当防喘阀打开后，工况点被拉回到预先控制线EFL下后，此时PID控制器输入偏差为负，PID控制器输出在小比例、小积分参数的作用下，缓慢关小防喘阀；

所述防喘振变增益动态调节方法如下：

①、工况点高于喘振控制线ACL所标记的喉部差压和排气压力时，通过

K＝K₁[(1-β)·(P-P_ACL)+β]

计算出PID整定参数中的比例值K，式中K₁为原始比例值，即快开慢关变参数调节功能中的“大参数”中的比例值，β为可调整的常数，范围是0-1，其值越小，变增益K值越大，P为压缩机排气压力实测值，P_ACL为当前喘振控制线上对应压力；

②、获取实际喘振线ASL对应压力P_ASL，依据P_ASL的百分比，当P-P_ACL的值大于P_ASL的百分比值时，则使增益K值变大,增强PID调节强度。

进一步的，当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，采用喉部差压的温度补偿方法根据压缩机入口温度的变化自动偏移喘振控制线ACL，补偿公式如下：

{ΔP}^{'} = \frac{(273.15 + T) \cdot Δ P}{273.15 + T_{1}}

式中，ΔP'为补偿后的喉部差压，ΔP为当前工况点对应的喉部差压，T为当前轴流压缩机的入口温度，T₁为喘振实验时轴流压缩机入口的平均温度值。

进一步的，当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，采用排气压力的温度补偿功能将压缩机排气压力随温度的改变作用到喘振控制线ACL上，补偿公式如下：

\frac{P^{'} + P_{0}}{P_{0}} = {\frac{T_{1} + 273.15}{T + 273.15} [{(\frac{P_{1} + P_{0}}{P_{0}})}^{\frac{K_{T} - 1}{K_{T}}} - 1] + 1}^{\frac{K_{T}}{K_{T} - 1}}

式中P'为温度补偿后的排气压力值，P₀为当地年平均大气压，P₀为当地年平均大气压，T₁为喘振实验时轴流压缩机入口的平均温度值，T₁为喘振实验时轴流压缩机入口的平均温度值，K_T为空气的等熵指数，为常数1.4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：不仅完成了保护轴流压缩机机组安全的基本功能，而且更能反映轴流压缩机在各个季节的真实性能，更能准确地指导用户操作，使用更加安全可靠。其防喘振的控制策略更加精细和平稳，在调节过程中避免了对高炉风量和风压的大范围波动影响，使压缩机供风的稳定性和持续性更高，保证高炉连续生产的要求。在此基础上，该技术可在一定程度上缩小防喘裕度，进而在某些压缩机运行中能减小其防喘阀开度，减少不必要的放风能耗，节能效益明显。

另外

1，本发明采用五条控制线与实测的真实喘振线成各自相应的比例关系，根据机组防喘保护的不同要求设置保护预度，根据轴流压缩机排气压力从低到高，依次发挥不同的防喘振保护作用。

2，在防喘振PID控制器自动调节时，该技术引入了快开慢关变参数调节功能，改善了传统单一PID控制器参数时的调节效果，减弱PID控制器调节系统的震荡现象，避免了工况点在上下的波动，进而迅速将工况点稳定在目标线上。

3，为使防喘振PID控制器调节更加精细，在快开慢关变参数调节功能基础上，针对工况点高于喘振控制线时，PID控制器整定参数中的比例值K，又引入了变增益动态调节功能。

4，轴流压缩机全年的运行工况会受到外部环境变化的影响，压缩机的真实喘振特性会随着环境温度的变化而发生改变。轴流压缩机全线防喘振控制技术具有喉部差压的温度补偿功能，它可以根据压缩机入口温度的变化自动偏移防喘振曲线，以适应机组因温度改变而产生的特性变化，达到精确防喘振的目的。

5，轴流压缩机的排气压力也会随着外部环境的温度变化而发生细微改变。轴流压缩机全线防喘振控制技术具有排气压力的温度补偿功能，它可以将压缩机排气压力随温度的改变作用到防喘振曲线上，进而达到更加精确的防喘振目的。

附图说明

图1为本发明一种轴流压缩机全线防喘振控制方法的逻辑示意图。

图2为本发明一个实施例中五线绘制图。

图3为本发明一个实施例中快开慢关变参数调节功能程序截图。

图4为本发明一个实施例中变增益动态调节功能程序截图。

图5为本发明一个实施例中温、压补偿计算图表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明一种轴流压缩机全线防喘振控制方法的一个实施例：一种轴流压缩机全线防喘振控制方法，其特征在于包括以下步骤:

