压缩机的防震体系设计

　　离心式压缩机的特性曲线DD压缩比与进口体积流量Q之间的关系曲线，其中n i（i＝1，2，L）是离心式压缩机的转速，Q p是临界流量。可知，每条曲线在每种转速下都有一个P 2／P 1值*高点。连接*高点的虚线（曲线1）是1条表征产生喘振的极限曲线。虚线左侧的阴影部分是喘振区，若压缩机的工作点在喘振区，会出现喘振现象。喘振会使压缩机及所连接的管网系统和设备发生强烈的振动，甚至使压缩机遭到破坏。

　　在不同的转速下，离心式压缩机特性曲线的*高的轨迹近似1条抛物线。这条抛物线叫做喘振极限曲线。为了安全起见，压缩机的实际工作点，距离喘振极限曲线应留有一些余地。一般在喘振极限曲线右面10％再作1条抛物线，这条抛物线叫做压缩机的防范安全线。

　　2防喘振控制原理由喘振现象的分析可知，只要保证压缩机吸入流量大于临界吸入量Q p，系统就会工作在稳定区，不会发生喘振；为了使进入压缩机的气体流量保持大于Q p，在生产负荷下降时，须将部分出口气体经旁路返回到入口或将部分出口气体放空，保证系统工作在稳定区。

　　目前工业生产上主要采用固定极限流量控制方案和可变极限流量控制方案。固定极限流量控制方案是使压缩机的入口流量始终保持大于*高转速下的Q p，从而避免进入喘振区运行。固定极限流量控制方案简单，系统可靠性高，投资少，适用于固定转速场合。当转速较低时，流量的裕量大，能量浪费很大。

　　可变极限流量防喘振控制适用于工作转速经常变化的压缩机，使控制器的设定值随转速的变化而作相应的变化。压缩机防喘振安全工作线一般采用抛物线型。

　　安全工作线的方程式为P 2／P 1＝a＋bQ 1 2（1）设压缩机入口气体温度1较稳定，若将横坐标取为Q 1 2／1，则抛物线型安全工作线变为直线。由式（1）得P 2／P 1＝a＋KQ 1 2／1（2）式中：K＝b 1。

　　若用节流装置测量流量，则有标准节流装置流量测量经验公式1 1 1 1 / Q h P，式中：Q 1为压缩机吸入流量，h 1为流量测量差压，β为流量系数；1为吸入侧温度，P 1为吸入侧绝对压力。由上式得Q 1 2／1＝β2 h 1／P 1，代入式（2）得，h 1＝P 1／（Kβ2）（P 2／P 1－a）即采用抛物线型安全控制线的防喘振控制方程。

　　若压缩机入口压力波动时，则由上式得h 1＝M＇（P 2－aP 1）（3）式中：M＇＝1／（Kβ2）。防喘振约束条件为h 1≥M＇（P 2－aP 1），可以以M＇（P 2－aP 1）为控制器的设定值，以h 1为测量值组成防喘振控制系统。

　　3防喘振控制系统设计本防喘振系统应用于大庆油田天然气公司深冷装置的原料气增压系统。

　　在实际工艺中，原料气在0.13～0.15MPa（绝压）、25×10 3 Nm 3／h（100％负荷）进入工厂，经燃气轮机T驱动的三段离心式压缩机C0101和两级增压机共三级增压，*终压力达到5.1MPa（绝压）。原料气的入口压力可由自力式调节阀自动控制在0.13～0.5MPa（绝压）。压缩机C0101流量由回流阀FV0101控制（回流量从C0101三段出口返回到一段入口），防止压缩机喘振。

　　PID控制具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，被广泛应用于工业过程控制中。PID控制适合于可建立精确数学模型的确定性控制系统，但实际的工业过程控制系统中存在很多非线性或时变不确定因素，使得PID控制器的参数整定过程十分繁琐，控制效果也往往因此受影响。并且PID控制算法适用于固定参考点的双向调节，而实际压缩机防喘振控制为单向调节，用PID不能满足控制要求，所以选取模糊控制算法来完成防喘振控制器的设计。模糊控制不需要掌握控制对象的精确数学模型，而是根据人工控制规则组织控制决策表，再由控制规则表决定控制量的大小。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰、参数未知等系统具有良好的控制效果。

