对天然气压缩机自动控制技术的探讨

对天然气压缩机自动控制技术的探讨

任洋洋

(内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司内蒙古赤峰025350）

摘要：随着科技在不断的发展，社会在不断的进步，在我国科学技术快速发展的背景下，可编程逻辑控制器技术也越来越成熟，和继电器相比，可编程逻辑控制器技术的扩展性更好，并且具有较好的灵活性，受到环境的影响比较小，在自动化领域得到了广泛的应用。将可编程逻辑控制技术应用到天然气压缩机中，就能够实现压缩机的自动化控制。

关键词：天然气;压缩机;自动控制技术

引言

长输天然气管道压缩机的功能是给天然气增压以维持所要求的输气流量，操作控制方式分为远程控制和就地控制。因为设备、控制逻辑等因素，目前大部分站场仍采用中心调度下令，现场人员就地操作的落后调控模式，造成管道现场需配置大量的人力用于管道的监视与操作。为了确保输气管网运行控制的灵活和可靠，需要设计一种控制系统来实现对压缩机的复杂控制和操作。

1控制功能要求

压缩机站的控制系统为了实现控制目标要求所必须满足的功能要求包括：①防喘振控制，当完全关闭1个子站的入口或出口切断阀时，控制系统的响应必须做到不让任何一台压缩机出现喘振。当同时完全关闭1个子站的入口和出口切断阀时，控制系统的响应必须做到不让任何一台压缩差不能超过0.5%；③负荷分配控制，当将一台压缩机投入系统或退出系统时，控制系统要在小于30min的时间内，重新建立稳态操作，使所有压缩机均衡加载（在1%范围内）.④汽轮机速度控制，在稳定状态下，汽轮机转速与其设定点之间的偏差不能超过0.5%；⑤汽轮机限幅控制，当提高速度设定点时，在汽轮机排气温度已经比它的限幅控制门槛值高出其传感器量程的0.5%以后，或出口压力已经比它的限幅控制门槛值高出其传感器量程的0.1%以后，控制系统不允许速度再继续升高。

2压缩机的技术的先进性分析

2.1自力式调节阀

自力式调节阀是一种无须外加驱动能源，依靠被测介质自身的能量，按设定值进行自动调节的控制装置。它集检测、控制、执行诸多功能于一身，自成一个独立的仪表控制系统。具有以下特点：无需外加驱动能源；节能，运行费用低；适用于爆炸性危险环境，安全性高；结构简单，维护工作量小；集变送器、控制器及执行机构的功能于一体，价格低廉，节约工程投资。

以油田常用的三相分离器为例，使用自力式调节阀工程投资仅为使用电动单元组合仪表的三分之一。配置的C1控制器通过仪表风压力与阀门进口压力成反比控制阀门开关量。比例波纹管连接阀门进口的压力，压在连接梁感受到压力的变化。通过梁调节排气阀拨片的开度，从而改变驱动阀门动作的气源压力，与阀门内弹簧弹力成比例控制阀门开度。

2.2气动调节阀

气动调节阀通过控制模块，采集阀前反馈压力信号，按照设定值依靠输出24V电压电流控制阀门定位器从而驱动执行机构进行自动调节的控制装置。气动调节阀主要由DCS控制系统，阀门定位器、气动阀、压力变送器组成的控制回路。具有以下特点：可实现远程观察运行状态；调量小，精确度高；适用于爆炸性危险环境，较安全。

2.3自力式调节阀的优点

自力式调节阀与气动调节阀相比具有以下几方面优点：（1）气动调节阀需要24V供电，而自力式调节阀不需要。天然气压缩机基本置于室内，在有限的空间中自力式调节阀安全性更高。（2）自力式调节阀纯机械结构控制，气动调节阀属于精密仪器，易干扰。相比较自力式调节发操作简单，运行维护方便.（3）自力式调节阀比气动调节阀工作原理简单成本低。

3控制系统设计

3.1主性能控制。对于1个压缩机站来说，性能控制在站主控制器内实现，站主控制器计算出口压力、压缩比，或流量与其设定点的偏差的比例、积分、微分（PID）响应，并将此响应传递给负荷分配和防喘振控制器。每台负荷分配控制器将接收到的站主控制器的响应变化，从而提高或降低压缩机的流量及压缩比。然后负荷分配响应按照需要微调速度设定点，使压缩机的运行点和喘振控制线的距离与同一子站其他的压缩机相同。

