某项目中，冰机装置制冷剂丙烯气压缩采用了二段离心式压缩机。本文简要介绍了该套压缩机控制系统的控制方案及其特点。
1、压缩机主要控制方案
该丙烯气压缩机为两段离心式压缩机组，主要控制方案如图1所示。主要考虑了压缩机的防喘振控制、压缩机性能控制、性能-喘振解耦控制，以及压缩机主电机限电流控制。
图1 压缩机控制方案示意
图1中，ps压缩机入口压力；ps1为一段压缩机出口压力，同时也是二段压缩机入口压力；pD为压缩机出口压力； pT-4为入口缓冲罐压力；II-1为压缩机主电机电流。
1.1 压缩机防喘振控制
喘振是离心式压缩机的一种固有特性：在一定转速下，当压缩机的入口流量小于最小流量时，压缩机排气管的压力比压缩机内部的压力高，导致气体瞬时倒流，继而使压缩机排出侧的气体压力降低，机组内部压力升高，使气体流量恢复，直到压缩机出口压力再次升高；之后重复上述过程，周而复始。尽管压缩机喘振对下游生产以及压缩机本身都有较大的破坏作用，但可以通过科学的防喘振控制技术，准确快速地预测喘振的发生，并提高压缩机的工作效率。压缩机防喘振控制原理如图2所示，图2中，横坐标表征喘振流量，由压缩机入口差压法流量计测出的差压值Δp，经过温压补偿和运算后与 ps之比。喘振线为压缩机厂家根据实验得出，喘振点即根据出入口压力比从曲线中得到的流量，工作点根据压缩机出入口压力比以及流量不同，位于不同的位置，当工作点向左侧移动进入到喘振线左侧时，喘振控制器将检测为已发生喘振，喘振点和工作点之间的距离为喘振裕度。
图2 压缩机防喘振控制原理示意
防喘振控制就是为了确保在当前运行条件下保证压缩机的吸入流量大于最小流量, 阻止喘振的发生。
该套压缩机组的防喘振控制的控制功能包括：两段压缩机喘振PID控制，一段压缩机喘振超驰控制，二段压缩机补充流量超驰控制，喘振安全裕度校正，以及自动/部分手动/全手动控制。
1.1.1 喘振PID控制
两段压缩机的喘振PID控制类似，因此以分析一段压缩机喘振PID控制为例。
喘振PID控制实际上就是喘振裕度的PID控制。喘振PID控制器的测量值(PV)为经过温压补偿的入口体积流量，减去喘振点对应流量；喘振PID控制器的设定点(SV)并不是一个固定值，它被设定在防喘振控制线与设定点徘徊线之间，设定点徘徊线设定为控制线加20%，根据压缩机工作点所在区域不同而变化。
压缩机工作点根据所设定区域范围不同，采取措施包括以下几个方面：
1)当工作点在设定点徘徊线右侧且与设定点距离超过一个预先设定值，设定为5%时，防喘振控制器的设定点被固定在设定点徘徊线上，此时防喘振控制器的输出为零，关闭防喘振控制阀。
2)当工作点在控制线与设定点徘徊线之间时，防喘振控制器的设定点低于工作点并以预先设定值5%来跟踪工作点。当工作点向左移动时，设定点并不是立即左移，而是按照程序给定的跟踪速率(默认为1.0%/s)向左移动。如果工作点的移动速率大于设定点的下降速率且工作点到了设定点左侧，尽管工作点还没有到达控制线，但此时防喘振控制器也将产生输出，打开防喘振阀，使压缩机工作点向右移动以避免喘振；而当工作点右移到设定点右侧时，防喘振控制器的输出减小，防喘振控制阀关闭，防喘振控制器设定点则维持设定值5%跟踪工作点。
3)当工作点移动到防喘振控制线左侧时，防喘振控制器的设定点被固定在控制线上，工作点低于设定点，防喘振控制器增大输出，打开防喘振控制阀以防止喘振发生。
1.1.2 一段喘振超驰控制
压缩机超驰控制原理示意如图3所示。当一段压缩机工作点进入喘振超驰线左侧时喘振超驰线设定为安全裕度70%处，压缩机即将发生喘振，这时正常的PID控制无法提供足够快的响应，超驰控制开始起作用。超驰控制实际上就是纯比例控制，即当工作点在喘振超驰线上或右侧时，比例控制器输出为0，一段压缩机防喘振阀按照1.1.1节描述的喘振PID控制方案控制；当工作点在喘振线上，比例控制器的输出为100%；当工作点在超驰控制区域中某一点时，比例控制器的输出正比于压缩机工作点跨过喘振超驰线的距离。
