分类号：密级：公开
单位代码：10335学号：20811287
硕士学位论文
中文论文题目：离心式氧气压缩机控制系统设计
英文论文题目：TheDesignOfCentrifugalOxygenCompressorControlSystem
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控制理论与控制工程控制理论与控制工程控制科学与工程学系
I 浙江大学硕士学位论文 离心式氧气压缩机控制系统设计 论文作者签名:指导教师签名: 论文评阅人1：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5： 答辩委员会主席：委员1：委员2：委员3：委员4：委员5： 答辩日期： II 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名： 签字日期： 年月日 III 浙江大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年月日 签字日期： 年月日 IV 浙江大学硕士学位论文 致谢
V 浙江大学硕士学位论文 摘要 离心式压缩机组主要通过叶轮高速旋转产生离心力来压缩气体已广泛应用于冶金、化工、电力、石油、医药和食品等工业部门。
随着离心式压缩机技术不断发展，其结构越来越复杂、运行功率越来越大，导致离心式压缩机防喘振控制、性能调节、安全保护控制方案要求也越来越高，如何控制离心式压缩机安全稳定运行是我们需要面对的重要课题，研究离心式压缩机组的控制方案并实现对应的控制系统软硬件平台，是压缩机组在多工况下高效、安全、自动、稳定运转的重要保障，具有显著的社会效益和经济价值。
本文针对某空分装置中离心式氧气压缩机组的上述控制重点、难点，提出了集离心式氧气压缩机润滑油路系统控制、密封系统控制、轴系及气路参数监测系统控制、调速控制、防喘振控制、紧急喷氮控制为一体的整体控制方案，在Rockwell公司生产的ICS控制系统基础上，设计了压缩机组控制系统的三重化硬件结构和软件平台，并结合工艺运行要求，研发了控制系统功能控制软件和连锁保护逻辑，实现了在人性化、友好的操作画面下对离心式氧气压缩机组的控制过程。
本文分析了离心式氧气压缩机组的固有特性，研究了离心式氧气压缩机在整个工艺流程中的作用和工作机理，基于三重化硬件结构，在实现机组运行状态在线监测的基础上，在控制系统软件中开发适用于离心式氧气压缩机组控制的专用模块，完成专用控制逻辑图设计，实现了机组防喘振控制、调速控制、紧急喷氮控制等机组控制方案，解决了离心式氧气压缩机组的安全稳定运行控制问题，提高了机组的工作效率，保证了整个装置的安全性。
同时，本文还针对离心式氧气压缩机开车较为复杂的情况进行了具体分析，提出了安全的开车时序控制方案，并完善了手动和自动化操作规范及氮氧置换控制流程。
经现场机组运行验证，该控制系统延长机组稳定可靠运行时间20%以上，减少停机维护，降低企业能耗2~3%，能够满足大型化工生产中离心式氧气压缩机组在不同工况下安全稳定运行的要求，对整个生产运行起到了良好的安全保障作用。
关键词离心式氧气压缩机，控制系统，防喘振，紧急喷氮，开车时序，紧急停车 VI 浙江大学硕士学位论文 ABSTRACT pressormainlythroughpressorimpellercentrifugalforcegeneratedbyhighspeedrotationpressedgashasbeenwidelyusedinmetallurgy,chemicalindustry,electricpower,petroleum,pharmaceuticalandfoodindustries.Withpressortechnologydevelopment,itsstructureismoreandplex,operatingpowerismoreandmorebig,leadtopressorsurgecontrol,theperformanceadjustment,safetyprotectioncontrolschemerequirementsalsomoreandmorehigh,howtocontrolthesafeandstableoperationofthepressorisanimportantsubject,weneedtofacethepressorcontrolschemeandimplementthecorrespondingcontrolsystemhardwareandsoftwareplatform,ispressorunitintheefficient,safe,automaticandstableundertheconditionoftheimportantguaranteeofoperation,hassignificantsocialandeconomicvalue. Inthispaper,somekeycontrolinairseparatorcentrifugalpressorputforwardsetcentrifugalpressorlubricationsystem,sealingsystemcontrol,controlsystemandgaspathparametermonitoringsystemcontrol,speedcontrol,anti-surgecontrol,emergencynitrogenspraycontrolforthewholecontrolscheme,inRockwellproductionICScontrolsystem,designpressorcontrolsystemTMRandsoftwareplatform,binedwithprocessrequirements,developedthefunctionofthecontrolsystemandinterlockprotectionlogiccontrolsoftware,realizedinhumanization,friendlyoperationpictureofcentrifugalpressorcontrolprocess. Thispaperanalyzestheinherentcharacteristicsofcentrifugaltypepressor,centrifugalpressorisstudiedintheroleofthewholetechnologicalprocessandworkingmechanism,basedonthetriplehardwarestructure,andonthebasisoftheimplementationunitrunningstatusonlinemonitoring,inthecontrolsystemsoftwaredevelopmentissuitableforthecentrifugaltypepressorcontrolspecialmodule,pletethespecialcontrollogicdiagramdesign,realizedtheunitantisurgecontrol,speedcontrol,emergencycontrolschemeofnitrogeninjectioncontrolissolvedthesecureandstableoperationofthecentrifugaltypepressorcontrolproblem,improvestheworkefficiencyoftheunit,makesurethesafetyoftheentireunit.Atthesametime,thisarticlealsoforpressordriveplexsituationhascarriedontheconcreteanalysis,putforwardthesafedrivesequentialcontrolscheme,andimprovethemanualandautomaticoperationspecificationandnitrogenoxygendisplacement VII 浙江大学硕士学位论文 controlprocess.Thefieldunitoperationtoverifythatthecontrolsystemtoextendthetimeofstableandreliableoperationofmorethan20%,reducedowntime,reducetheenergyconsumptionof2~3%andcanmeettheoxygenintheproductionoflargechemicalpressorunderdifferentconditionstherequirementsofthesafeandstableoperation,forthewholeoperation,thesecurityhasplayedagoodrole.Keywords:Centrifugalpressor，Controlsystem，Antisurge,emergencynitrogeninjection,thedrivingsequence,emergencyshutdown VIII 浙江大学硕士学位论文绪论 目次 致谢................................................................................................................................................V
摘要
选题背景及意义..............................................................................................................1
1.2离心式氧气压缩机控制技术发展现状与研究目标......................................................1 1.2.1离心式氧气压缩机控制技术发展现状..............................................................11.2.2离心式氧气压缩机控制技术研究目标..............................................................31.3本文研究的主要内容......................................................................................................3
2离心式氧气压缩机工艺流程分析..............................................................................................5
2.1离心式氧气压缩机工艺..................................................................................................5
2.2离心式压缩机工作原理和结构......................................................................................72.3离心式氧气压缩机预期性能曲线................................................................................112.4离心式氧气压缩机流量调节分析................................................................................122.4.1调节方式............................................................................................................12
2.4.2离心式压缩机串级调节....................................................................................132.5离心式氧气压缩机喘振与解决方案............................................................................152.5.1喘振产生的现象和后果....................................................................................152.5.2喘振构成因素....................................................................................................16
2.5.3离心式压缩机防喘振控制方案........................................................................182.5小结................................................................................................................................19
3离心式氧气压缩机控制方案研究............................................................................................20
