基于Tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计论文.doc

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1、 学 位 论 文基于Tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计73 / 85A Thesis inControl EngineeringDesign of Control System of Diesel Hydrogenation Turbine CompressorBased on Tricon Systemby Cui Wei qiSupervisor: Professor Guan ShoupingSenior Engineer Yu JianguoNortheastern UniversityDecember 2012独创性声明本文声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的

2、。论文中取得的研究成果除加以标注和致的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本文为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示意。学位论文作者签名：日 期：学位论文使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文同意东北大学可以将学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：基于

3、Tricon系统的柴油加氢透平压缩机控制系统的设计摘 要当今，透平压缩机在炼油、天然气、煤化工等行业中得到了广泛的应用。特别是在柴油加氢装置中压缩机做为核心设备，更需要安全、稳定的运行，一旦出现故障，将会带来非常严重的后果。所以，为核心装置配备一个智能控制系统，犹如给机组配备了一个大脑。在保证着机组平稳运行的基础上，最大限度的节约能源，优化控制方案为装置的安全运转保驾护航。本文以中国石油石化公司柴油加氢装置压缩机控制系统开发为背景，对汽轮机、压缩机的工作原理做了详细的介绍。控制系统本文采用的是TRICONEX公司生产的Tricon控制系统。三重冗余容错的控制器更提高了控制系统的性能和稳定性。本

4、文完成了对压缩机控制系统设计的方案，提出了一套实用的压缩机控制策略。针对调速控制方案进行了串级控制。根据更改入口压力设定值来控制机组，手动设定转速即为目标转速，目标转速作为SP值，实测转速作为PV值，两者通过速度PID不断的比较，得出一个阀门开度值CV。相对于之前的简单调节系统，串级控制系统改善了控制质量。防喘振控制本文中运用可变极限流量法控制，以取代先前的固定式防喘振控制系统。其中包括多个控制回路，较好的考虑了压缩机运行中可能发生的因素，从而提高了防喘振的安全可靠性。同时也减少了能源的浪费。在装置试车期间对控制方案进行改进，当系统压力比较低时，打开防喘振控制阀，当投负荷后阀门能与时关到位。无

5、论是投负荷与空负荷运转都确保循环机不在喘振区运行，既缩短了开停工时间，又减少了维修的麻烦。把之前的防喘振曲线平移的模式，改进为防喘振线渐开的模式，提高了机组的运行效率，同时也更平稳的控制机组。不仅降低了消耗，也为企业带来了较大的经济效益。本文阐述的此套柴油加氢控制系统，已经投产运营，控制系统运行平稳、控制精确、操作方便，完全满足甚至超出了当初设计时的用户要求，得到了用户的认可和好评。关键词：透平压缩机；调速；防喘振；TriconDesign of Control System of Diesel Hydrogenation Turbine CompressorBased on Tricon S

6、ystemAbstractNowadays,Turbine Compressor are widely applied in oil refining, natural gas, coal chemical industry and other industries. In particular, the compressor, as core equipment of a diesel hydrogenation plant, does need safe and stable operation, once a failure happens, there will be very ser

7、ious consequences. Therefore, providing an intelligent control system for the core equipment is like providing a brain for the compressor unit. On the basis of guaranteeing smooth running of the compressor unit, it saves energy to the maximum, and optimizes the control scheme to ensure safe operatio

8、n of the plant.In the context of development of control system of compressor of diesel hydrogenation plant of PetroChina Ningxia Petrochemical Company, this paper gives a detailed introduction of the operating principle of steam turbine and compressor. The control system in this paper adopts Triconc

9、ontrol system manufactured by TRICONEX. Triple redundantfault-tolerant controller further improves the performance and stability of control system. This paper completes the scheme for design of control systemof compressor, and gives a set of useful compressor control strategies. Aiming at the speed

10、control scheme, cascade control is exercised. The compressor unit is controlled by changing the setting value of inlet pressure, manual settingspeed is target speed, target speedserves asSPvalue, measuredspeedserves asPVvalue, and valve opening value CV is obtained by constant comparison of speed PI