3.2压缩机防喘振控制。为了减少回流量而不冒压缩机喘振的危险，防喘振控制器使用开环和闭环响应对喘振接近变量的变化率作出反应。当压缩机安全地运行在远离其喘振极限的位置时，使用一种简单的比例-积分（PI）响应来减少回流量；当压缩机操作在喘振控制线上，并且有小的、缓慢的扰动出现时，防喘振控制器就会增加回流量。大的、快速的扰动首先通过增加安全裕度来抵消，增加安全裕度后，PI响应随后快速打开回流阀。如果这样一个扰动使运行点越过喘振控制线，那么回流阀将快速地、阶梯性地打开，这样通常就可以防止压缩机达到其喘振极限值。如果这些响应还不足以防止喘振的发生，那么需增加一个稳态的安全裕度。为了减小防喘振控制动作对站出口压力的影响，性能控制器使用前馈算法自动调整速度设定点以适应回流量的变化。另外，当压缩机正在启动、停车、加载及卸载时，防喘振控制器按照需要自动设定回流阀的开度以防止喘振及阻塞的发生。但以前的系统在这些状态转换的过程中，唯一的选择是将回流阀全开或全关。前者将导致阻塞流量或回流管线压力过高，而后者常常会导致喘振。

3.3自动加载和卸载。压缩机控制系统的另一个重要作用是对压缩机进行自动加载和卸载。当1个压缩机站只使用部分性能时，新系统将总流量与站上单台压缩机的性能及所有压缩机的总性能进行对比，并提供提示信号，告知什么时候需要启动或停掉1台压缩机。系统还能够在这些压缩机的启动、停车、加载或卸载过程中提供时序控制，并在这些过程中根据需要自动对回流阀进行定位，以防止在上述过程中出现喘振和阻塞。

3.4负荷分配。压缩机的控制系统使用两种互补的控制响应，在1个站上调节和分配所有的负荷。性能控制响应按照需要同时提高或降低压缩机的转速，以维持设定点的压力或流量。在低流量工况下，为了应对负荷的进一步减小，它还能够增加回流量。负荷平衡响应通常按照需要改变每台压缩机的转速，以将每台压缩机保持在与相应喘振极限距离相等的点上运行。在所有的压缩机同时达到喘振控制线之前，这种作用可以防止不必要的回流。

3.5汽轮机工作原理。汽轮机作为压缩机的驱动装置，汽轮机是整个控制系统提升降低负荷的关键组成。汽轮机又称为蒸汽透平，是用一定温度和压力的蒸汽来做功的旋转式原动机。工作原理如下：来自锅炉的过热蒸汽经速关阀、调节阀进入汽轮机，高压、高温的蒸汽，由一系列喷嘴喷出，经膨胀降压后，形成的高速气流按一定方向冲动汽轮机转子上的动叶片，带动转子按一定速度均匀地旋转，从而将蒸汽的能量转变成机械能。由于能量转换方式不同，汽轮机分为冲动式和反动式两种，在冲动式中，蒸汽只在喷嘴中膨胀，动叶片只受到高速气流的冲动力。在反动式汽轮机中，蒸汽不仅在喷嘴中膨胀，而且还在叶片中膨胀，动叶片既受到高速气流的冲动力，同时受到蒸汽在叶片中膨胀时产生的反作用力。根据汽轮机中叶轮级数不同，可分为单极和多极两种。按热力过程不同，汽轮机可分为背压式、凝气式、抽气凝气式。背压式汽轮机的蒸汽经膨胀做功后以一定的温度和压力排出汽轮机，可继续供工艺使用；凝气式蒸汽轮机的进气在膨胀做功后，全部排入冷凝器凝结为水；抽气凝气式汽轮机的进气在膨胀做功时，一部分蒸汽在中间抽出去作为其它用，其余部分继续在气缸中做功，最后排入冷凝器冷凝。

结语

在科学技术不断进步的背景下，天然气压缩机自动控制技术也在不断发展和进步，通过自动控制技术的应用能够实现天然气压缩机的自动化控制和智能化控制，能够有效提高工作效率，同时避免由于人为因素而出现失误，减少控制人员和操作人员的数量，降低生产成本，从而提高企业的经济效益。

参考文献

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