3.1离心式氧气压缩机组整体结构....................................................................................203.2润滑油系统控制方案....................................................................................................21
3.2.1润滑油系统液位监测方案................................................................................223.2.2润滑油系统温度监测方案................................................................................233.2.3润滑油系统压力监测方案................................................................................233.3氧气密封系统控制方案................................................................................................24
3.3.1密封系统压力监测方案....................................................................................24
1 浙江大学硕士学位论文
绪论 3.3.2密封系统差压监测方案....................................................................................253.4离心式氧气压缩机组气路参数监测方案....................................................................26 3.4.1温度参数监测方案............................................................................................27
3.4.2压力参数监测方案............................................................................................27
3.4.3流量参数监测方案............................................................................................28
3.4.4轴振动、位移参数监测方案............................................................................283.5离心式氧气压缩机组操作时序方案............................................................................293.5.1开车操作设计....................................................................................................29
3.5.1.1启动联锁条件.................................................................................................30
3.5.1.2手动开车操作流程设计.................................................................................303.5.1.3自动开车操作流程设计.................................................................................313.5.1.4氮氧置换操作流程设计.................................................................................323.5.2停车操作方案设计............................................................................................32
3.5.2.1正常停车方案.................................................................................................33
3.5.2.2事故停车方案.................................................................................................33
3.5.2.3重事故停车及紧急喷氮处理方案.................................................................343.6小结................................................................................................................................35
4控制系统软、硬件设计及网络架构........................................................................................364.1控制系统需求分析........................................................................................................36
4.2TMR三冗余控制系统硬件设计.................................................................................37
4.2.1ICS三冗余系统...................................................................................................37
4.2.2机组状态监测系统............................................................................................39