11、D of both. Compared with previous simple regulating system, cascade controlsystem improves the control quality.Anti-surge control in this paper adopts control of variable limitflow method to replace previous fixed anti-surge control system. It includes multiple control loops, and better considers po

12、ssible factors during the operation of compressor, thus improving safe reliability of anti-surge. Besides, it reduces energy wastage. The control scheme is improved during trial run of the plant, anti-surge control valve is opened when the system pressure is low, and the valve can be timely closed t

13、o the designated position after full-load. It ensures the circulation machine does not operate in the surge areawhether full-load orno-load operation, which not only shortens the time of start-up and shut-down, but also saves the trouble of repair. Previous translation mode of anti-surge curve is im

14、proved to involute mode of anti-surge line, which improves the operating efficiency of the compressor unit, and realizes more stable control. It not only reduces energy consumption, but also brings great economic benefits for the enterprise.The diesel hydrogenation control system in this paper has g

15、one into operation. Featured by smooth running, accurate control and easy operation, the control system fully meets and even goes beyond user requirements at the beginning of the design, and wins recognition and favorable comment from users.Keywords: Turbine Compressor；speed regulation；anti-surge；Tr

16、icon目 录独创性声明I摘要IIABSTRACTIII第1章绪论11.1透平压缩机组在工业装置中的作用11.2压缩机控制技术在国外的发展现状11.3 论文研究背景21.4 本文研究容3第2章透平压缩机原理与构成52.1透平系统的原理与应用52.1.1透平的原理与构造52.1.2透平调节系统72.2压缩机系统原理与应用72.2.1压缩机组的原理与构造72.2.2防喘振控制系统102.3本章小结13第3章压缩机控制系统硬件构成与系统功能设计153.1系统功能需求分析153.2 Tricon控制系统163.2.1 Tricon控制系统简介163.2.2 Tricon控制系统主要特点163.2.3

17、Tricon系统的典型应用173.3 控制系统硬件设计与工作原理183.3.1 系统硬件配置183.3.2 CPU容错技术193.3.3 Tricon工作原理213.4控制系统功能设计223.4.1压缩机机组启停功能设计223.4.2 压缩机防喘振方案设计233.4.3 压缩机调速功能设计253.5本章小结28第4章防喘振控制问题的研究与改进314.1透平压缩机防喘振问题的研究314.1.1防喘振控制技术的发展与现状314.1.2压缩机喘振产生的原因与危害324.2防喘振控制机理与技术要点334.2.1喘振控制机理与分类334.2.2 传统与动态防喘振控制方法的研究344.2.3 Tricon

18、系统防喘振功能与应用384.3防喘振算法的优化与应用434.3.1传统喘振控制算法434.3.2防喘振控制线的确定与算法数学模型建立454.4 本章小结49第5章压缩机控制系统组态与测试515.1压缩机控制系统配置与程序开发515.1.1 Tricon系统的配置与特点515.1.2 Tristation 1131软件开发操作流程525.2 TS3000控制系统上位机监控功能545.2.1压缩机启车系统545.2.2压缩机联锁系统545.2.3压缩机故障分析系统565.2.4防喘振系统575.2.5调速系统585.2.6压缩机工艺流程系统595.2.7历史趋势记录功能615.3压缩机控制系统测试

19、工作625.3.1系统测试的必要性与基本方法625.3.2 系统测试结果与FAT报告635.4 本章小结63第6章结论与展望65参考文献67作者在攻读硕士学位期间的研究成果69致71第1章 绪 论1.1透平压缩机组在工业装置中的作用在我国，工业是能源消耗的大户，近年来原油、原煤、天然气等能源消耗量位居世界前列，特别是石油年消耗量已超过4亿吨，对外依存度超过50%，我国的炼油厂担负着越来越重要的能源加工生产任务。随着国际市场油价不断上涨，更突显了石油行业的重要，如何更合理的利用石油资源，充分地对石油副产品深加工，降低生产成本已经成为各个石化炼油企业迫切需要解决的问题。如何利用透平压缩机组使炼油装

