基于DCS系统在空压机防喘振控制过程中的应用
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摘 要： 通过介绍空分系统中透平空压机发生喘振现象的原因，并分析喘振现象对机械造成的危害。基于横河CS3000控制系统，重点阐述宣钢25000m3／h制氧机组中空压机防喘振控制技术。
中图分类号：TD443 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220141－01
0 引言
企业设备管理旨在追求设备综合效率，强化对设备的物质运动和价值运动进行全过程的科学型管理，尤其突出技术应用与在线管控。
相对于整套空分装置而言，空压机无疑就是其动力之源。故此，空压机的安全性能成为其平稳运行的一项关键指标。通过故障分析发现，在诸多制约要素中，空压机喘振成为影响其安全运行的主要危害源。开展防喘振控制是确保空压机整体系统顺行的重要内容，实施过程繁杂，精度控制相对较高。
1 空压机喘振表征
在运行过程中，当空压机负荷低于某一定值时，气体输送环节被破坏，势必严重影响气体的正常排放，造成剧烈性震荡。与此同时，气体的出口压力与流量指示呈现大幅度波动状态，空压机也会强烈振动，且带动出口管道及厂房振动，导致压缩机发出周期性间断的声响，此种现象被称作喘振。若采取措施滞后，处置不当，压缩机会造成不同程度的破坏。
1.1 空压机喘振的破坏性
喘振对压缩机的危害极大，主要表现为：一是使机组各部件承受过高的动应力，加速轴瓦、轴承等滑动部件的机械磨损；二是使机组性能显著恶化，出口压力和流量大幅波动，破坏了空分装置系统的稳定性；三是压缩机连续发生喘振消耗额定功率近40％，大部分转变为热量使其内部结构承受高温，造成部分零部件烧毁变形、密封元件损坏、推力瓦烧毁等，使各级之间压力失常，振动加剧。
1.2 空压机喘振探源
常态下模式下，空压机作业过程伴有喘振现象，从空压机喘振特性曲线（见图1）图表上能够分析其喘振的周期。具体表现为：运转过程中，空压机随负载增加其出口压力逐渐升高，流量也会逐渐减小，空压机运行点由D点沿性能曲线上升至喘振极限C点。随之压缩机出现负流量，运行点由C点开始到A点，倒流至一定程度时，压缩机出口压力逐渐下降，先由点A到点B，再恢复正向流动点B至点D。事实如此，由于气流在空压机中来回流动，进而形成空压机的喘振。
1.3 空压机防喘振控制理论
空压机气路系统主要有进口管路、入口导叶、压缩机本体以及压缩机输出管路所构成。其输出管路包括两个支路：放空回路和输出工艺回路。其中放空回路由放空阀（防喘振阀）控制，其主要作用就是防止空压机喘振现象的发生。由于各机组的具体情况不同，故空压机的防喘振线是需现场试车过程中实测出来的，典型空压机喘振曲线见图2。
为有效防止喘振事件发生，在喘振停车线A的右侧设置一个能动的安全裕量，目的是当运行中作用至喘振停车线A点之前开始动作，加大压缩机流量。即在喘振停车线A的右边增加一条防喘振控制线C，其状态与喘振停车线A一致，并同喘振停车线A之间存在相当的差压量程值。与之关联，以便更好保护好机组，可在喘振控制线A与喘振停车线C之间加设一条喘振安全线B。该距离越大，放空阀打开的机会则越大，能量损失越大，可以更好地保护机组安全。
空压机防喘振控制的目的，在于始终保证工况点运行在防喘振线以下的安全区域内。从喘振的形成过程可知，在排气压力一定的情况下，避免空压机流量过小就可杜绝喘振发生。因此，生产中采用降低排气压力来增大空压机流量，进而消除喘振。适应这一特点，防喘振阀一般选用气关阀，通过快开慢关（快开速度约2s，慢关要求10s）操作，设置防喘振线，避免喘振发生。
2 基于横河CS3000系统的空压机防喘振控制过程
横河CS3000系统是日本横河公司推出的进行装置运行控制的生产综合性DCS（Distributed Control System，分散控制系统的简称）控制系统，主要由过程控制器FCS、工程师站WS和操作站HIS等构成。
宣钢新空压机防喘振控制方案：DCS系统根据空压机出口压力、入口流量、去水冷塔空气流量，以及电机电流测量值进行相应的计算，然后通过多个控制模块实现喘振控制阀的开度调节，从而达到控制空压机压力、实际流量远离极限值。为了更好的达到控制效果，该控制系统当中设置了两个控制器。在横河CS3000的高扫描速度与高计算速度的基础上，首先设置了一个防喘振控制器，该控制器为PID模块，其给定值为一变量，该值由一个CALCU模块根据实时数据结合喘振实验时得到的相关参数，计算出即时防喘振控制数据，而测量值由另外一个CALCU计算模块根据实时压力、流量等数据计算得到，然后通过PID控制模块对防喘振阀开度进行控制。另一控制器为压力控制器，该控制器也是利用PID控制模块，通过对空压机的出口压力的数据变化和给定的出口压力安全值进行对比，来实现对防喘振阀开度的控制，当空压机的出口压力达到设定最大值时，该模块开始对防喘振阀进行控制。两控制器的输出最终通过一个高选模块（AS-H）作用到防喘振控制阀上。为了防止误操作等原因造成防喘振阀快速关闭的事故发生，在该控制系统当中，我们还加入了另外一个CALCU计算模块，通过编写公式的方法，限制防喘振阀的关闭速度。
3 结语
该套空压机自2008年5月开始组装试车，直至投产运行至今，该防喘振控制方案均有效地避免了空压机发生喘振现象，很好地保护了空压机组的安全运行。
参考文献：
[1]杨筝，工业仪表与自动化装置，陕西省邮政报刊发行局，2006.４.
[2]汤学忠，新编制氧工问答，冶金工业出版社，2008.3.