图3 压缩机超驰控制原理示意
1.1.3 二段压缩补充流量超驰控制
如图1所示，二段压缩防喘振控制时，如果二段压缩机防喘振阀全开但二段压缩机工作点仍然在喘振控制线左侧，二段压缩补充流量超驰控制器将打开一段压缩机防喘振阀对二段压缩机提供补充流量，使二段压缩机工作点右移，避免喘振。
二段压缩补充流量超驰控制就是二段防喘振PID控制器输出的分程控制原理如图4所示。分程点设在二段防喘振PID控制器输出的80%处。当在分程点左边时，如果二段压缩机工作点持续左移，二段防喘振PID控制器通过打开二段防喘振控制阀进行二段压缩机的防喘振PID控制；当二段PID控制器输出达到分程点时，二段防喘振控制阀全开，此时如果二段压缩机工作点仍然在喘振控制线左侧，则二段PID控制器输出继续增加，开始打开一段防喘振控制阀，为二段压缩机提供补充流量，阻止工作点继续左移而发生喘振。
图4 二段压缩补充流量超驰控制原理示意
1.1.4 安全裕度校正
安全裕度初始设置为10%。当工作点向左移动进入喘振线左侧时，喘振控制器将检测为已发生喘振，此时需要增加安全裕度，尽早使防喘振控制发挥作用，避免压缩机再次产生喘振。当系统检测到第1次喘振，喘振控制线右移2%，安全裕度由原来的10%变成12%；以此类推，如果检测到第5次喘振，控制线累计右移10%，安全裕度变为20%，如果该过程中没有将喘振计数器复位，喘振累计达到5次后，压缩机将联锁停机。联锁复位后，或者在喘振发生已经查明喘振原因后，必须将喘振计数器复位，使安全裕度重新回到初始值。
1.1.5 防喘振控制器控制模式
防喘振控制器可分为自动/部分手动/全手动控制模式。在自动模式下，二段防喘振控制阀接受的信号为二段防喘振PID控制器输出经过补充流量超驰控制器分程后的输出(输入0-80%，输出0-100%)；一段防喘振控制阀接受的信号为一段防喘振PID控制器输出，一段喘振超驰控制器输出，解耦控制器输出和二段防喘振PID控制器输出经过补充流量超驰控制器分程后输出(输入80%-100%，输出0-100%)的高选。为防止压缩机波动，当一段喘振超驰控制器的输出高于一段喘振PID 控制器的输出时，PID 控制器的输出跟踪比例控制器的输出。全手动模式时，输出选择模块选择手动输入值作为防喘振阀的开度；半手动模式时，输出选择模块选择自动控制输出和手动输入值的高值作为防喘振阀的开度。
2、压缩机性能控制
冰机装置是通过压缩机压缩制冷剂丙烯气，控制冰机出口冷冻水温度到设定值，供工艺装置使用。因此，压缩机性能控制实质上就是冰机出口冷冻水温度控制。
压缩机性能控制原理如图1所示。冰机出口冷冻水温度控制器TIC-4和压缩机入口缓冲罐压力控制器PIC-4构成了串级回路，温度控制器的输出作为压力控制器的设定值，通过压力控制器的输出控制压缩机入口节流阀的开度，从而实现压缩机性能控制。
如果冰机出口冷冻水温度比设定值高时， TIC-4降低PIC-4的设定值，PIC-4通过增加入口节流阀开度，降低入口缓冲罐压力，从而降低冰机出口冷冻水温度；如果冰机出口冷冻水温度比设定值低时，TIC-4提高PIC-4的设定值， PIC-4通过降低入口节流阀开度，增加入口缓冲罐压力，从而提高冰机出口冷冻水温度。
2.1 压缩机性能控制和喘振解耦控制
2.1.1 性能控制与防喘振控制的耦合关系
当压缩机组的性能控制系统与防喘振控制系统独立设置时，它们之间就存在耦合关系。
如上所述，压缩机组的性能控制是通过冰机出口冷冻水温度和入口罐压力构成的串级控制实现的。压缩机入口压力的变化，通过压缩机的气体流量发生变化，也就使压缩机的工作点在防喘振控制原理图上的位置发生变化，压缩机工作点的改变，通过防喘振控制器使防喘振控制阀的开度发生变化，防喘振控制阀的开度变化反过来又会导致压缩机组的入口压力发生变化。可见，离心压缩机组的性能控制系统与防喘振控制系统之间相互影响，存在着很强的耦合关系。这会使压缩机组的性能控制系统和防喘振控制系统都不能正常发挥作用，为此必须对压缩机组进行解耦控制才能使压缩机组正常、稳定地运行。