20、置中的富余气体重新利用，正被越来越多的厂家所广泛采用1。众多装置中炼油化工装置具有高温、高压、易燃、易爆的特点,工艺复杂且连续性强,安全要求高,为了最大限度地降低装置恶性事故发生的概率,减少计划外停工,避免重大人身伤害、重大设备损坏与重大经济损失的事故发生,建立一套安全可靠、动作与时的安全保护系统显得尤为重要。压缩机是炼油装置的核心装置，控制系统则是压缩机组的心脏，核心设备的运转状况对生产起到了决定性的作用，无论从安全还是利润的角度考虑，一套稳定的压缩机组和一套可行的控制方案对保障安全生产和提高生产率都是必不可少的。1.2压缩机控制技术在国外的发展现状透平压缩机是广泛应用于冶金、石化等工业部门

21、的大型关键设备，典型的透平压缩机机组由蒸汽透平和离心式压缩机与其它一些辅助设备构成。从稳定工况、保证安全角度出发，需要为其单独配备过程控制系统。开发一套综合控制系统，将蒸汽透平的调速控制与压缩机的流量压力控制、防喘振控制与机组的超速保护、紧急停车等功能集成，实现对机组地高效、协调控制。控制系统其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展2

22、。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，与大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的3。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发

23、展的大门。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送与处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算与处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为PLC（Programmable Logic Controller）。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增

24、长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展4。 PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。 当今的压缩机控制也采用了PLC控制系统，具有代表性的有，西门子系列、Tric

25、on系列、GE系列、AB系列等等。1.3 论文研究背景目前国众多大型化工炼油项目中使用PLC控制系统，在这些项目中融入了很多先进的理念，越来越多的现场项目要求对调速控制和压缩机控制整合在一起，方便调节，提高效率；针对部分现场压缩机喘振阀无法关闭到位，浪费能源的现象；对机组操控性要求人机界面好、系统功能全、操作方便、安全级别高等要求。这些项目研发与调试与现场的试车也丰富了自动化工程师的经验同时也对工程师提出了更高的要求。鼓一直肩负着国外各种大、中型的压缩机组和控制系统的研发工作，几乎所有种类的PLC系统都应用在大型的离心机组上。针对地域与装置的不同特性，需要工程师研究一套完整、实用、高效的控制系

26、统为压缩机组顺利、平稳的运转保驾护航。本文从实际出发，以中国石油石化分公司200万吨/年柴油加氢透平压缩机机组控制系统项目为研究背景，在保持工艺过程平稳进行的同时满足工厂节能减排、提高效益的需求，根据装置的特性和参数，对防喘振控制、调速控制进行了集成和优化，有效的降低了在传统防喘振中的巨大能源消耗和工艺过程中的剧烈波动。在设计中将蒸汽透平的调速控制与压缩机的流量压力控制、防喘振控制与机组的超速保护、紧急停车等功能集成，实现对机组的高效、协调控制，大幅提高了机组的控制效率与控制品质。1.4本文研究容本文对透平压缩机组的自动化控制系统进行研究。在工艺达到要求的基础上，对控制对象进行分析进而对系统的

27、硬件软件进行合理的设计。对控制系统进行详细划分为防喘振、超速保护、紧急停车、密封油、润滑油、轴承温度和振动监控等辅助控制系统。保证压缩机安全运行在稳定工况区域，最终达到在机组平稳运转的同时，为企业创造最大的效益。主要研究容有:（1）介绍了透平压缩机机组构成和工作原理的基础，对机组相关调节系统和调速系统进行介绍并对核心防喘振控制进行了比较完整系统地阐述。（2）对压缩机控制系统硬件构成做了详细的功能介绍，通过分析功能需求和技术指标明确设计目标，来进行硬件的选型。针对装置的特性，在防喘振功能与汽轮机调速功能上进行系统分析，对系统功能进行优化和改进，并制定完整的、可行的设计方案。（3）特别是针对防喘振