4.2.3超速保护装置....................................................................................................40
4.3氧气压缩机控制系统网络设计....................................................................................414.4控制系统软件设计........................................................................................................42
4.4.1控制系统下位机软件.................................................................................................42
4.4.1.1IEC1131TOOLSET特点........................................................................................424.4.1.2功能模块.................................................................................................................43
4.4.2控制系统控制功能设计与实现.................................................................................434.4.2.1开车逻辑设计..........................................................................................................43
2 浙江大学硕士学位论文
绪论 4.4.2.2报警联锁逻辑设计..................................................................................................45
4.4.2.3油系统控制逻辑设计..............................................................................................46
4.4.2.4盘车控制逻辑设计..................................................................................................47
4.4.2.5汽轮机调速控制逻辑设计......................................................................................484.4.2.6防喘振控制..............................................................................................................50
4.4.3控制系统上位机软件特点及功能.............................................................................514.4.3.1lntouchl0.0特点和性能...........................................................................................51
4.4.3.2HMI功能....................................................................................................................52
4.4.4控制系统上位机功能设计.........................................................................................53
4.5小结................................................................................................................................58
5测试与验证................................................................................................................................59
5.1.实现氧气压缩机安全开车操作验证测试....................................................................595.2防喘振仿真与现场实际防喘振控制对比测试............................................................595.3机组安全运行及停车流程处理测试............................................................................615.4小结................................................................................................................................61
6结论与展望................................................................................................................................62
6.1结论................................................................................................................................62
6.2展望................................................................................................................................62
