离心式压缩机防喘振控制方案(共59页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上密级：不要打印此框2cm4cm 5.56cm中文题目居中书写、每行不要超过13cm，一行不够时可排两行，英文题目居中书写，每行不要超过13cm，行间距为1.2lines。1617cm 行间距为1.5lines学 院：5.5cm专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师： (技术职称)年 月5.56cm专心-专注-专业摘 要离心式压缩机是生产过程中十分重要的气体输送设备，喘振现象是离心式压缩机的固有特性，是离心式压缩机工作在小流量时的不稳定流动状态，它对工业生产有很大的危害。解决离心式压缩机的喘振问题，对提高压缩机运行的质量和效率具有重要意义。 如果采用合适

2、控制方法，会提高压缩机的生产效益。论文首先介绍了压缩机防喘振控制的国内外发展现状和意义，在综合各种现有的压缩机防喘振控制系统解决方案的情况下，基于对离心式压缩机防喘振控制方案研究的目的，本文介绍了离心式压缩机工作的基本原理，并对其喘振特性和防喘振控制系统进行了具体分析，主要运用可变极限流量法，设计了基于8051单片机的离心压缩机防喘振控制系统。设计内容主要包括：整体设计方案，单片机控制系统的硬件电路设计和软件设计。单片机控制系统的硬件电路设计主要包括检测电路，A/D转换电路，D/A转换电路，显示电路，报警电路，驱动电路等几个部分。软件设计采用的是模块化程序设计方法，主要程序模块包括压力和流量循

3、环采样模块，A/D以及D/A转换程序模块，中断程序模块等。软件设计力求简洁，运用子程序，使程序具有易扩展、可修改移植的优点。本设计最终目的是使压缩机脱离喘振的危险，也为离心压缩机防喘振控制系统进一步深入研究创造条件。关键词：离心式压缩机；防喘振；8051；PIDAbstractCentrifugal compressor is a very important equipment of gas carrying in industrial production process, Surge phenomenon, which is the inherent characteristic of

4、centrifugal compressor, is defined as the instability flow condition when centrifugal compressors works in little flow, and does great harm to industrial production. It has great significance to improve the quality and efficiency of centrifugal compressor in operation by solving the problem of surge

5、. If some proper method is taken, the compressor will get much better profit.First, this thesis introduces the development and significance of centrifugal compressor anti-surge control both at home and abroad. By the comprehensive consideration of various anti-surge control system applied in centrif

6、ugal compressor presently, based on carrying out the objective that the anti-surge control of centrifugal compressor is implemented, the fundamental of work of the centrifugal compressor is introduced, and the speciality of surge and the anti-surge control system is particular analyzed. This thesis

7、uses the method of the alterable limited flow. This article describes design of the anti-surge control of centrifugal compressor based on single chip microcomputer. Its contents mainly include: Completion of the design plan, hardware circuit design, software design, and etc. The hardware circuit des

8、ign of one-chip computer control system mainly includes A/D&D/A change circuit, detection circuit, display circuit, etc. Adopt the module to design program in software design, procedure module mainly includes flow and pressure circulation module, interrupt program module, conversion program module o

9、f A/D&D/A. Software design strives to be succinct， using the subprogram in a large amount, it will make the procedure apt to expand and be revised easily. The last aim of this scheme is to make the centrifugal compressor break away from the danger of surge, and it will create conditions for further

10、study of centrifugal compressor anti-surge control system.Key words：centrifugal compressor；anti-surge；8051；PID目 录 第1章 绪论1.1 本课题的研究意义1.1.1 前言离心式压缩机用来压缩和输送化工生产中的各种气体，离心式压缩机通过叶轮的高速旋转，把叶轮中心部位的气体靠离心力的作用甩向外缘，使气体获得较高的速度，再通过扩压器将气体的速度能转换成压力能。与此同时，叶轮的中心部位形成了负压区，可将气体连续不断的吸入流道，完成对气体的升压和连续输送过程。喘振是离心式压缩机工作在小流量时的不

