空氣壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的控制方案分析

分析空氣壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)現(xiàn)今應(yīng)用較廣泛的控制方案，并加以比較得出現(xiàn)有控制方案存在的優(yōu)缺點(diǎn)。著重介紹模糊自適應(yīng)PID控制算法的好處，通過合理有效的控制方案使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳，即保證了其有效的節(jié)能，又能保證其安全性。

1.壓縮機(jī)喘振產(chǎn)生原因

喘振是壓縮機(jī)固有的一種現(xiàn)象。發(fā)生喘振的原因有很多，不僅與其進(jìn)出口流量有關(guān)，還與壓縮機(jī)負(fù)荷，被壓縮氣體的分子量、溫度、壓力及管網(wǎng)容量有關(guān)。喘振發(fā)生的頻率與壓縮機(jī)管網(wǎng)的容量有關(guān)，管容越大，發(fā)生喘振的頻率就越低；反之，頻率越高。但其產(chǎn)生的主要原因還是因?yàn)閴嚎s機(jī)工作流量小于最小流量。在壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中，如果其吸入量減少到一定值，壓縮比下降，輸出管線中氣體壓力高于壓縮機(jī)出口壓力，被壓縮了的氣體很快倒流入壓縮機(jī)，待管線壓力下降后，氣體流動(dòng)方向又反過來(lái)。

此時(shí)，其吸入流量和出口壓力周期性低頻率大幅度波動(dòng)，周而復(fù)始，產(chǎn)生喘振，引起壓縮機(jī)軸位移，使軸產(chǎn)生彎曲造成機(jī)組振動(dòng)加大，并波及到相鄰的管網(wǎng)，喘振強(qiáng)烈時(shí)，能使壓縮機(jī)遭到嚴(yán)重破壞。

2.防喘振控制系統(tǒng)

根據(jù)壓縮機(jī)的主要原因，為不使壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振，需要保證在任何轉(zhuǎn)速下，通過壓縮機(jī)的實(shí)際流量都不小于喘振極限所對(duì)應(yīng)的最小流量。在生產(chǎn)負(fù)荷下降時(shí)，須將部分出口氣體經(jīng)旁路返回到入口或?qū)⒉糠殖隹跉怏w放空，保證系統(tǒng)工作在穩(wěn)定區(qū)。目前工業(yè)生產(chǎn)上主要采用固定極限流量控制方案和可變極限流量控制方案。如圖1所示為壓縮機(jī)特性曲線1為喘振極限曲線，曲線2為防安全操作線。

2.1傳統(tǒng)控制方案中存在的問題

在采用固定極限防喘振控制時(shí)，即決定了它只是為防喘振為目的，而不是根據(jù)工藝狀況調(diào)整負(fù)荷的大小，一般適用于定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速變化范圍較小的機(jī)組。如果在機(jī)組轉(zhuǎn)速較低的范圍運(yùn)行，會(huì)造成流量裕度過大，能量浪費(fèi)嚴(yán)重，不利于節(jié)能。而可變極限流量控制是建立一條安全操作控制線，留有一定的安全裕度。

固定極限流量控制和可變極限流量控制都是不精確的近似方法通常都是提供一個(gè)很大的額外安全空間，保證機(jī)組在不理想的工況下運(yùn)行，這種額外安全空間可能導(dǎo)致壓縮機(jī)過多回流，降低了效率?？紤]到氣體溫度及分子量對(duì)壓縮機(jī)喘振流量的影響，喘振流量在出口壓力、轉(zhuǎn)速、入口溫度、氣體分子量實(shí)際上形成的是一個(gè)超曲面，即：

式中，Q為喘振流量；P為排氣壓力；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；M為氣體分子量；通常壓縮機(jī)的參數(shù)控制是將（2）式簡(jiǎn)化為二元函數(shù)，這顯然不夠準(zhǔn)確，達(dá)不到消除喘振的要求。上述兩種方法不能完全補(bǔ)償進(jìn)氣壓力、溫度、相對(duì)分子量的變化，從而具有一定的局限性。

2.2防喘振優(yōu)化控制系統(tǒng)

常規(guī)PID控制器原理簡(jiǎn)單，魯棒性較強(qiáng)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良，特別是對(duì)一階對(duì)象模型具有最優(yōu)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。但常規(guī)PID控制器不具有在線參數(shù)整定功能，對(duì)系統(tǒng)模型的精確性依賴較強(qiáng)，對(duì)于非線性、時(shí)變且受隨機(jī)干擾的控制系統(tǒng)，一般難以獲得較好的控制性能，即使通過一些假設(shè)和簡(jiǎn)化導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型，仍有許多參數(shù)無(wú)法確定。

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.控制系統(tǒng)中應(yīng)注意的問題及現(xiàn)有的技術(shù)

3.1防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

（1）在確定防喘振控制線及喘振線后，通常都要建立一條備用線即系統(tǒng)要留有一定的安全裕度，這樣可以更加準(zhǔn)確的保證系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)又不會(huì)降低工作效率。

（2）在選擇調(diào)節(jié)裝置時(shí)要以經(jīng)濟(jì)、使用為原則兼顧先進(jìn)性，用智能調(diào)節(jié)器和可編程控制器都可以，現(xiàn)在DCS控制系統(tǒng)以其良好的性能，會(huì)逐步取代了PLC控制器，但現(xiàn)有技術(shù)還是以可編程控制器PLC為主。

（3）為了確保系統(tǒng)的安全性，要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，以避免急速變化時(shí)給系統(tǒng)帶來(lái)的影響。

隨著自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷發(fā)展，防喘振控制系統(tǒng)以逐步向著智能控制方向邁進(jìn)防喘振效果也會(huì)越來(lái)越好。

3.2目前已有的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的功能

（1）溫度補(bǔ)償功能；（2）防喘振閥門的快開慢關(guān)功能；（3）喘振檢測(cè)功能；（4）自學(xué)習(xí)喘振控制的確認(rèn)與復(fù)位功能；（5）對(duì)防喘振線的趨進(jìn)報(bào)警功能；（6）控制器自動(dòng)、手動(dòng)、手自動(dòng)功能；（7）多段折線代替直線的防喘振線。

在今后的研究中不單單是如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)要考慮在控制的同時(shí)能否更好的保證其安全性及經(jīng)濟(jì)性?？傊?，應(yīng)根據(jù)使用要求和工藝條件、綜合選優(yōu)，采用最佳防喘振調(diào)節(jié)方法，設(shè)計(jì)最合理防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)。