28、控制的算法进行了优化，从之前的平移喘振线转变成为渐开喘振线，使喘振阀能与时开关到位，并通过编译功能块实现对机组的无扰动调节，避免了能源的浪费，是机组更稳定的运行。（4）针对上位与下位的组态过程，介绍了Tricon系统和Wonderware Intouch软件对人机交互界面的实现，并介绍了各种画面的功能与操作。同时针对系统的测试与维护进行了详细的说明。第2章 透平压缩机原理与构成透平压缩机的基本控制要在保证安全平稳运转的前提下充分利用压缩机允许的工作区，让机组工作在工艺要求的压力和流量变化围，工况稳定可靠，操作方便，自动化程度高；压缩机的工作状态尽可能地对操作人员透明，便于分析和操作，有较长的历

29、史趋势可查；发生停车时，知道真正的原因是什么。伴随微电子和信息技术的发展，国外有关厂家和学者已将电子器件的信息处理和控制功能揉和到机械装置中，使产品一般具有自动控制、自动补偿、自动校验、自选量程、自动调节、自诊断、自恢复等各种功能5。2.1透平系统的原理与应用2.1.1透平的原理与构造透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮或涡轮机。透平是英文turbine的音译,源于拉丁文turbo一词,意为旋转物体。透平的工作条件和所用工质不同，所以它的结构型式多种多样，但基本工作原理相似。透平的最主要的部件是一个旋转元件,即转子,或称叶轮，它安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。流体

30、所具有的能量在流动中，经过喷管时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。透平机械的工质可以是气体，如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。蒸汽透平（或称汽轮机）是用蒸汽做功的旋转式原动机，它将蒸汽的热能转变成透平转子旋转的机械能，这一转变过程需要经过两次能量转换，即蒸汽通过透平喷嘴（静叶片）时，将蒸汽的热能转换成蒸汽高速流动的动能，然后高速气流通过工作叶片时，将蒸汽的动能转换成透平转子旋转的机械能。 蒸汽透平按工作原理分为两类：冲动式和反动式，冲动式透平的蒸汽热能转变成动能的过程，仅

31、在喷嘴中进行，而工作叶片只是把蒸汽的动能转换成机械能，即蒸汽在喷嘴中膨胀，速度增大，温度压力降低，而在叶片中仅将其动能部分转变为机械能（汽体流速降低），而由于叶片沿流动方向的间槽道截面不变，因而蒸汽不再膨胀，压力也不再降低；而在反动式透平中，蒸汽在静叶片中膨胀，压力温度均下降，流速增大，然后进入动叶片（工作叶片），由于动叶片沿流动方向的间槽道截面形状与静叶片间槽道截面变化一样，所以蒸汽在动叶片中继续膨胀，压力也要降低，由于汽流沿着动叶片弧流动时方向是改变的，因此，叶片既受到冲击力的作用，同时又受到蒸汽在动叶片中膨胀，高速喷离动叶片产生反动力的作用，冲动力和反动力的合力就是动叶片所承受的力，这就

32、是说，在反动式透平中，蒸汽热能转变成动能的过程，不仅在静叶片中进行，也在动叶片中进行。 按热力过程分，透平可分为背压式、凝汽式和抽汽凝汽式三类：背压式透平在透平中工作后的蒸汽，在较高压力（大于0.1MPa）下排出，供作它用；KT2501、KT1503等属于凝汽式透平蒸汽在透平中作功后全部排入凝汽器中冷凝；KT1501B属于抽汽凝汽式透平将在透平高压缸作过功的蒸汽抽出一部分供作它用，而另一部分蒸汽在透平低压缸继续作功后全部排入凝汽器中冷凝。 只有一个叶轮的蒸汽透平称为单级透平，这种透平功率小、转速高、效率低，一般用于驱动小型油泵或水泵；为了提高能量转换的效率，透平往往不是仅有一只叶轮，而是让蒸汽