11、稳定流动状态，它是离心式压缩机固有的特性。当压缩机发生喘振后，不能正常工作，压缩机性能显著恶化，供气系数大幅度波动破坏生产工艺系统的稳定性，机组各部件承受过高的动应力，叶轮、螺栓等紧固件松动，轴承、轴颈等滑动部件加速磨损，尤其对止推轴承产生冲击力，破坏润滑油膜的稳定性，使轴承合金产生疲劳裂纹，甚至烧毁，破坏机器原安装质量，使各部间隙发生变化，引起动静部分摩擦，甚至使转子发生弯曲变形，消耗压缩机额定功率近40%，大部分转变成热能，某些零部件容易烧毁变形，密封元件损坏，级间压力失灵，使振动加剧，止推轴承烧毁，严重时大量气体外逸，引起爆炸事故1。离心式压缩机的防喘振控制就是当压缩机将要发生喘振时，通

12、过对压缩机入口流量的调节，或对出口压力调节等使压缩机的工作点远离防喘振线，使压缩机工作在稳定的工况区2。目前对压缩机喘振的控制主要有两种方法：一是等流量控制，二是等压控制。在实际操作中，应用较多的就是利用防喘振控制阀，采用气量及压力双参数来作为控制防喘振阀开闭的参照，实现等流量调节。为保证压缩机能够更好地在安全稳定环境下运行、防止喘振现象发生，有必要在这一领域进行一些实用的技术研究。本课题的研究目的是解决离心式压缩机的喘振问题，提高压缩机运行的质量和效率。1.1.2 离心压缩机防喘振的重要作用在现代，石油、化工等工业生产系统的一个生产过程中的各个生产设备，均由管道中的物料流和能量流将它们连接在

13、一起，以进行各种各样的物理化学反应、分离、吸收等过程，从而生产出人们所期望的产品。为了强化生产，流体常常连续传送，以便连续生产，离心式压缩机是生产过程中十分重要的气体输送设备。喘振是离心式压缩机的固有特性，当离心式压缩机在喘振状态下运行时，容易造成设备发生损坏而造成气体物质的渗泄事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成的经济损失是巨大的3。能不能在事故发生前进行有效的防制，是现代工业企业中迫切需要解决的课题。所以设计和选择合适的防喘振控制方案会给企业生产带来便利，是很重要的一件任务。1.1.3 离心压缩机防喘振控制系统的研究意义离心压缩机是一种高速旋转的机械，可以满足工业上对气体压缩的各

14、种需求，应用范围很广。作为一种工业装备，它广泛应用于石油、化工、天然气管线，制冷和冶炼等诸多重要部门。其安全运行与整个装置的可靠性直接影响着经济效益，因而成为倍受关注的心脏设备。随着科学技术的发展，压缩机无论在性能还是在运行的安全可靠性上都得到了很大的提高，但是它本身也存在一些难以消除的缺点，如稳定工况区较窄、容易发生喘振等。另外，离心压缩机的稳定运行也受到其他一些条件的影响，如负载、气体性质、温度等，可以说离心压缩机的控制是一个比较复杂的领域。因此设计一个可靠及时的控制系统对压缩机的稳定运行起着决定性的作用，自动化程度高、性能更加完善、可靠性更高的控制系统可以极大的提高经济效益和压缩机的运行

15、年限。随着计算机技术的发展，压缩机的控制技术有了很大的提高，但是纵观中国，无论是在压缩机的制造还是控制方面都远远落后于世界先进国家，大部分的工业要害部门都使用着外国进口的压缩机和控制系统，同时也带来了技术上和设备维护、修理方面的诸多问题。因此，要想改变我国在这方面的落后状况，我们就必须在现有条件的基础上，努力学习，积极吸收国外先进思想和技术，勇于创新，开发出自己的先进控制系统。这对于改变我国落后的工业控制面貌是至关重要的，这不仅在技术上，还有经济上都会给企业带来巨大的效益。1.2 离心压缩机防喘振控制系统的国内外研究现状及趋势压缩机设备在国民经济发展、人民生活提高及国防装备保障中有着十分重要的

