1、 I8 收稿日期：作者简介：陈 欢（），男，江苏沛县人，本科学历，从事热工生产过程自动化和技术管理工作。并联压缩机组防喘和负荷分配控制策略研究与应用陈 欢（浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江 绍兴）摘 要：为了在某集中供应压缩空气站实现新建四台并联布置的离心式压缩机组联合运行，提出以无关坐标系为防喘控制基础，通过设立统一的防喘裕度（）进行负荷分配控制的方案。基于某 厂家 平台为控制系统，以此实现集中供应压缩空气站负荷控制，压缩机组并联控制，压缩机一键启停、防喘、保护，辅助系统控制等功能。经过工程实践表明，该设计方案下出口母管压力控制平稳，各机组同时分担管线流量波动，并使喘振风险和能耗保持在
2、最小状态。关键词：离心压缩机；并联运行；负荷分配中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）（，）：，（），：；引 言压缩空气作为一种动力能源的消耗产品，是仅次于电力的第二大动力能源，在工业上应用广泛。近年来随着产业集中化的发展和国家对节能减排等政策的推行力度不断加大，在大型工业集中区里建设集中供应压缩空气站，向工业园区里的各家工厂集中供应压缩空气已经成为一种普遍的共识。通过集中供应压缩空气，可有效替代区域内现有的分散小空压机，提升用能水平，降低印染企业生产成本，降低工业区印染产业集聚区域的能耗总量，改善区域投资环境。自上世纪 年代中期以来，越来越多的集中供应压缩空气站转为采用以全压式机组并联连接
3、为其核心工艺流程。长期以来，尽管有部分站场实现了远程监控和操作，但压缩机组核心控制如防喘控制、负荷分配控制仍然无法实现全自动控制，很大程度上依赖于站场运行人员的现场操作和经验。基于上述原因，在整个项目控制系统从设计、软硬件选型等过程中均积极开展了国产化工作，控制系统采用某 厂家 系列一体化平台，实现了集中供应压缩空气站负荷控制，压缩机组并联控制，压缩机一键启停、防喘、保护，辅助系统控制等功能。热能动力DOI:10.16189/ki.nygc.2023.02.013 年，第 期 I9 项目概况 项 目某公司集中供压缩空气项目，位于浙江省绍兴市滨海工业区内，对所属供气范围内 家印染企业进行供气。项
4、目建设 台 汽轮机拖动离心式空气压缩机组，同时配置 台 电动离心式空压机作为备用，保证负荷需求。汽轮机拖动的离心式压缩机组参数具体如表 所示。表 汽拖离心压缩机组参数厂家杭州中能拖动方式蒸汽轮机数量 台排气压力 进口流量 轴功率 工作转速 项目配套厂内电控系统、空气过滤与净化系统、容器设备与输配管网系统等，厂外配套建设压缩空气输配管道和计量控制系统等。该集中供应压缩空气站工艺流程（见图）主要为空气过滤分离，压缩机组增压，干燥机除水后输送至出口母管中，最终通过输气管线送往下游用户使用。图 集中供应压缩空气站工艺流程图 控制系统整个集中供应压缩空气站控制系统采用某 厂家 系列一体化平台，该系统融合
5、了当今先进的计算机通讯技术，相关硬件均采用国际标准或主流工业级产品。如图 所示，系统主要由负荷中心控制柜、单台机组控制柜、电源分配柜、工程师站和操作员站、网络设备等组成。图 某 厂家 一体化平台示意图整个站场控制分为两个层次，第一层为并联运行的压缩机组协调控制，即为负荷分配控制；第二层为单台压缩机的控制，主要为防喘控制和单机性能控制。）负荷中心控制柜，主要负责并联压缩机组的统一控制，以集中供应压缩空气站出口母管压力为控制目标。）单台机组控制柜，主要实现单台机组工艺系统、汽轮机调速系统、压缩机防喘系统、独立超速系统、旋转机械检测 系统及紧急停机 系统的控制功能；包含有三个控制柜，分别为汽轮机控制