33、依次通过几个叶轮（一个叶轮为一级），逐级降低其压力、温度，蒸汽每经过一次热能动能机械能的转换，称为工作的一个级，级与级之间用隔板隔开，第一级出来的蒸汽进入第二级，第一级的喷嘴装在汽缸的隔板上，蒸汽经过第二级喷嘴，再次降压、降温、升速，然后去推动第二个叶轮，依次类推，这种透平称为多级透平，多级透平的喷嘴和动叶片是相间排列的，大功率透平将几级叶轮装在一个汽缸，根据蒸汽工作压力分为高、中、低压缸，有时一个缸还可分成几段，每段都有几个叶轮6。汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。如图2.1所示：高速汽流流经动叶片时，由于汽流

34、方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。透平结构主要由转动部分、静止部分、控制部分组成。 转动部分：主要有主轴、叶轮（或转鼓）、动叶片、止推盘、危急保安器、联轴节等。其中转子的作用是将蒸汽的动能转变为机械能，传递作用在叶片上的蒸汽圆周分力所产生的扭矩，向外输出机械功。静止部分有汽缸、隔板、喷嘴、静叶片、汽封轴承等。控制部分有调节装置、保护装置。 调节装置作用：在稳定工况时保证转速不变且规定值，在负荷变化时，由调节系统来实现转速变化的偏差不超过规定围；保护装置：在汽轮机发生不正常的工况时，能自动保证设备的安全不致引起严重事故。图2.1冲动式汽轮机工作原理

35、图Fig. 2.1 Impulse turbine working principle diagram2.1.2透平调节系统为了调节汽轮机的功率和转速，每台汽轮机有一套由调节装置组成的调节系统。另外，汽轮机是高速旋转设备，它的转子和定子间隙很小，是既庞大又精密的设备。为保证汽轮机安全运行，配有一套自动保护装置，以便在异常情况下发出警报，在危急情况下自动关闭主汽阀，使之停运。调节系统和保护装置常用压力油来传递信号和操纵有关部件。汽轮机的各个轴承也需要油润滑和冷却，因而每台汽轮机都配有一套润滑油系统7。 总之，汽轮机设备是以汽轮机为核心，包括凝汽设备、回热加热设备、调节和保护装置与供油系统等附属设

36、备在的一系列动力设备组合。正是靠它们协调有序地工作，才得以完成能量转换的任务。2.2压缩机系统原理与应用2.2.1压缩机组的原理与构造压缩机原动机为汽轮机，机组系统简易流程如图2.2所示，箭头所示方向为气体流动方向。离心式压缩机按照压缩机气体的方式不同，压缩机通常分为两类，一类是容积式压缩机（包括活塞式压缩机、回转式压缩机等）；另一类是透平式压缩机。从能量观点来看，压缩机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。容积式压缩机是利用气体容积的缩小来达到气体压力提高的。透平式压缩机是一种叶片旋转式机械。在透平式压缩机中，气体压力的提高是利用叶片和气体的相互作用来达到的。压缩机 汽轮机 压缩机入口

37、压缩机出口压缩机出口图2.2 压缩机流程图Fig.2.2 Flowchart of compressor透平压缩机对气体做功是通过装在转子上的叶轮来实现的，其工作原理与输送液体的离心泵类似。气体从中心流入叶轮，在高速转动的叶轮叶片的作用下，随叶轮作高速旋转并沿半径方向甩出来，由于受旋转离心力的作用，气体的压力得到了提高，同时气流速度也加快了，这就是说叶轮的机械能变成了气体的压力能和动能。接着气体又流过固定不动的扩压器和蜗壳等通道而流出机外，由于面积不断增大，速度降低，气体压力又得到进一步提高，这一部分动能也变成了压力能。 一个叶轮和与它相配合的固定元件构成压缩机的一个级。气体流过一级之后，压力