2.1.2 解耦控制
由上述可知，压缩机耦合现象就是因为在调整冰机出口温度以保证压缩机性能的同时，又改变了防喘振阀的开度防止压缩机喘振造成的。归根到底，压缩机组耦合是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，其目的是防止防喘振控制器的 PV 低于防喘振控制器的设定值，避免由防喘振控制器控制防喘振控制阀，而改由解耦控制系统控制防喘振控制阀，这样就避免了性能控制与防喘振控制同时进行，达到解耦控制的目的。
解耦控制器即可以实现压缩机的性能控制又可进行防喘振控制，并且使性能控制和防喘振控制不能同时进行。压缩机解耦控制原理如图5所示，解耦控制器实质就是动态分程控制。动态分程控制的主控变量为压缩机入口罐压力，利用压缩机入口罐压力控制器的输出调整入口节流阀和防喘振阀开度，既使得压缩机入口罐压力既满足性能控制要求，又避免了压缩机产生喘振。将压力控制器控制入口节流阀开度切换到控制防喘振控制阀开度的切换点称为动态分程点(DBP)。当压缩机正常运行时，动态分程点跟踪压力控制器输出，并保持低于压力控制器输出一个给定的裕度，
图5 压缩机解耦控制原理示意
图6 动态分程点位置移动示意
动态分程点根据不同区域所体现位置、措施包括以下几方面：
1)如果压缩机工作点在动态分程点快速线右侧，设定动态分程点的下降速率较快，这是因为在这一工作区域，可以使入口节流阀开度降低较多而不使压缩机喘振。
2)如果压缩机工作点在分程点最大区域线右侧且在分程点快速线左侧时，设定动态分程点下降的移动速率较慢。这是由于这一区域与喘振控制线较近，在不发生喘振的前提下压缩机入口节流阀开度下调余量较小，当压缩机工作点以较快速率向左移动且低于动态分程点时，解耦控制系统停止继续减小节流阀开度，而是通过开大防喘振控制阀开度来维持压缩机入口罐压力的稳定。
3)如果压缩机工作点在最大区域线与最小区域线之间，则设定压缩机动态分程点的位置不动，等待压缩机的工作点进入到其他工作区域。
4)当压缩机工作点在最小区域线的左侧时，设定解耦控制系统的动态分程点以较慢速率上升，这是因为这一工作区域与喘振控制线非常接近，为使压缩机不发生喘振，解耦控制系统增加压缩机入口节流阀开度，从而提高进压缩机的气体流量，由于压缩机入口节流阀开度增加，使压缩机入口罐压力下降，则解耦控制系统的压缩机入口罐压力控制器输出下降，开大防喘振控制阀可使压缩入口压力提高，如此可使压缩机的工作点向右远离防喘振控制线。
将动态分程调节系统的分程点限定在压力控制器输出的50%-100%，当解耦控制系统压力控制器的输出在动态分程点时，解耦控制系统使防喘振阀全关(0)；当压力控制器的输出在动态分程点减去50%时，解耦控制系统使防喘振阀全开(100%)。
解耦控制系统的动作过程：当压缩机的入口罐压力降低时，压力控制器的输出降低，使压缩机入口节流阀开度减小，以升高压缩机的入口罐压力，当入口节流阀开度减小到即将引起压缩机喘振时，在利用防喘振控制器控制防喘振控制阀之前，解耦控制器就停止继续减小节流阀开度，而是开启防喘振控制阀来维持压缩机入口罐压力稳定，避免在调整压缩机转速的同时又调整防喘振控制阀，这样就达到了使压缩机既能满足性能要求又使压缩机不发生喘振的目的。
3、压缩机主电机限电流控制
如图1所示，压缩机主电机限电流控制为标准PID控制，它通过调节入口节流阀开度防止压缩机主电机过电流。压缩机入口节流阀接受的信号为解耦控制器输出和压缩机主电机限电流控制器输出的低选。
4、结束语
本文分析了某项目冰机装置用离心压缩机的主要控制方案。应用这些控制方案既满足了压缩机在各种工艺条件下的性能控制要求，又保证了压缩机安全稳定的运行。
作者：李晓冬，郭建岭(中国天辰工程有限公司)