6、柜、紧急停机控制柜和旋转设备监视保护柜。防喘控制喘振（）是透平式压缩机在流量减小到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动。离心式压缩机是透平式压缩机的一种形式，喘振热能动力 20 对于离心式压缩机有着很严重的危害。压缩机防喘系统是保证压缩机能够安全运行的重要系统，防喘策略主要如下。无关坐标系的建立根据离心压缩机的特性，对于某确定的气体，压缩机的能量头、进气容积流量和压缩机的转速存在如下关系：（）（）式中：为能量头；为体积流量；和 为常数；为压缩机转速；根据压缩机的多变过程，其压缩功 引用下列方程|（）式中：为多变指数；为压缩机进口压力；为压缩机出口压力；为压缩机进口温度；气体常数。由于压缩机
7、实际运行中为实际气体方程，设定压缩系数为，式（）可进化为：|（）根据指数系数、多变系数 和等熵指数 关系，引用下列公式：（）引用压比 ，结合引用公式（），式（）进一步可变形为：（）假定流量计安装在入口位置，则压缩机的体积流量为：（）两边平方后可得：（）根据克拉贝龙 方程可得：（）式中：为通用气体常数；为气体摩尔常数，将式（）代入式（），可得（）根据式（）与式（），联合式（）和式（）可得：（）根据式（），可以得到多变能量与压差 之间存在线性关系，这也就是无关坐标系采用的依据；当压缩机的压缩系数不怎么变化时候，式（）可以进一步简化为 （）根据上述公式，防喘振控制采用先进的基于无关坐标系算法，即用于
8、压缩机控制的喘振极限线 的计算与气体分子量、入口压力、入口温度、入口气体比热比 和入口气体压缩因子 无关，而只与压缩机组本身的内部机械构造有关，从而得到归一化的压缩机喘振极限线。无关坐标系中压缩机工作点的简化流量和压比通过以下公式计算：（）（）式中：为入口简化流量平方；为压缩比；为压缩机入口流量差压；为压缩机组入口压力；为压缩机组出口压力。防喘控制线压缩机防喘振控制包括四条控制线，如图 所示，分别为喘振线（，）、喘振保护线（，）、阶越响应线（，）、喘振控制线（，）。四条保护线基本实现了不同工艺扰动程度下的自动控制。图 压缩机防喘控制线热能动力 年，第 期 21 喘振点为每条性能曲线最左侧的点，
9、表示压缩机在该转速下未发生喘振的最低工况条件。通过厂家提供这 个极限点即可以标定该压缩机的喘振线，根据式（）和（）进行换算，即可将得到优化后的性能曲线和喘振极限点，如表 所示。表 压缩机喘振点数据喘振点转速百分比 转速 喘振点流量 简化流量压比 防喘控制参数 参数根据前面推导的无量纲坐标系定义喘振参数，用其来表征作为工作点在喘振坐标系中的位置，计算公式如下：（）（）式中：（）为当前压头下对应的压缩机 上的流量点。参数为防喘控制的基本参数，当工作点位于喘振线（）上时候，当压缩机工作点位于喘振线（）右侧的时候，当压缩机工作点位于喘振线（）左侧的时候，。参数为了防喘与负荷分配的统一控制，定义参数：参
10、数 为工作点与防喘控制线之间的相对裕度，其与压缩机的尺寸无关，但对每个压缩机描述的都是相同的，计算公式如下：（）式中：为工作点在防喘坐标系中的相对位置；为喘振控制线在防喘坐标系中的相对位置。防喘控制响应和限制 响应当压缩机工作点越过 线时，防喘 控制算法根据操作点与 之间的距离产生相应的比例积分响应，相应打开防喘阀，以阻止压缩机操作点回到 左侧的危险区，该模式下，对于较小的扰动，控制能提供足够的保护。保护响应当 积分响应不足以让工作点保持在 线右边时，工作点会发生瞬间越过了 左边的 线的现象，系统将以阶越的方式快速打开防喘阀。阶越响应可以分几步打开防喘阀，几乎所有快速强烈的扰动都可以通过阶跃响
11、应得到有效保护，防止压缩机发生喘振。修正响应在一些特殊工艺扰动中即使执行了 响应和阶跃响应，仍不能使工作点远离喘振线；工作点继续向左越过了 线，这时就会触发安全响应，将喘振控制线和阶跃响应线自动向右移动，从而使防喘振阀迅速全开，增加额外的安全或喘振裕度，将使压缩机稳定在一个新的喘振控制线 上，实现压缩机防喘振保护的功能。微分响应当工作点快速向 移动时，将会触发微分响应功能，微分响应将 控制线向工作点方向移动，此功能使 响应提前做出响应，其结果是可以获得一个较小的稳态喘振控制裕度，而不会牺牲过程的稳定性。性能控制压缩机的性能控制是面向工艺操作的自动调节手段，可以分为单机性能控制和负荷分配控制模式