16、作用，在压缩式制冷循环占主导地位的今天4，压缩机就成为倍受关注的对象。基于压缩机防喘振控制，目前国内仍有很多企业的压缩机控制系统以经典控制理论为基础，采用模拟调节器，对其运行中的有关参数如排气量、排气压力，分别作必要的调节，构成单回路的并联控制系统，控制件也多为机械式的双位或比例调节器以及一些保护继电器5。这种控制系统模式虽然能对参数进行一定的调节，以保证装置正常安全运行，实现必要的工艺要求，但调节器难以适应大的负荷变化和工况变化，更顾及不到机组总体最佳的节能运行。随着计算机技术的迅猛发展，有可能利用微信号处理机或计算机来完成更高的控制要求，在许多情况下可以利用可编程控制器PLC来实现6，当今

17、压缩机防喘振系统已经采用这种控制系统。控制策略的选择是压缩机控制系统设计中最重要的问题。在防喘振数字直接控制中，最基本的方法仍然是采用最小流量控制，但是可以针对不同的情形采用不同的对策7。近年来发展起来的模糊控制、鲁棒和神经网络控制技术，为压缩机的智能控制奠定了基础。离心压缩机组工艺流程回路复杂，需要监控的参数众多，涉及到水路、油路、气路的压力、温度和流量控制，以及机组的防喘振控制，机组振动和温度监控，显然，传统的控制方法难以满足上述控制要求，因此采用先进PID控制技术是离心压缩机控制的必然选择。目前，离心式压缩机不断向先进方向发展，比如无限寿命设计的静压轴承，可承受喘振；低油压，并联式双油泵

18、润滑系统，无失油顾虑；水走管内气走管外冷却器，易于清洗水垢；特别是气体轴承、电磁轴承的发展，在不久的将来很有可能摒弃润滑油系统，故障诊断学的新成果为故障的诊断和排除提供了重要手段8。对于国内压缩机的发展趋势应该就是在改进不足和差距的同时，也会向着大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可塑性好的方向发展，控制和监测系统也会向着智能化方向发展。在国外，早在1955年，Emmons等人就开展了失速机理的研究，提出了失速形成的可能原因及失速沿叶栅传播的机理。提出失速团以与转速相反的方向绕着周向方向旋转9。DAY将这种小失速团称为“小尺度扰动”10。1976年，Greitzer在Bulloc

19、k和Wilcox的基于压缩机特性和节流阀特性的系统稳定性基础上，创造性地开辟了这一领域的研究工作，建立了一组描述压缩进入旋转失速或喘振的动态偏微分方程组，提出了临界B参数是判断系统是否产生失稳现象标志的观点11。 Moore采用小扰动理论，在此基础上与Greitzer合作，提出了分析压缩机失稳现象的统一模型，简称M-G模型，这一模型在系统稳定性分析、失速与喘振的数值模拟和压缩机动态特性模型构造等方面己得到较好应用。Mccaughan依据M-G模型，运用分叉理论分析了压缩系统非稳定性的特性，定性地提出了经典喘振与深度喘振的区别，并提出了压缩机的动态响应规律与旋转失速的特性有关。与以上研究者不同，

20、Elder和Gill把离心压缩机喘振的特征与具体压缩机部件对非稳定产生的效应联系起来，大致把影响喘振特性的因素归纳为：特性线的压力梯度、进口导叶的冲角、扩压器通道形式和集流器类型等12。 由于压缩机在工业上有着举足轻重的作用，因此对压缩机的研究在全世界都是非常重视的13。在20世纪90年代，日本的一些压缩机使用和制造企业就已经对压缩机的控制和监测系统提出用机电一体化和高技术(具有人工智能的控制技术和诊断系统)相结合，以达到节能的目的。德国的德马格公司(DEMAG)也在这些方面进行了多年的研究，在压缩机的控制和故障诊断技术方面取得了很大的进展，这些都说明了压缩机控制正朝着更先进的控制方法，智能化