参考文献.......................................................................................................................................63
3 浙江大学硕士学位论文
绪论 1绪论 1.1选题背景及意义 随着中国经济的快速发展，空分、冶金、化肥等行业进入了一个飞跃发展时期，相关产品的市场需求越来越大。
作为空分、冶金、化肥项目中核心旋转动设备的离心式氧气压缩机的使用也越来越广泛。
由于氧气介质具有助燃型的特点，在运行过程中稍有不慎就会造成巨大的经济损失。
如何保证离心式氧气压缩机安全平稳、高效节能的运行一直是非常重要的问题，而合适的控制系统设计正是解决这一问题的关键所在。
本文是针对离心式氧气压缩机自动控制系统的设计。
该机组的整体控制采用的主控制系统是Rockwell三冗余容错控制ICS系统，调速系统采用WOODWARD505E数字式控制器，超速保护系统采用WOODWARDGII超速保护器，测振保护系统采用BENTLY3500系统，该控制系统在设计中对压力测量、流量测量、温度测量和物位测量等仪表的监测位置、控制系统的安全保护措施和参数的整定以及流量的调节过程都做了必要的阐述。
此课题来源于某公司为国内某大型煤化工企业研发设计的首台汽轮机驱动的国产化离心式氧气压缩机机组的仪表和控制系统。
从离心式氧气压缩机工作原理和氧气介质的特殊性以及汽轮机变转速驱动入手，设计出适合离心式氧气压缩机的仪表和控制的整体方案。
1.2离心式氧气压缩机控制技术发展现状与研究目标 1.2.1离心式氧气压缩机控制技术发展现状 目前世界上普遍采用低温法制取氧气。
此种制氧方法生产量大，氧气和氮气的纯度高，电耗低，是当今世界上广泛应用的制氧方法[1]。
低温法制氧按空分设备的工艺流程来分，较常见的有外压缩流程与内压缩流程两类[2]。
外压缩流程就是空分设备生产低压氧气，然后经氧压机加压至所需压力供给用户，也称之为常规空分；内压缩流程就是取消氧压机，直接从空分设备的分馏塔生产出中高压的氧气供给用户；二者的区别在于，内压缩流程的产品氧的供氧压力是由液氧在冷箱内经液氧泵加压达到的，液氧在高
1 浙江大学硕士学位论文绪论 压板翅式换热器与高压空气进行热交换从而汽化复热；而外压缩流程的产品氧的供氧压力由氧压机压缩达到[3-4]。
本次课题是针对外压缩流程中的氧气压缩机进行设计。
为满足装置逐渐大型化、高效化的要求，离心式氧气压缩机的技术发展趋势使设备整体处理介质能力不断增强，三元流动理论应用到叶片扩压器等静止元件设计上。
高性能的压缩机被开发，级间匹配与整机匹配水平也在不断提高，随着设备安全控制技术逐步完善，针对于离心式氧气压缩机的控制理论研究需要进一步细节化。
当今，世界上离心式氧气压缩机组的供应商国外以德国林德公司、日本日立公司、瑞士苏尔寿公司为代表，国内以杭氧集团、沈鼓集团为代表，以20000Nm3/h流量等级的离心式氧气压缩机应用为主，对比之前的小流量离心式氧气压缩机，现阶段的离心式氧气压缩机最明显的优势在于采用了三元叶轮技术。
三元叶轮提高离心式氧气压缩机的级效率，扩大工况范围。
三元叶轮为空间扭曲叶片，经仔细设计的叶片形状能很好地适应三维气体的流场。
使得叶轮进口的气体冲击损失较低；流道中不易出现大的漩涡而阻力损失较小；在很宽的流道中也有很好的效率。
因此在压缩机整机设计时可以将首级叶轮的流量系数选取很大的数值，使首级叶轮的宽度较大直径较小，而大部分叶轮可以处于高效率的流量系数范围。
同时压缩机的转速较高、尺寸较小[5]。
然而，随着经济增长的需要，世界各地的装置规模不断扩大，30000Nm3/h流量等级以上的离心式氧气压缩机将必然会被越来越多的采用，高效节能的问题也将会被越来越重视，结构优化技术、新式高效叶轮技术会被研发。
在离心式压缩机自身方案优化的问题得到解决同时，驱动机由之前的定转速方案向变转速方案改进，控制系统采用更先进安全的产品和设计理念也会成为必然的趋势。
以往，离心式氧气压缩机由于驱动机采用定转速电机，工况较为单
一，机组的传统控制方式采用现场分立仪表并通过彼此间通讯协同控制，通讯速较慢，可靠性较差。
相对分散的控制方法不利于对整个控制系统的监控，不利于对各控制信息的收集及管理，同时无法实现报警信息的时实处理及历史数据的存储。
每个缩机厂家在其自带的控制系统中都会有其专利的控制技术，而且是不对外开放的，称之为“黑匣子”。
国外机组随机携带的控制系统大多采用可编程控制系统(PLC)行控制，控制系统很难实现电源部分及控制器部分的冗余功能。
PLC相关软件的事件报警功能、历史趋势功能、操终记录功能及SOE事件顺序当装置出现问题时很难查清故障发生的根本原因[6-9]。
同时，随着生产规模的不断扩大，对生产过程控制的精度和速度要求也不断提高，原来的过程控制系统由集成式分散控制系统（DCS）来完成已无法满足用户越来越高的
2 浙江大学硕士学位论文绪论 要求。
离心式压缩机的控制系统在此过程中也不断快速发展，由就地模拟控制、单PLC控制、热备双冗余PLC控制，逐渐发展为针对整个压缩机组的流量压力调节、防喘振调节、轴系振动位移监测控制、紧急停车保护等功能为一体的综合控制系统ITCC（TegratedTurbine／CompressorControlSystem）。
1.2.2离心式氧气压缩机控制技术研究目标 本项目中离心式氧气压缩机是重要的核心动设备，因此控制系统采用三重冗(TMR)余容错的控制器、多功能防喘振、性能调节、安全保护的综合控制系统ICS控制系统完成离心式氧气压缩机关键参数的控制与监测，机组轴承振动位移监测采用BENTLY3500系统,超速保护装置采用WOODWARDGII系统，离心式调速采用WOODWARD505E系统，使离心式压缩机控制由传统的模拟仪表控制转变为多功能的专家控制系统。
技术指标：1）氧气压缩机安全开车，并实现自动开车方案。
2）根据预期性能曲线进行防喘振仿真，设计喘振裕度8%，快开裕度2%。
3）紧急喷氮流程规划。
4）压缩机安全运行，安全稳定运行时间提高15%，降低能耗2~3%。
5）停车处理。
针对技术指标设计方案：1）设计氧气压缩机开车时序。
2）开发EXCEL防喘振仿真程序。
3）紧急喷氮系统仪表阀门控制方案设计。
4）设计安全联锁系统。
5）针对不同停车情况给出停车处理方案。
1.3本文研究的主要内容
（1）分析离心压缩机的工作原理、性能和调节,对核心部分防喘振控制进行研究，对引起喘振的因素和喘振对压缩机的危害进行了详细的阐述，同时对防喘振的控制技术进行了综合阐述，设计区别于以往定转速电机驱动方式的汽轮机变转速驱动方式的防喘振控制方案。
3 浙江大学硕士学位论文绪论
（2）从氧气压缩机的组成入手，设计了氧气压缩机气路系统、润滑油系统以及密封系统，并对氧气压缩机需要监测的主要参数的仪表进行了设计。
（3）以氧气压缩机组控制系统开发为背景，研究三冗余系统特点，设计系统硬件配置，并以以太网为架构完成整个控制系统的连接设计。
（4）研究控制系统下位机和上位机软件，设计控制系统主要逻辑功能，完成控制系统程序设计和机组的监控界面。