12、两种。其控制原理如图 所示。图 压缩机性能控制算法原理每台机组设有负荷分配切换开关，用于机组单机性能控制与负荷分配功能的切换。当机组投热能动力 22 入性能控制后默认为单机性能状态，此时机组以压缩机出口压力为变量自动调节性能。当切换至负荷分配模式后，各机组接收来自负荷中心的负荷增量，从而实现负荷分配控制。单机性能 单机性能单机性能的控制对象是压缩机的入口压力、出口压力或者流量等参数。在单机性能状态下，根据控制参数的变化，通过改变压缩机自身的转速或者入口导叶来保证控制对象始终稳定在工艺要求的数值上。解耦控制当压缩机进入防喘振控制时，性能控制同时要求减小流量，这时两个控制回路的作用是相反的，造成系
13、统不稳定，机组接近喘振，此时出现耦合现象。上述现象根本原因为压缩机组性能控制系统与防喘振控制系统独立设置造成的，解除压缩机组的耦合就是要将压缩机的性能控制系统与防喘振控制系统整合为一个解耦控制系统，解耦功能将性能控制和喘振控制各自的输出加权到对方的控制响应中去，从而实现两个回路协同动作，迅速稳定系统。负荷分配负荷分配的控制对象是集中供应压缩空气站出口母管压力。在负荷分配状态下，各机组接收来自负荷中心的负荷增量，通过改变压缩机自身的转速或者入口导叶来保证控制对象始终稳定在一个工艺要求的数值上。负荷分配原理当多台压缩机组并联运行时，采用通过控制多台压缩机组工作点保持在与喘振控制线相等距离的方法，可
14、实现压缩机的防喘振和工艺效率的最优化，这是负荷分配控制算法的理论基础。并联压缩机组的负荷分配控制功能可分为负荷控制和负荷分配两个功能。负荷控制功能是指调节各台压缩机组的总负荷，满足集中供应压缩空气站出口母管压力的设置要求。负荷分配功能是指在满足出口压力的基础上，根据各台机组的能力对总负荷进行分配。最终两层控制进行叠加，调节各台压缩机组的转速不同，进而平衡各台压缩机组的负荷并满足总的出口压力要求。其控制原理如图 所示。图 负荷分配控制算法原理 负荷分配优化该项目于 年 月开工建设，年 月首台汽拖空压机正式对外供气，年 月完成四台汽拖压缩机负荷分配功能测试。负荷分配测试完成后，由于各台机组的流量计
15、存在偏差，导致各机组之间的负荷不平衡，为了解决上述过程，对原负荷分配控制进行优化。当各压缩机组的机型、制造厂、大小和新旧不同时候，根据压缩机组特性的不同，为了保证并联管网中各机组的负荷相等，各机组需要对自身的裕度 进行修正。（）热能动力 年，第 期 23 式中：为裕度修正系数，用于补偿压缩机不同的工作特性。并联管网中各机组的转速、流量均不同，通过裕度修正系数 来修正各机组的裕度，并将计算出来的修正值 发送给负荷中心的裕度计算模块，从而实现各机组的负荷平衡。在进行参数优化前将各机组手动调整到相同转速，以记录参数，如表 所示。表 优化前压缩机参数机组转速 工作点流量 参数防喘阀开度 通过现场实测分
16、析流量计存在偏差，从而对各机组的 系数进行优化，经过优化后各机组参数如表 所示。表 优化后压缩机参数机组转速 工作点流量 参数防喘阀开度 通过现场调试，四台机组的负荷分配控制画面和阶跃相应曲线如图 和图 所示，自动参数响应指标符合要求。经过工程实践表明，该设计方案下出口母管压力控制平稳，各机组同时分担管线流量波动，并使喘振风险和能耗保持在最小状态。图 负荷分配控制画面图 负荷分配控制阶跃曲线热能动力 24 结 论）本方案可以实现并联压缩机组高效率的防喘振控制、单机性能控制、负荷分配控制。该控制方案下，出口母管压力平稳，满足各种运行工况下的负荷需求。）将负荷分配控制参数 进行优化后，四台机组投入负荷分配控制并且长期运行，各机组在负荷分配的控制下变化工况以维持站场的供气要求，最终重新达到机组与管网的动态平衡，各机组负荷基本平衡。该项目的成功运行可为多台并联运行离心式空气压缩机组的控制提供参考，具有一定的指导意义。参考文献：许 平，于超，潘华引，等联合循环热电联产机组集中供压缩空气的应用能源研究与利用，（）：搜狐 亿，标方空压机集中供气项目开建，取代园区分散小空压机！（）：陈泓辛中卫贵阳联络