21、，环保化方向发展。1.3 本课题主要研究内容(1)对离心式压缩机喘振产生的原因和控制原理进行了分析，采用可变极限流量法进行防喘振控制。(2)利用传感器对现场离心压缩机的工作参数进行采集，主要包括压缩机入口的流量，入口的压力，以及出口的压力。然后利用变送器进行远传，把信号传到控制室以进行下一步的控制。(3)控制原理：远传的信号到控制室利用转换电路将4-20ma标准信号转换成适当的电压信号，输入到ADC0809片内进行转换，后送到8051芯片进行PID算法控制，然后将结果给到DAC0832处理完驱动执行机构来控制阀门开度使压缩机进气量维持平衡达到预防喘振目的。第2章 离心压缩机防喘振控制系统整体方

22、案设计2.1 离心压缩机工作原理离心式压缩机的本体结构由两大部分组成：转动部分，包括主轴、叶轮、平衡盘、止推盘等部件，称为转子；固定部分，包括汽缸、隔板(扩压器、弯道和回流器)、支持轴承等部件，常称为定子。每一级叶轮和与之相应配合的固定元件(扩压器、弯道和回流器)构成一个基本单元，常称为一个级，如图2-1为一单级离心式压缩机结构。图2-1单级离心式压缩机机结构图图2-2离心式压缩机叶轮的剖面图气体进入压缩机后，压缩机先加速气体，然后把气体的动能转换成压力势能。气体由转动的叶轮来加速。如图2-2所示，工作时，把需要压缩的气体送入叶轮入口前的流道吸入室，然后进入叶轮，气体在叶片作用下，一边跟着叶轮

23、高速旋转，一边由于离心力的作用，在叶片槽道中做扩压流动，使气体的压力和速度都得到提高。气体出叶轮后，进入流道截面逐渐扩大的扩压器，速度减小，速度能转换为压力能，使气体的压力进一步提高。在多级压缩机中，为了把气体引入下一级增压，在扩压器后面设置弯道和回流器。回流器中一般装有导流叶片，使气体均匀的沿轴向进入下一级工作轮。对单级或多级的末级，不存在把气体引入下一级的问题，所以在扩压器的后面不再是弯道和回流器，而是将气体直接排入涡壳，由于涡壳外径和流通截面逐渐扩大，使气体进一步减速和扩压，最后从涡壳排出14。2.2 喘振现象压缩机在运行过程中，当负荷降到一定程度时，压缩机的出口流量剧烈波动，出口止逆阀

24、忽开忽关产生撞击，气体流量和压力发生周期性的变化，频率低而振幅大，同时机身也会剧烈振动，并发出“哮喘”或吼叫声，这种现象就叫做“喘振”。这种现象是由于工艺条件发生变化，使管网阻力升高，压缩机的流量减小，此时压缩机发生“断流”，相当于压缩机出口“憋压”，于是压缩机内部压力开始增大，当其高于管网阻力时，压缩机出口在很短的时间内产生流量脉冲，由于下游流程的流量要求仍然很小，压缩机负荷无法真正得到提高，在瞬间的大流量之后，再次出现“断流”，如此循环就形成了“喘振”。管网的容量越大，喘振的幅度越大，频率越低；管网的容量越小，则情况相反。除此以外，压缩气体的吸入状态，如分子量、温度等也是造成压缩机喘振的原

25、因。分子量越高，温度越低，压缩机越容易发生喘振。从性能曲线上看，离心式压缩机的性能曲线大多呈驼峰型，喘振这种有害现象发生时，压缩机的流量小于最大压头所对应的流量。一旦发生喘振，会给整个工艺流程带来扰动，并给压缩机自身造成损害。压缩机在喘振条件下运行危害极大。第一，振动时容易损坏零部件，包括：密封环、止推轴承等，同时还可能使油膜密封的油气压差失调，破坏油膜密封系统。第二，破坏机组的安装质量，引起轴变形等，导致机组在以后运行中振动加剧。第三，降低有关仪表的准确性或使部分仪表失灵。喘振是由于气体的可压缩性而造成的压缩机的固有特性，因此，防喘振成为压缩机控制系统的一项最重要的任务。首先，可以通过调节透