38、的提高是有限的。在要求升压较高的情况需要由若干个级组成，安装在一个机壳叫做缸；一个缸最多只能装10级左右，更多的级需要用多缸。 气体经压缩后温度要升高，当要求压比较高时，常常将气体压缩到一定压力后从缸引出，在外设的冷却器降温，分离液滴，以便保护设备，减小功耗，然后再导入缸进入下一级继续压缩，这样依次冷却，次数的多少将压缩机分成几个段，一个段可以是一个级，也可以包括几个级，一个缸可分为一段或几段8。 图2.3中为套装转子结构，与传统的活塞式压缩机相比，透平压缩机连续运行安全可靠，长周期运转时间长；透平压缩机压缩气体不与油接触，避免对压缩气体造成油污染；透平压缩机转速高，供气均匀，生产能力大9。透

39、平压缩机结构与主要零部件如下：转子：由主轴、叶轮、平衡盘、推力盘、联轴节等组成；图2.3 套装转子结构Fig.2.3 Suit rotor structure主轴：安装所有的旋转零件，传递扭矩。 叶轮：即工作轮，气体在叶轮叶片的作用下跟着叶轮作高速的旋转，而气体由于受旋转离心力的作用以与在叶轮里的扩压流动，使气体通过叶轮后的压力得到了提高；此外，气体的速度能也同样在叶轮里得到了提高。故叶轮是使气体提高能量的唯一途径。 平衡盘：是利用它的两边气体压差来平衡轴向力的零件。它位于高压端，它的一侧压力可以认为是末级叶轮轮盘侧的间隙中的气体压力（高压）；另一侧通向大气或进气管，它的压力是大气压进气压力（

40、低压）；轴向力的70%被平衡。 推力盘：由于平衡盘只平衡部分轴向力，其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的推力块，实现力的平衡。30%轴向推力被平衡。 联轴节：是轴与轴相互连接的一种部件，可以传递扭矩。 通流部分：由吸气室、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、密封等组成。吸气室：汽缸的一部分，它的作用是把气体均匀地吸入叶轮。扩压器：气体从叶轮流出时具有较高的流速，为充分利用这部分速度能，在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器，用以把速度能转化为压力能以提高压力。无叶扩压器结构简单，变工况的效率高，稳定围宽。叶片扩压器，由于叶片、导叶作用，气体流出扩压器的路程短，设计工况效率高，但结构复杂，稳定工作围窄

41、10。 弯道：是由汽缸（机壳）和隔板构成的弯环形空间，改变气流方向，使气体由离心方向改变成向心方向。 回流器：使气流按所需的方向均匀地进入下一级；由隔板和导流叶片组成。 蜗壳：把扩压器后面或叶轮后面的气体汇集起来，把气体引到压缩机出口的 输送管道；此外，在汇集气体的过程中，在大多数情况下，由于蜗壳外径的逐渐增大和通流截面的渐扩，使气流起到一定的降速扩压作用。 密封：防止气体在级间倒流与向外泄漏。隔板密封和轮盖密封统称为密封，轴端密封为外密封。 2.2.2防喘振控制系统喘振是使透平压缩机性能反常的一种不稳定的运行状态。喘振时压力和流量周期性大幅度变化，进一步可能会产生流量的反向，由此引起过大的轴

42、振动、轴位移和发热，造成轴承、密封、叶轮和转子的损坏。即使没有明显的危险发生，机组工作寿命和效率也已降低。如果压缩机进入喘振状态，由于气流的剧烈振荡性质，使机器处于极度危险中，因此喘振不论对航空发动机还是民用工业，不论是轴流压缩机还是透平压缩机都是严格禁止的。长期以来人们一直致力于喘振这类复杂物理现象的理论和实验研究，取得了许多显著成果。根据已有的研究成果，目前可以通过采用喘振主动控制模式和被动喘振控制模式进行压缩机防喘振控制系统设计。喘振主动控制模式直接着眼于失稳现象本身，抑制引发喘振的气流不稳定过程，如对流场反馈预扰动，改善压缩机系统的性能，阻止喘振发生。从图2.4所示的一例压缩机特性曲线