本课题的论文安排如下：第一章．绪论。
简要论述论文研究的背景和意义，概述离心式氧气压缩机及控制系统的发展及课题研究的主要内容。
第二章．概述离心式氧气压缩机工艺流程以及工作原理、结构、性能、喘振。
第三章介绍了离心式氧气压缩机组控制方案构成，及主要监测仪表设置。
第四章针对关键的开车及停车过程进行了操作时序设计。
第五章介绍了整个控制系统的软、硬件设计、画面设计及网络构成方案。
第六章结合现场实际操作对整体设计方案进行了验证。
第七章是结论与展望。
4 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.1离心式氧气压缩机工艺 氧气压缩机组采用离心式五段八级双缸压缩机，原动机采用抽汽凝汽式汽轮机，整台机组安装在双层布置的封闭厂房内，其中压缩机、汽轮机及其辅助设施布置在二层平台，润滑油站及其辅助设施布置在一层。
离心式压缩机采用两缸五段，两缸串级，缸内背靠背结构以满足离心式氧气压缩机在各段出口的压力和温度要求，如图2.1所示。
为提高效率，压缩机全部采用高效三元叶轮和高效二元叶轮。
离心式氧气压缩机组采用两缸五段，选择6个三元叶轮，6个高效二元叶轮。
低压缸：（机型为：2MCL454）为第I工艺段各2级叶轮（共2级叶轮）每两级叶轮采用背靠背布置。
高压缸：（机型为：3MCL406）为第Ⅱ工艺段各3级叶轮（共6级叶轮）每两级叶轮采用背靠背布置。
氧气压缩机的轴功率3400KW，转速为11935r/min，设计参数如下： 产品型号:2MCL454+3MCL406 项目 单位 正常工况 低压缸2MCL454 高压缸3MCL406 一段 二段 三段 四段 五段 介质 氧气 氧气 氧气 氧气 氧气 标准流量 Nm3/h 20000 20000
20000 20000 20000 质量流量 kg/h 入口流量 m3/h 入口压力 ata 1.07 2.4786
4.7583 8.889316.4985 入口温度 ℃ 25 40 40 40 40
5 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 平均分子量 μ 32 32 32 32 32 相对湿度 ％ K=Cp/Cv 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 入口压缩性系数 Zj 1 1 1 1 1 出口压力 ata 2.54 4.82 8.94 16.55 27.54 出口温度 ℃ 121.7 118.1 116.1 125 123.6 出口压缩性系数 Zc 工作点转速 r/min 11935 工作点气体耗功 kW 3154 工作点轴功率 kW 3400 最大连续转速 r/min 12532 一阶临界转速
r/min 二阶临界转速r/min 最高工作压力 ata6 37.46 最高工作温度 ℃130.9 140.3
6 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 汽轮机 冷却器
一 二 段 段 出 入口口
四 冷却器 段
五 三 入 段 段 口 出 出 口 口 2MCL454 3MCL406
四 二 段 段出出口冷却器 口 入口
五 段入
三 口段入 口 冷却器出口 图2.1氧气压缩机流程 在氧气压缩机的各个压缩段的入出口分别设置有远传功能的温度和压力的检测元件，它们在压缩机运行时时刻监测压缩机各段入出口的温度和压力情况传送至中央控制室，以便操作人员及时了解氧气压缩机的运转情况，以及是否存在温度过高情况，以便采取相应的措施。
同时，在压缩机的入口设置有节流元件，用于监测压缩机流量，压缩机入口流量、入口压力、入口温度，出口压力作为防喘振计算的主要参数参与压缩机防喘振计算。
压缩机根据工艺包的参数要求分为：氮气工况，氧气工况75%负荷，氧气工况100%负荷，氧气工况105%负荷，共有4个工况，每个工况的设计参数都变化较大，而压缩机要满足所有工况的变化，因此氧气压缩机组的控制要根据每个工况数据变化进行比较，控制整个压缩机组对应不同工况作出相应的调整，以满足不同工况的变化需求，使得整个压缩机组处于稳定运行状态。
2.2离心式压缩机工作原理和结构 离心式压缩机是一种叶片旋转机械，是利用叶片旋转时与介质的相互作用，将能量加给介质，提高介质的压力和动能，并利用相继的通流元件使气流减速，将动能转变为压力的提高[10]。
7 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 离心式压缩机的工作范围和气动特点：气体在压缩机中的运动是沿垂直于压缩机轴的径向进行的。
离心压缩机排气均匀，气流无脉冲，无油，预期性能曲线平坦，操作范围较宽。
离心压缩机可用于大中流量，高中低压力，预期性能曲线比较平坦。
作为石化、冶金、动力、制冷等工业部门的关键设备，离心压缩机是应用最广泛的，其优点主要有：
（1）结构紧凑，占地面积小。
（2）流量大，满足生产规模不断扩大的要求。
（3）效率高。
（4）易损件少，便于维护。
离心式压缩机的结构主要本体主要由定子、转子及支撑轴承、推力轴承、轴端密封组成。
（1）离心压缩机定子离心压缩机定子主要由机壳、隔板、级间密封、平衡盘密封组成。
机壳：机壳又称气缸，是静子中最大的零件。
它通常用铸铁或铸钢浇铸出来的。
对于高压离心式压缩机，均采用圆筒锻钢机壳。
机壳一般有水平中分面，便于装配。
上下机壳用定位销定位，螺栓连接。
隔板：隔板的作用是把压缩机各级叶轮分离开，将多级叶轮分隔成具有连续性的流道，各个隔板之间相邻的面形成扩压器流体通道，扩压器把经过叶轮的气体一部分动能变换为压力能。
隔板的内侧设计迥流室，其内部设有导流叶片，可使气体流速平稳地到达下一级叶轮入口。
隔板如图2.2所示。
图2.2隔板
8 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 级间密封：级间密封应用迷宫式结构密封，在离心式压缩机每级叶轮进口外部缘和隔板内孔处，都设置迷宫式密封，以减少每级气体倒流。
迷宫式密封材质大多采用铝合金，采用这种较软的材料主要目的是为了避免对轴套和叶轮造成损伤。
级间密封如图2.3所示。
图2.3级间密封 平衡盘密封：压缩机平衡盘上一般安装迷宫密封，这是为了尽量减少平衡盘的气体泄漏。
在每一缸的两段之间，即转子中间部分的平衡盘上也装有迷宫密封。
以减少中间级出口和压缩机最终出口间的气体泄漏。
结构与级间密封类似。
（2）离心压缩机转子离心压缩机的转子包括主轴、叶轮、轴套、轴螺母、隔套、平衡盘和推力盘等。
主轴：离心压缩机的主轴的功能是有效传递功率，主轴必须具有一定的刚度和强度。
叶轮：叶轮也称工作轮，是离心压缩机中的核心部件。
叶轮采用闭式、后弯型叶轮。
叶轮与轴之间有过盈，并热装在轴上。
气体进入离心压缩机后，随叶轮高速旋转，产生离心效应随着叶轮的增压作用，使气体压力和速度得到提高。
叶轮如图2.4所示。
图2.4叶轮
9 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 隔套：隔套热装在轴上，它们把叶轮固定在适当的位置上，而且能保护没装叶轮部分的轴，使轴避免与气体相接触，且起导流作用。