在自动控制系统的人机界面上(如西门子S7-300/S7-400/S7-400H系列PLC自动控制系统的WINCC人机界面上)绘制出预先控制线EFL、喘振控制线ACL、快开放风线VOL、实际喘振线ASL和紧急停机线EAL，其中实际喘振线ASL是根据轴流压缩机产生喘振时的标准喉部差压和标准排气压力绘制而成，所述预先控制线EFL绘制所根据的喉部差压和排气压力均为标准喉部差压和标准排气压力的90％-92％，所述喘振控制线ACL绘制所根据的喉部差压和排气压力为标准喉部差压和标准排气压力的92％-96％，所述快开放风线VOL绘制所根据的喉部差压和排气压力为标准喉部差压和标准排气压力的96％-100％，所述紧急停机线EAL绘制所根据的喉部差压和排气压力为标准喉部差压和标准排气压力的110％；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，细微调整防喘阀或静叶的角度，即在当前防喘阀或静叶的开度条状态下，通过细微调整防喘阀或静叶的角度提前干预，在应对缓慢的喘振趋近时，能防止轴流压缩机进入防喘保护区，避免了后续保护动作造成的供风波动，对高炉的风压风量都不会产生明显影响，从而避免了因后续保护动作造成的能源浪费现象。该线也作为防喘PID控制器自动调节的跟踪线，是压缩机即安全，又高效的运行线，因此也可称之为压缩机的“最优运行线”；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及喘振控制线ACL所标记的喉部差压和排气压力时，激活防喘振PID控制器自动调节功能，以预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力为目标线，调节防喘阀开度，将当前实时喉部差压和实时排气压力拉回到喘振控制线ACL以下，并最终稳定在预先控制线EFL上，直到用户手动复位后，退出防喘振PID控制器自动调节，相较于传统PID调节效果更好，在参数整定较好时，可达到“压线运行”的效果，不会对高炉生产产生明显影响；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及快开放风线VOL所标记的喉部差压和排气压力时，自动控制系统立刻强制使防喘阀和放风阀快速打开30％至50％，从而使工况点迅速从快开放风线VOL所标记的喉部差压和排气压力回到喘振控制线ACL所标记的喉部差压和排气压力，防止机组发生真实喘振，此时的工况会短暂影响到高炉的稳定生产，但在ACL线的作用下两个阀门将逐渐关闭，最终将风压恢复到EFL线上；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及实际喘振线ASL所标记的喉部差压和排气压力时，自动控制系统则立即将静叶全关、止回阀强关、放风阀及防喘阀全开，即以保护压缩机为目的，将停止向高炉送风；

当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及紧急停机线EAL，则发机组紧急停机，其作为防喘振保护系统的最后一道防线，保证机组安全。

根据本发明一种轴流压缩机全线防喘振控制方法的另一个实施例，所述防喘振PID控制器自动调节功能包括快开慢关的变参数调节和防喘振变增益动态调节，

所述防喘振PID控制器自动调节是为了改善传统单一PID参数时的调节效果，减弱PID调节系统的震荡现象，避免了工况点在目标线EFL上下的波动，进而迅速将工况点稳定在EFL线上；

所述快开慢关的变参数调节方法如下：

所述防喘振变增益动态调节是为了使防喘振PID调节更加精细，在“快开慢关变参数调节”基础上，针对工况点高于ACL线时，PID整定参数中的比例值K，又引入了变增益动态调节功能，

所述防喘振变增益动态调节方法如下：

K＝K₁[(1-β)·(P-P_ACL)+β]

②、获取实际喘振线ASL对应压力P_ASL，依据P_ASL的百分比(取喘振控制线ACL作用区间96％-92％＝4％为高限，所以取值范围为0％-4％)，当P-P_ACL的值大于P_ASL的百分比值时，则使增益K值变大,增强PID调节强度，可以更加细化当工况点高于防喘控制线ACL时的调节性能和效果。

根据本发明一种轴流压缩机全线防喘振控制方法的另一个实施例，当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，采用喉部差压的温度补偿方法根据压缩机入口温度的变化自动偏移喘振控制线ACL，补偿公式如下：