26、平转速来改变出口的压力和流量。转速降低，流量减小，出口压力减小。但调速范围毕竟有限，一般只能满足对某些工艺参数的控制，对于防喘振起不到决定作用。防喘振的主要手段就是人为增大压缩机的流量，使通过压缩机的流量不至于太小，方法就是增加回流管线，通过控制回流管线上控制阀的开度，确保流量高于最小的安全值15。2.3 影响喘振因素实际运行中引起喘振的原因很多。除了内部流动情况因失速区的产生与发展结果引起喘振外，从外部条件来分析，即从压缩机与管网的联合运行来分析，管网流量、阻力的变化与压缩机工作不协调应是引起压缩机喘振的重要原因。这种工作不协调可以分为两点：第一，压缩机的流量等于或小于喘振流量；第二，压缩机

27、排气压力低于管网气体压力。因为联合运行点是由压缩机特性线和管网特性线共同决定的，如果联合运行点落在压缩机特性线的喘振区就会出现喘振。实际运行中，引起运行点变化的情况很多，凡是运行中压缩机特性线下移(如进气压力降低、进气温度升高、进气分子量减少)或管网特性线上移，或者两者同时发生，或减量过多，使联合运行点落入喘振区的都会引起压缩机喘振。开车过程中升速、升压不协调，如升压太快；降速、降压不协调，如降速太快都可能引起压缩机喘振。影响离心压缩机喘振的因素不是单一的，往往是多种因素综合作用的结果，主要因素如下16。(1)转速变化对喘振的影响离心式压缩机转速变化时，其性能曲线也将随之改变，当转速提高时，压

28、缩机叶轮对气体所做的功将增大，在相同的容积流量下，气体的压力也增大，性能曲线上移。反之，转速降低则使性能曲线下移。对应不同转速，喘振流量也不同，当转速增大时，喘振流量也增大，即随着转速的增大，喘振线向大流量区移动，这一结论已被人们所公认。(2)进气状态对喘振的影响在石油化工生产中，在工艺条件波动的情况下，压缩机进气温度、压力、气体组分的变化都会引起压缩机性能曲线及喘振点的变化。(3)管网特性对喘振的影响图2.3管网对喘振的影响离心式压缩机的工作点是压缩机性能曲线与管网特性曲线的交点，只要其中一条曲线发生变化，则工作点就会改变。管网阻力增大(例如压缩机出口阀关小)，其特性曲线将变陡峭，致使工作点

29、向小流量方向移动，如图2-3所示。当工作点由A移至A时便进入了喘振工况区。管网容量越大，喘振的振幅越高，频率越低，喘振越严重，破坏性越强。喘振的频率大致与管网容量的0.56次方成反比。另外，管网的容量对压缩机的喘振流量也有影响，有些人对一台小型低压离心式压缩机的喘振试验表明：管网的容量对喘振点的影响很大，容量大时喘振点流量也增大，压缩机系统的稳定性变差。(4)结构参数对喘振的影响离心压缩机结构参数的变化直接影响其性能曲线，从而使喘振流量改变。入口导叶开度对喘振的影响离心压缩机入口导叶开度的变化会引起压缩机性能曲线的变化，同时喘振流量也随之改变。根据欧拉方程式，可知叶轮对单位气体所作的理论功h为

30、： (2-1)式中，u1、u2分别为叶轮的进、出口圆周速度，c2u、c1u分别为叶轮的进、出口气体圆周分速度。由上式可知，当转动入口导叶，使进入叶轮的气体方向发生改变时，即c1u改变时会使叶轮对气体所作的功h改变，从而致使压缩机性能曲线发生变化。若增大c1u(c1u0时称为正预旋)，则h就减小，性能曲线也就下移。对某一台离心压缩机进行的进气预旋试验表明：随着导叶预旋角由负增大到正，压缩机性能曲线将向左下方移动，喘振流量也将减少。叶轮结构对喘振的影响叶轮是离心压缩机中的惟一做功部件，叶轮的结构对压缩机的喘振流量有直接影响，但由于叶轮结构参数的变化对压缩机性能的影响较复杂，目前在叶轮结构对喘振的影