轴螺母：轴螺母主要是起轴向固定作用。
如轴向固定叶轮、轴端密封等等。
平衡盘：由于在叶轮的轮盖和轮盘上有气体产生的压差，所以压缩机转子受到朝向叶轮入口端的轴向推力的作用，所以设置了平衡盘来平衡一部分推力。
推力盘：推力盘是和推力轴承配合的部件，平衡盘平衡后的残余推力，通过推力盘作用在推力轴承上。
推力盘一般采用锻钢制造而成。
（3）支撑轴承压缩机的支撑轴承，根据需要选用可倾瓦轴承。
这种滑动轴承都是由油站供油强制润滑，轴承装在机壳两端外侧的轴承箱内。
在轴承箱进油孔处装有节流圈，或在前管路中有流量调节器，根据运转时轴衬温度高低，来调整节流圈的孔径，或调节流量调节器阀开度控制进入轴衬的油量，压力润滑油进入轴衬进行润滑并带走产生的热量。
（4）止推轴承止推轴承的作用是承受压缩机没有完全抵消的残余的轴向推力，以及承受联轴器产生的轴向推力。
止推轴承装在支撑轴承的内侧或外侧的轴承箱内。
压缩机上常用的有米契尔式和金斯伯雷式两种。
（5）轴端密封轴端密封根据用户的要求及使用场合的不同可选用不同形式的轴端密封。
如迷宫密封、浮环密封、机械密封，干气密封，抽气密封、充气密封等等。
10 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.3离心式氧气压缩机预期性能曲线 离心式压缩机性能曲线 4.2 3.811935r/min 3.4 11634r/min3 12064r/min 压力(MPaA) 2.6 2.2 1.814000 16000 18000 20000 22000 24000 图2.5离心式氧气压缩机预期性能曲线 离心压缩机的运行工况常常发生变化，为了反映不同工况下压缩机的性能，通常把在一定进气状态下对应各种转速、进气流量与压缩机的排气压力、功率及效率的关系用曲线形式表示出来，这些曲线就称为压缩机的预期性能曲线[11]，如图2.5所示。
预期性能曲线横坐标为离心压缩机工作流量，纵坐标为离心压缩机出口压力。
预期性能曲线有如下特点：
（1）对应每个转速都有一条与之对应的预期性能曲线，当转速恒定时，如果离心压缩机入口流量增加，其出口压力就会降低；反之，如果离心压缩机入口流量减少，其出口压力就会升高。
在流量保持不变时，如果离心压缩机转速越快，其出口气体压力越高，预期性能曲线越向右上方偏移。
（2）随着转速的加快，离心压缩机预期性能曲线会变得与纵坐标趋近于平行。
（3）在转速恒定时，如果流量变大，出口压力会降低，当流量加大到一定量时，压力成直线下降，这就是最大滞止流量。
反之，如果流量变小，出口压力会升高，当减少到一定量时，离心压缩机就会发生喘振，这个流量称为喘振流量，该点为离心压缩机的喘振点。
将所有转速下的喘振点连接起来就形成了离心压缩机的喘振线。
离心压缩机 11 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 流量不能低于或等于喘振流量。
压缩机的性能曲线与管路特性曲线的交叉点，称为压缩机的工作点或操作点(0peratingPoint)[12]。
（4）防喘振线：为了防止离心压缩机进入喘振状态，保证机组安全正常运行，一般设计的最小流量比喘振流量大，留有5～8％的流量裕度，称之为防喘振安全裕度。
防喘振线就是将所有最小流量点用曲线连接起来，此曲线叫防喘振线[13]。
2.4离心式氧气压缩机流量调节分析 离心式压缩机是与其它装置或压力容器联合工作的。
当装置的阻力系数在生产运行过程中很稳定时，压缩机会在某一工况点稳定工作。
但是，在离心压缩机运行过程中，整个装置的管网阻力及工艺流量是经常变化的，为了适应装置管网和工艺流量变化，保证装置对离心压缩机压力或流量的要求，就需要及时调整压缩机的运行性能，使其在新的工况点工作。
这种改变离心压缩机运行性能的方法被称之为离心压缩机的调节。
2.4.1调节方式 根据装置的不同要求，一般可分为：
（1）调整离心压缩机进气流量来维持气体压力不变，即恒定压力调节方式。
（2）调整离心压缩机入口压力来维持气体流量不变，即恒定流量调节方式。
（3）保持离心压缩机压力或流量比例不变，即恒定比例调节。
为达到上述调节目的，离心压缩机可以采用下列调节方式：
（1）调节转速方法是可调范围最大、运行经济性最高的调节方式。
适用于汽轮机、变频电机等可变转速原动机驱动的离心压缩机。
（2）对进口流量进行节流调节具有调节简单、调节范围较宽、经济性较好的特点。
适合固定转速电机驱动的的离心压缩机。
（3）对出口流量进行节流调节也具有调节简单的特点、但却是经济性最差的调节方式。
一般为小功率的离心鼓风机和通风机所采用。
（4）调节变扩压器叶片角度的调节方式，是将离心压缩机预期性能曲线平移，具有扩大压缩机稳定工况范围最有效、经济性好、但结构比较复杂的特点。
适合于某些流量变化范围要求很大，而压力要求保持稳定的离心压缩机。
（5）上述几种调节方法也可以联合使用[14]。
12 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.4.2离心式压缩机串级调节 一个闭环系统在大多数情况下能够满足工艺生产的要求，但有的调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性并不复杂，但对控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。
另外还应该看到，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。
为此需要在单回路的基础上，采取其他措施，组成复杂控制系统-串级控制[15]。
从图2.6中可以看到，串级系统非常显著的一个特点，就是其在结构上形成了两个闭环。
一个闭环在里部，被称为副环，在控制过程中起着初步调节的作用；一个闭环在外部，被称为主环，用来完成精细调节任务，以确保被调参数最终满足工艺要求。
无论主环或副环都有其各自对应的被调对象、测量传感器和调节控制器。
主环对应的被调节对象，被测量参数和调节控制器被称为主调节对象、主参数和主调节控制器。
在副环内则被称为副调节对象、副参数和副调节控制器。
应该指出，系统中尽管有两个调节控制器，但它们的作用却各不相同。
主调节控制器有自己独立的设定值，而它的输出则作为副调节控制器的设定值，副调节控制器的输出则是去控制调节阀调节生产过程。
二次扰动 一次扰动 主参数设定 主 调 _节 器 副调_节器 调 副 节 对 阀 象 副变送器 主主参数对象 主变送器 图2.6通用的串级控制系统 副环具有快速作用，它能够有效克服二次扰动的影响，可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰。