{ΔP}^{'} = \frac{(273.15 + T) \cdot Δ P}{273.15 + T_{1}}

式中，ΔP'为补偿后的喉部差压，ΔP为当前工况点对应的喉部差压，T为当前轴流压缩机的入口温度，T₁为喘振实验时轴流压缩机入口的平均温度值，喉部差压的温度补偿方法可以适应机组因温度改变而产生的特性变化，达到精确防喘振的目的。

根据本发明一种轴流压缩机全线防喘振控制方法的另一个实施例，当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，采用排气压力的温度补偿功能将压缩机排气压力随温度的改变作用到喘振控制线ACL上，补偿公式如下：

\frac{P^{'} + P_{0}}{P_{0}} = {\frac{T_{1} + 273.15}{T + 273.15} [{(\frac{P_{1} + P_{0}}{P_{0}})}^{\frac{K_{T} - 1}{K_{T}}} - 1] + 1}^{\frac{K_{T}}{K_{T} - 1}}

排气压力的温度补偿功能可以使防喘振曲线的纵坐标将产生动态变化，从直观上改变防喘振曲线的排气压力最大值。

五条控制线名称和相互关系见下表：

名称	从上到下顺序	与ASL的比例关系
			EAL	1	110％
ASL	2	100％
			VOL	3	96％
ACL	4	92％
			EFL	5	90％

下面以具体实例来说明本发明：

某项目中轴流压缩机喘振实验实测数据如下：

由以上数据的喉部差压和排气压力绘制出了实际喘振线ASL，即附图2中的ASL。再根据本发明所述轴流式压缩机全线防喘振控制技术，按与ASL线的比例关系计算并绘制出其他四条控制线。因此，五条控制线(见附图2)的设置如下表所示。

在快开慢关变参数调节功能设置上，分为“大比例、大积分参数”、“小比例、小积分参数”两组参数，

防喘振PID的“大比例、大积分参数”设置为：

比例值K＝防喘振变增益动态调节功能中计算出的K(见下附图3)，

积分时间I＝1分30秒；

防喘振PID的“小比例、小积分参数”设置为：

比例值K＝-0.003，

积分时间I＝1分40秒。

具体程序段见附图3。

在防喘振变增益动态调节功能的公式中，各参数设置为：

初始比例值K₁＝-0.004，

常数β＝0.7，

P_ASL的百分比设置为2％。

计算得出的K值送给上一步中的比例值K。具体程序段见附图4。

喉部差压和排气压力的温度补偿功能使用情况

针对喉部差压与排气压力的温度补偿功能的验证，需在两种气候下分别做一次喘振实验，通过实测和理论计算的数据进行比较，即可验证补偿的准确性。

在我公司已成功运用的两个轴流压缩机项目中，铜陵旋力2#ACL56-14轴流压缩机在冬季(7.125℃)和夏季(30.5℃)分别进行了两次喘振实验，下面将夏季实测数据补偿到冬季后所得到的补偿结果，与冬季实测数据进行了比较，结果非常接近，见附图5。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种轴流压缩机全线防喘振控制方法，其特征在于包括以下步骤:

2.根据权利要求1所述的一种轴流压缩机全线防喘振控制方法，其特征在于：所述防喘振PID控制器自动调节功能包括快开慢关的变参数调节和防喘振变增益动态调节；

所述快开慢关的变参数调节方法如下：

所述防喘振变增益动态调节方法如下：

K＝K₁[(1-β)·(P-P_ACL)+β]

3.根据权利要求1所述的一种轴流压缩全线防喘振控制方法，其特征在于：当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，采用喉部差压的温度补偿方法根据压缩机入口温度的变化自动偏移喘振控制线ACL，补偿公式如下：

4.根据权利要求1所述的一种轴流压缩机全线防喘振控制方法，其特征在于：当轴流压缩机的实时喉部差压和实时排气压力变化触及预先控制线EFL所标记的喉部差压和排气压力时，采用排气压力的温度补偿功能将压缩机排气压力随温度的改变作用到喘振控制线ACL上，补偿公式如下：

式中P'为温度补偿后的排气压力值，P₀为当地年平均大气压，P₀为当地年平均大气压，T₁为喘振实验时轴流压缩机入口的平均温度值，T₁为喘振实验时轴流压缩机入口的平均温度值，K_T为空气的等熵指数。