31、响方面的研究还较欠缺。叶轮结构参数中的出口安装角2A，对压缩机的性能有着决定性的影响。2A小的叶轮(水泵型叶轮)所构成的级，性能曲线所对应的喘振流量较小，因此抗喘振性能较好。此外，压缩机的喘振性能还与叶道设计的是否合适有关。如果叶道设计得不好，在同样的流量下，若其边界层分离损失很大，则即使2A较小，也不一定会使喘振流量较小。扩压器结构对喘振的影响离心压缩机中扩压器是一个与叶轮几乎同等重要的部件。扩压器的型式对于喘振工况和阻塞工况有很大的影响，是决定压缩机稳定工况范围的重要因素。离心压缩机中扩压器可分为：无叶扩压器和叶片扩压器。通过对某一台小型离心压缩机中的不稳定流动进行测量，得出无叶扩压器半径

32、比对喘振流量有较大影响：半径比小，喘振流量大，压缩机容易喘振。对于叶片扩压器，一般认为：当减小叶片扩压器进口安装角气3A时，可使压缩机性能曲线大幅度地向小流量区偏移，喘振流量大为减少，同时压缩机性能曲线近似平移，其最高效率和能量头基本不变。通过实验研究认为：通过调小叶片扩压器进口安装角，以及采用机翼型和等厚型叶片扩压器均能有效地使离心压缩机性能曲线在一定范围内向小流量工况区偏移。2.5 喘振控制技术及防喘振控制要点由于喘振的危害性，所以防止喘振和抑制喘振的发生，一直是长期研究的重要课题，有许多行之有效的方法。归纳起来分为两类：一是在压缩机本体设计时采取的，以扩大稳定工况范围为目的的；二是针对压

33、缩机运行条件即从压缩机与管网联合运行上采取的。第一种方法中，对于离心式压缩机在设计上采取的措施，一是在气动参数和结构参数的选择上，如采用后弯式叶轮，无叶扩压器，出口宽度变窄的无叶扩压器等。二是在设计时采用导叶可调机构。第二种方法是普遍采用防喘装置。一方面设法在管网流量减少过多时增加压缩机本身的流量，始终保持压缩机在大于喘振流量下运行；另一方面就是控制压缩机的进出口压力。本文研究的就是第二种方法。离心压缩机特性曲线表明，压缩机稳定运行范围的最小流量极限是喘振线，因此，为使压缩机稳定运行，当管网流量减少到这个限定时就有可能发生喘振，因而喘振控制的目的就是避免压缩机出现喘振。设定一条喘振控制线，通常

34、将喘振线右移5%-10%流量，其目的就是当管网流量小于喘振控制线流量时，还保持压缩机运行点始终在稳定区域内，将多余的流量放空或回流，使压缩机稳定运行。早期的防喘振控制系统是模拟量控制系统，随着数字控制系统的发展，防喘振控制系统发展为微信号处理机或计算机控制系统和可编程控制器PLC控制系统。在一般情况下，负荷的减少是压缩机发生喘振的主要原因，因此，要确保压缩机不出现喘振，必须在任何转速下，通过压缩机的实际流量都不小于喘振流量，最基本的控制方法是最小流量限控制，根据不同的应用场合，这种方法又可以分为2种：固定极限流量和可变极限流量 17。固定极限流量法图2.4 固定极限流量如图2-4所示，让压缩机

35、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时，采取部分回流，从而防止进入喘振区。固定极限流量防喘振控制具有实现简单、使用仪表少、可靠性高的优点。但当压缩机低速运行时，虽然压缩机并未进入喘振区，而吸气量也可能小于设置的固定极限，旁路阀打开，气体回流，造成能量的浪费。这种防喘振控制适用于固定转速的场合。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范围内，设置极限流量跟随着转速而变的一种防喘振控制，如图2.5所示。实现可变极限防喘振，关键是确定压缩机的喘振极限方程。图2.5 可变极限流量2