　　实际设计的模糊控制系统如所示。其中的模糊控制器采用二维模糊控制算法，它的输入变量是系统的偏差e和偏差变化率△e，以控制量的变化值U作为输出量。

　　通过安装在压缩机入口的流量计来对入口流量进行检测，每两秒对流量进行一次采样，从而得到e和△e，其中e＝r测－r设、△e＝e t－e t－1，作为控制器的输入变量。取回流阀的开度作为模糊控制器的控制量U.根据现场数据我们拟定偏差的变化范围为［－2375，0］，单位Nm 3／h，当偏差大于零时，控制器不起作用，此时要求回流阀全关，论域取［－12，0］，从而偏差e的量化因子为K e＝（n max－n min）／（e max－e min），K e＝12／2375＝0.005.偏差变化率的范围为［－4000，4000］，单位Nm 3／h，论域取［－6，6］，则K△e＝6／4000＝0.0015.U的变化范围为［0，1］，表示阀的开度，取论域为［12，0］，则比例因子为K U＝1／12＝0.008.取e、△e、U的模糊语言变量值均为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，即｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，取三角形隶属函数，从而可得各变量的语言变量赋值表。

　　根据过程控制知识生成控制规则，当偏差大于零时，偏差和偏差变化率不进入模糊控制器，而是通过一个控制开关来实现回流阀的全关；当偏差小于零时，模糊控制器开始起控制作用，控制回流阀的开度；当开度*大时，若压缩机入口流量仍然下降，并靠近喘振值，此时要求系统报警，通知工作人员检查系统是否出现机械故障，当报警一定时间后问题仍没有解决，此时系统自动停车，这部分过程也由硬件来实现，并通过硬件实现手动D自动无扰动切换。

　　4仿真结果和讨论在Matlab7.0中将模糊工具箱与其动态仿真软件Simulink结合起来，完成对模糊控制器的仿真。根据模糊控制器的输出和压缩机入口流量之间的对应关系，构造模糊控制系统模型。可以看出，不同的入口流量，有不同的回流阀开度与之相对应。这里我们每两秒采样一次，在仿真过程的前4秒里，入口流量始终保持在设定值26125Nm 3／h之上，此时，回流阀为全关，随着入口流量的不断下降，4到6秒阀开度到30％左右，当入口流量接近喘振极限值23750Nm 3／h时，阀开度达到90％以上，接近全开。在8到10秒出现的阀位下降，是由于在6到10秒内，入口流量的偏差变化率变小，因为阀的开度是由入口流量的偏差和偏差变化率来决定的，所以这段时间内，控制器根据控制规则调节阀的开度减小，以防止效率损耗。因为无法获得回流阀的数学模型，所以在仿真过程中无法实现回流量在入口流量上的叠加，这里我们在12到20秒内的输入信号，模拟了随着回流量在入口流量的叠加，促使控制器调节回流阀开度减小，直到入口流量进入安全工作区域的过程，流量大于设定值后，回流阀全关。

　　对于在事故状态下，本控制方案是通过硬件来实现的，在入口流量计的输出端连接一个选择开关，当入口流量一直下降，低于喘振极限值时，系统报警，通知工作人员检查设备，在一定时间内仍解决不了，系统自动停车，该仿真系统的运行时间为40秒，但是当到34秒时，由于流量越过喘振值，系统自动停止，即模拟故障状态下的压缩机紧急停车。从结果我们可以得知，所设计模糊控制器基本满足设计要求，达到了能够根据不同的入口流量控制回流阀阀位防止喘振发生的目的。

　　5结束语本文所设计的模糊控制系统于大庆油田天然气公司深冷装置中进行了长周期的安全可靠运行，符合控制要求，有效地防止了离心式压缩机的喘振现象的发生。