43、图能够看出，喘振主动控制实施后运行点落在原喘振线左侧，明显拓宽了安全工艺流量围，降低了喘振发生的机率11。在实际生产过程中，目前常规的控制方法主要是被动控制方法。它是在系统工作的最小流量点与喘振点之间留有足够大的稳定区域，阻止工作点进入喘振区。在正常运行情况下，压缩机运行在工作点处，工作点的位置决定于流量、压力、差压等因素，当入口流量减少、出口压力增加时将使压缩机工作点更靠近喘振线，压缩机的运行状况随时发生变化，如停机、入口或出口流量阀可能关小或关闭，即通过流量改变影响压缩机运行，使之可能出现喘振。为避免透平压缩机进入喘振区域，对于空气压缩机，可通过打开放空空阀；对于其他成分压缩机，可打开连接

44、压缩机出口与入口的防喘振回流阀，维持压缩机在最小流量下运行。选择一个适于装置特性的喘振控制系统，取决于许多因素，它包括：压缩机的种类、负荷的变化、测量元件的父敏度、可靠性和喘振控制系统所要求的精确度等。传统防喘振的控制方法有，固定极限流量(或称最小流量)法和可变极限流量法和变频控制法。管网特性线 主动控制后的喘振线 喘振线 压缩机特性线 图2.4压缩机性能曲线Fig. 2.4 Compressor performance curve如图2.5所示，让压缩机通过的流量总是大于某一定值流量Qp，为保证在各种转速下压缩机均不会发生喘振，选取最大转速下的喘振极限流量值为Qp的值，当不能满足工艺负荷需要

45、时，采取部分回流，从而防止进入喘振区。（1）固定极限流量法图2.5 固定极限流量Fig.2.5 Constant limit flow固定极限流量法通常用于恒速运行的离心机且Q的取值应以压缩机高转速对应的流量大于额定喘振点流量的710为比较适合的状态，为使压缩机安全有效和经济运行，在低负荷下操作时，其气量应始终保持在喘振区右边并留有一定的安全裕量，一般欲度在5一10之间。只要保证压缩机吸人流量大于临界吸入量Q。系统就会工作在稳定区，不会发生喘振。如果生产降负荷时，须将部分出口气体放空，保证系统作在稳定区。固定极限流量法的控制是很简单方便，但其缺点也是显而易见的，控制参数过于简单，不能很好的反映

46、喘振曲线的形态和特点，当工作条件变化时，特别是工作温度有所变化时，性能曲线会发生很大变化。不能充分使压缩机工作在其工况区，浪费了能源，降低了经济效益。参数控制过于简单对工作点和喘振线的变化不能与时修正，不能较好的实施控制。（2）可变极限流量法。可变极限流量是防喘振控制在整个压缩机负荷变化围，设置极限流量跟随着转速而变的一种防喘振控制，如图2.6所示。实现可变极限防喘振，关键是确定压缩机的喘振方案。图2.6 可变极限流量Fig.2.6 Variable limit flow本文项目中采用的是可变极限流量法设计的防喘振系统，主要在根据流量，转速变化的时候如何判断工作点与喘振线的位置进而去控制喘振阀

47、的开度。防喘振保护控制也不能过早地动作，否则将引起能量的损耗。因此在喘振线右侧设定一条控制线，其形状与喘振线一致，但与喘振线相距5%-10%的流量量程值。该距离越小，打开阀的机会就越小，能量损失越少，但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。该距离越大，打开阀的机会就越大12 。下文中还会具体提到如何实现全自动PID控制，手自动高选与快开慢关等相关的功能。2.3本章小结蒸汽透平（汽轮机）是用于驱动压缩机组运行，针对不同项目装置的特点进行分析，如何避开危险区，最大的利用能源。因此需要将蒸气透平的调速控制与压缩机的压力控制、防喘振控制、各个工况工作点的调节与机组的状态监测、超速保护、紧急停车等功能集成一起，实现对机组的安全、有效、平稳、节能的控制。第3章 压缩机控制系统硬件构成与系统功能设计根据工艺装置特性与用户需求，本章首先对控制系统的硬件特点进行阐述，从安全性、多功能性与可行性上作出分析，分析讨