36、.6 防喘振控制要点 通过确保任何时候压缩机有足够小的容积流量能够预防喘振的发生。否则必须打开回流阀以补充这个流量差。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。从控制工艺的观点来看，最令人感兴趣的方面是系统的动态性能。流体失速能很快的引发喘振。目前还没有在价格上可以接受的工业仪表来直接测量喘振，因此控制系统必须能识别喘振极限线有否被越过。为此，通常人为地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18，越能保证机组的安全，但能

37、量损失越大。为了保证有效的防喘振还要非常重视回流阀的动态响应和回流回路的响应时间。回流阀和控制器的性能数据对喘振极限范围内压缩机的整个动态行为有很大的影响。当压缩机紧急停车时，一般要求回流阀从全关到全开的时间大约在1s-2s，高性能的阀门大约在0.5s。只要很小的开度就足以保证压缩机恢复至稳定可靠的工作状态。从全开到全关，由于需要克服流体阻力约需10s，不能太快，以求平稳。除设备相关的方面之外，选择和执行的这些控制规则在可达到的控制质量上有一个决定性的影响19。入口温度和气体成分的波动对喘振极限线的位置有很大的影响。我们应该仔细斟酌这些极限值，虽然它们能够用一种可靠精确的方式来防止喘振的发生，

38、但是同时不应该引起工作区域不必要的减少。必须确保影响极限值的不确定参数尽可能的少。而且，要求采用的算法合理的影响那些影响极限值的参数。综上所述，包含了设备工艺的所有规则，控制器结构，考虑的关于压缩机特性，负载的过程特性以及压缩机装置设计的知识对于控制系统的质量来说是决定性的，因此控制方案必须精心设计。早期的离心式压缩机配备的性能控制及防喘振控制系统都是比较简单的模拟量控制系统，控制性能不好。防喘振控制系统通常采用单参数控制系统，防喘振回路由流量指示控制器控制旁通阀，当管网流量小于或等于最低流量限时，开启旁通阀，使部分气体回流到压缩机入口管线或者放空，增加通过压缩机的流量，防止喘振的发生。该类防

39、喘系统存在两方面的问题。其一是不经济：因为规定的最小流量极限只有一个，没有考虑不同转速下具有不同喘振限流量从而在防喘振控制实行中有部分气体本不需要回流，而进行旁路回流造成能源的浪费。其二，由于控制回路是一简单的模拟量回路有许多因素无法考虑，防喘振控制质量不好，不能最有效地防喘振。现在运用数字直接防喘控制系统，以取代先前的防喘振控制系统。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。采用多参数控制系统可减少能源浪费。与单参数控制系统比较，节能效果明显，并改善了防喘振控制品质。此外，在离心压缩机综合控制系统中利用解藕技术很好地处理了防喘振控制与性能控制

40、或多个防喘振回路之间的协调关系。 第3章 离心压缩机防喘振控制系统设计3.1 系统总体设计思想为了减少压缩机的能量消耗，在压缩机负荷有可能经常波动的场合，采用可变极限流量防喘振控制方案19，本文就是采用此方法实现控制功能的。 假如在压缩机的吸入口测量流量Q1，测得压差P1d，P1d与Q1的关系是： (3-1) (3-2)式中， P1压缩机吸入口压力，绝对压力；M气体分子量； Z压缩系数； R气体常数； 气体重度；压缩机入口温度，绝对温度； K1孔板的流量系数；对式(3-1)两边平方，且将式(3-2)带入得： (3-3)式中 为常数 将式(3)整理最终得： (3-4)按式(3-4)可构成如图3-

41、1所示防喘振控制系统，这是可变极限流量防喘振控制系统。该方案取作为测量值，而取为设定值，此是一个随动系统。当大于设定值时，旁路阀关闭；当小于设定值时，将旁路阀打开一部分，保证压缩机始终工作在稳定区，这样防止喘振的产生。P1TP2TPdCP1dTP1dT压缩机（P2-aP1）/bK12图3-1 极限流量防喘振控制系统要实现(3-4)，当然还有其他结构形式，例如取为测量值，为设定值，本设计最终采用此结构形式构成不等式作为可变极限流量法方程。采用图(3-1) 的接法有一个优点是将运算部分放在闭合回路之外，因此可像单回路流量控制系统那样整定。 在有些情况下，将不等式(3-4)简化，例如： a=0 (3

