大唐国际北京高井热电厂 设备部 热工车间 北京市 100041
1.前言
2015年冬季供暖期间，我厂因天然气入口压力过低影响负荷，对保证首都供热稳定造成不好的影响，为彻底解决因冬季温度骤降导致的天然气入口压力过低问题，设备工程部于2016年3月依次对3台阿特拉斯增压机进行调试，增 压 机 是 采 用 空 气增压循环的内压缩流程形式的空分设备之一[1]。内压缩流程空分设备利用增压机提供增压空气来汽化液氧，通过换热的方式将能量传递给氧气。经增压机增压后的空气与返流的氧、氮和污氮换热后，节流进入下塔进行精馏[2]。增压机自动调节被调参数的能力，会对工况产生重要的影响。本文结合现场实际研究燃气增压机（FGB）控制系统组成和两项主要控制功能——压力排放控制与防喘振控制，该燃气增压机在可变负荷条件下给单台气体透平（GT）提供天然气。
2.增压机控制系统介绍
增压机的控制系统用于控制增压机及辅助系统的开工、停工、保护和工艺控制。每台增压机的控制系统均是相对独立的，成为单元控制盘（UCP）。增压机系统有七个重要的阀门：ITV，IGV，循环阀，入口截止阀，出口截止阀，放散阀，入口旁路阀。UCP通过对这些阀门开度的控制来实现两项主要控制功能：排放压力控制和防喘振控制。排放压力控制器负责维持所需压力设定点。防喘振控制器负责维持在有效操作点的同时防止压缩机进入喘振状态。防喘振控制是通过调节循环阀的方式得以实现。
3.压力排放控制
压力控制器的目的是在各种负荷或入口条件下将排放压力维持在恒定状态[3]。为了实现这一控制目的，控制系统调节 ITV（入口节流阀）和 IGC（入口导叶），以能实现安全可靠有效控制。ITV 作为一次（主）控制元件，IGV 作为二次（辅）控制元件，可提高效率。这两个控制元件经联锁，ITV 未全开之前，IGV 不会从其最小开位打开。在控制模式中取消勾选IGV SLAVE模式，可以使ITV未全开之前，IGV可以从最小开度打开。需要降低流量时，ITV开始回关前 IGV 先回到最小开位。这两个控制器都是典型的比例/积分（PI）控制器，都用表决性排放压力作为工艺变量（PV），表决性工艺变量都通用一个设定值。压力设定值可通过人机界面（HMI）就地设置，也可通过运行集控室远程设定。
压缩机停机时，循环阀打开，ITV 关闭，IGV 则处于微小开位。压缩机开机时，循环阀、ITV 和 IGV 均静止不动，从而降低主驱动器的启动功率。压缩机开始加载时，循环阀也开始回关，将操作点带到防喘振控制线附近（2 区）。当操作点达到 2 区时，或当循环阀完全关闭时，ITV 就开始开启，但 IGV 仍静止不动，达到所需压力设定点。若透平需求量足够高，致使 ITV 全开，则 IGV 也开始开启，从而能矫正压力误差。若没有供气需求，压力设定点满意，则ITV全关，表明不需要供气。压力控制器的工艺变量取表决性排放压力的平均值，而排放压力是前四个信号平稳度程序扫描值的平均值。控制器误差（ER）的计算公式为 ER = PV – SP。若是负差值，控制器会加大其输出量，开阀。相反，若是正差值，则关阀。用实际误差值生成积分数，而用误差的变化值生成比例值。两个控制器都每 50ms 更新一次控制输出（CO）。
4.防喘振控制
调试过程中通过有意让压缩机喘振，故意造成工艺波动的方法来确定喘振检测设定值[4]。取所收集的数据的平均值生成检测设定值，保证喘振检测可靠性但又防止产生假报警。在确定操作点和喘振线的相对位置时，使用了升压和流量图表。升压计算值是表决性排放压力减去表决性入口压力的差值。压缩机流量是循环阀上游的流量，用计量表前后的表决性差压表示。压缩机差压（DP）和流量差压（DP）变量取前四个平稳度读数的平均值。由于入口温度变化，在流量方面则针对防喘振控制线偏差作温度补偿。温度补偿是乘以入口温度与设定控制线时所用入口参考温度的绝对温度比值。当入口温度高于参考温度时，其结果流量值则低于实际流量值，使操作点更接近防喘振控制线。相反，入口温度低于参考温度时，则操作点离防喘振线较远。在调试期间收集喘振前的数据点，测定和设定防喘振控制线。一般是在各种吸入压力条件下取三个点，计算出“最佳”线，确定实际喘振线。在实际喘振线基础上加上 5-10%的安全余量形成防喘振控制线。在控制线的右侧另设一条线成为死区。这个区域便被称为 2 区，在这个区域内，循环阀保持静止不动。
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图5-1防喘振控制线
相对操作点（喘振误差）计算方式：流量 –（（DP 升值 * 增益）+ 偏差）。当操作点在防喘振控制线上时，计算出增益值和偏差值，生成喘振零误差值。因此，当喘振误差成为正值时，相对操作点就移至防喘振控制线的右侧。相反，当喘振误差成为负值时，相对操作点则移至防喘振控制线左侧。
按防喘振控制线、喘振死区和循环阀开位，将性能曲线图分为四个区：
1 区：压缩机在防喘振控制线左侧操作（喘振误差为负值）。这是最靠近喘振线的区域。在 1 区时，调节循环阀，控制喘振。ITV 和 IGV 不直接受防喘振控制器控制，但由于循环阀已打开，降低了排放压力，因此 ITV 和 IGV 也会打开。
2 区：压缩机在防喘振控制线右侧操作，但仍在喘振误差死区内。在 2 区时，循环阀静止不动，通过 ITV 和 IGV 控制压力。
3 区：压缩机在防喘振控制线右侧操作，超出喘振误差死区内。循环阀根据喘振误差大小缓慢关闭，直到全关，或直到压缩机操作进入 2 区状态。
4 区：压缩机在防喘振控制线右侧操作，循环阀全关。该区离喘振线最远。在 4 区内，通过 ITV 和 IGV 调节控制压力。
5.总结
正常条件下，防喘振控制系统能防止压缩机喘振。当控制器不能阻止压缩机喘振时，喘振检测系统会检测出喘振条件并给压缩机减负[5]。喘振检测系统监测着排放压力是否有快速波动。用表决性排放压力计算出前四个读数的压力曲线。用该压力曲线比较某一特定形式中快速压力变换所设置的正设定值和负设定值。喘振形式如后述：在某一给定时间周期内若压力快速下降，然后上升，然后再下降，则检测出喘振事件。打开循环阀，关闭压缩机入口，给压缩机减负荷。控制系统给DCS 发去报警信号。如果在 2 分钟时间内压缩机连续喘振超过 6 次，压缩机将停机。
参考文献：
[1]燃气机组增压机控制系统可靠性研究[J].房之栋，赵永珍，史晓华.山西电力.2014（06）
[2]气液增压机实时监测系统开发[J].高佩川，许嘉城，郁汉琪，张佩佩.中国产业.2012（09）
[3]增压机反飞动联锁控制系统[J].姜哲.化工自动化及仪表.2001（06）
[4]燃气机组增压机控制系统可靠性研究[J].房之栋，赵永珍，史晓华.山西电力.2014（06）
[5]燃气机组增压机防喘振控制分析[J].房之栋，张建伟，刘建华.山西电力.2014（05）