42、-5) a=1 (3-6)3.2 系统的设计框图及工作原理离心式压缩机使用时由于工艺对象比较复杂，有很多需要考虑的实际外部环境因素和机器运行中出现的各种因素，所以要选择一个可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便的控制系统，并且控制系统应充分考虑各生产环节的参数变化及过程的监测。 离心压缩机控制是必不可少的，一个主要的原因是它能保护离心压缩机以及组成系统的各个部分。另一方面，还要强调目的性的过程管理和过程影响上。 离心压缩机控制对离心压缩机装置的经济性影响很大，诸如压缩机的使用寿命，能量消耗，停机时间以及生产质量等。离心压缩机综合控制一般可以分为：防喘振控制，压力限制控制，温

43、度控制等。防喘振控制防止压缩机工作在不稳定区域，喘振可能导致部件的损坏，导致不可避免的维修消费以及生产损失，即使没有明显的损坏，压缩机的使用寿命和效率也会受到负面的影响。另一方面，防喘振装置的过早启动会增加能量的损耗，因此，控制方法不但要精而且要经济。进一步的保护就是压力控制包括出口压力限制和入口压力控制，过程控制规定了明确的控制目标，严格限定了压缩气体供应量的要求，在恒定的出口或入口压力条件下，对不同体积的流量要求。经分析后该系统采用可变极限流量控制方法，之后，便是设计整个控制的框架，本设计采用单片机控制，外围电路配置有检测电路以及驱动电路，整个系统采用模块化，清晰简洁，框图如下：图3-2

44、控制系统框图控制原理为：检测变送模块根据确定的防喘振控制方法以及公式(3-4)需要实时检测3个变量，即离心压缩机入口流量Q，入口压力P1，出口压力P2，在现场根据压缩机型号进行适当的合理的选择传感器型号，测量压力选择西安仪表厂的远传压力表YTZ150，采集流量信号用西安仪表厂的涡街流量计，这样现场采集的信号需要经过变送装置远传到控制室，进行进一步控制操作。 A/D转换模块 该模块选择AD0809芯片进行模拟量和数字量之间的转换，把转换结果适时的送入到单片机中进行处理。 控制器该系统选用8051单片机进行PID控制，首先对已经转换成数字量的采集信号进行算法比较，如不符合控制算法，启动报警蜂鸣器，

45、并且通过增量型PID控制算法进行控制，将结果送入到下一环节，此外8051还起着显示已采集到信号的作用。 D/A转换模块系统选用DAC0832进行数字量和模拟量之间的转换，这样经单片机发出的控制信号进过该芯片就转换成了可以驱动执行机构的模拟量控制信号，但还需要适当转换电路使输入达到驱动电路执行机构的输入要求。 执行机构系统根据实际情况选用北京航天自动化阀门DWPD系列智能型平衡式电动调节阀，来根据上一环节发出的信号控制阀门开度，根据控制规律适当的控制压缩机入口气体流量使得压缩机工作在正常工况下。第4章 控制系统的硬件设计4.1 单片机控制器的选型及引脚功能4.1.1 微处理器的选择微处理器是整个

46、单片机控制系统的核心部件，它的选择会直接影响到系统的硬件和软件设计，而且还会直接影响到整个系统的性能好坏、系统的性价比的高低及研发周期的长短。签于此，在系统不是很复杂的情况下，且能满足控制需求，该单片机控制系统的微处理器选用了MCS-51系列的8051单片机作为微处理器，8051在功能结构上主要有以下几个特点20：(1) 一个8位CPU；(2) 一个片内振荡器即时钟电路；(3) 4KB ROM程序存储器；(4) 128B RAM 数据存储器；(5) 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路；(6) 32条可编程的I/O线(4个8位并行I/O端口)；(7) 两个16位的定时/计数器；(8) 一个可编程全双工串行口；(9) 5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。4.1.2 8051的引脚功能8051单片机为40引脚芯片如图 所示，按其引脚的性能可分为四个部分：选择会直接影响到系统的硬件和软件设计：图4-1 80