13 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 R1(s) Gc1(s)R2(s)Gc2(s) Gv(s) D2(s)Gd2(s)Gp2(s) Gp1(s)Y1(s) Gm2(s) Y2(s) Gm1(s) 图2.7系统方框图 根据图2.7系统方框图可以得出传递函数 Gd2(s)Gp1(s) Y(s) 1Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(s) 1 D2(s)1G(s)G(s)G(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s) c1m1p11Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(s) 在副环可以看成一个等效的对象 (2.1) G(s)Kp2p2Tp2s
1 GsY2s KP2 p2 R2sTp2s
1 (2.2) 比较Gp2(s)和G'p2(s)可以看出T'p2＜Tp2，这就表明，由于副回路的存在，起到改 善动态特性的作用。
等效对象的时间常数缩小了，而且随着副调节器比例增益的增大而 减小。
通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此副调节器的比例增益可以取得很大， 这样，等效时间常数就可以减到很小的数值，从而加快了副环的响应速度，提高了系统 的工作频率。
根据其系统方框图及其传递函数（2.1）和（2.2），可以得出串级控制系统具有如 下性能：
（1）对二次干扰有很强的克服能力。
（2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。
（3）对负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。
14 浙江大学硕士学位论文
离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.5离心式氧气压缩机喘振与解决方案 2.5.1喘振产生的现象和后果喘振是离心式压缩机的一种固有特性,是系统在某个最小流量点性能变的不稳定, 工作点进入不稳定区。
它主要是由于最高压力点与断流点间呈降能头特性所引起,喘振点取决于这样一些因素,如叶片数目、叶轮相对负荷、叶片角及控制方法等[16]。
如图2.8所示，A点和B点为装置管网的性能曲线与压缩机性能曲线的交叉点，其中AE为正常性能曲线线，CB为突变失速后可能形成的性能曲线。
设A点为离心压缩机旋转失速点，B点为旋转失速后一个可能产生的稳定工作点，离心压缩机在A点工作时，流量的少量减少便有可能引起压缩机的旋转失速。
这时工作轮虽然在旋转，对气体做功，但却不能提高气体的压力，于是压缩机出口压力显著下降[17]。
如果装置管网的设计容积很小，管网的压力值能迅速调整到和压缩机排气压力值相吻合，运行工作点移至平衡点
B。
如果装置管网设计容积很大，管网压力变化很慢，高于压缩机出口压力，将会使管网气体倒流回离心压缩机，离心压缩机工作点由A移至D(如图中虚线表示)。
离心压缩机暂时恢复正常工作，这时装置管网一部分气体继续给用户供气，另一部分气体倒流到压缩机，使装置管网压力迅速下降，离心压缩机又可以向装置管网正常供气，则工作点沿虚线至A点，但是如果引起喘振的原因没有消除，又会重复上述现象。
在实际运行中装置管网的容积是有限的，开始出现气体倒流，导致装置管网的压力变小。
离心压缩机的出口排气量迅速增加，然后又回到到达稳定运行点A(如点划线所示的喘振循环路线所示)，如果引起上述现象的原因始终没有消除，就会不断重复上述现象，造成离心压缩机及管网不断调整振荡，这就是离心压缩机的喘振现象[18]。
图2.8喘振循环图 15 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 喘振对压缩机十分有危害，喘振时由于气流的强烈脉动和周期性振荡，会使供气参数（压力、流量等）大幅度地波动，破坏工艺系统的稳定性；会使叶片强烈振动，叶轮压力大大增加，噪声加剧，会使整个机组发生强烈振动，并可能损坏轴承、密封，进而造成严重的事故，甚至发生气体爆炸事故[19]。
2.5.2喘振构成因素
（1）入口温度：如图2.9所示，在恒压恒转速下运行的离心式压缩机在不同入口温度下运行时的曲线，从曲线可以看出在恒压运行工况下，气体入口温度越高，越容易发生喘振。
因此对同一台压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振。
喘振区 n=常数
P -20℃ 0℃ +10℃
0 Q 图2.9不同入口温度下出口压力与流量的关系
（2）入口压力：如图2.10所示，离心式氧气压缩机的入口压力P1>P2>P3,在压缩机保持恒定压力运行的状态下，离心式压缩机的入口压力越低，喘振也越容易产生。
因此需要在压缩机入口过滤器前后设置差压监测当差压值高报警时，需要及时更换过滤网。
喘振区
P p1>p2>p3 p1p2
0 Q 图2.10不同入口压力下出口压力与流量的关系
（3）流量：离心式压缩机在所有转速n下都对应着1条由出口压力p与流量Q之 16 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 间关系构成的性能曲线，如图2.11所示。
喘振区 非喘振区n1>n2>n3 Pn1 n2n3
Q 图2.11不同转速下出口压力与流量的关系 从图2.11可以看出，随着离心压缩机流量的降低，离心压缩机的出口压力逐渐升高，当出口压力达到该转速下最大值时，离心压缩机开始进入喘振区域，离心压缩机出口压力降低，流量也相应减少，离心压缩机就会发生喘振。
从曲线上看，离心压缩机流量的降低是产生喘振的主要原因。
因此在压缩机组实际运行过程中，一定要尽量避免在小流量工况下运行，一般认为压缩机的最小工作流量不应该小于设计流量的60%。
（4）转速：汽轮机拖动的压缩机,往往根据工艺流量需求而工作在不同转速下,如图2.11所示,在工艺用气量恒定的情况下,转速越快,越容易产生喘振现象。
（5）气体相对分子质量：如图2.12所示，离心压缩机在相同转速，不同相对分子质量下恒压运行的曲线，从曲线上看出，在恒压运行条件下，当相对分子质量越小，越容易发生喘振。
如催化裂化装置压缩机正常运行中，由于天降大雨或冬季天气骤冷使分馏系统空气冷却器的冷却效果突然增强，冷后温度大幅度降低，致使进人压缩机的气体组分变轻，导致分子量减小[20]。
图2.12不同相对分子质量下出口压力与流量的关系 17 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.5.3离心式压缩机防喘振控制方案 离心压缩机的防喘振控制是在压缩机流程中设置自动和手动切换的调节控制方案统，使离心压缩机的运行工作点始终位于喘振线的右侧，也就是在稳定安全区运行。
（1）喘振被动控制技术由图2.13可知，喘振区是位于喘振线左边的区域，只要保证压缩机入口流量始终不小于或等于喘振点的流量，离心压缩机就会工作在稳定安全区，不会产生喘振现象。
传统的控制方法有两种：固定极限流量法和可变极限流量法。
图2.13固定极限流量 固定极限流量法：这种方法使压缩机的入口流量始终控制在大于某一固定值Qp+S（S为安全裕度）上，又称为单参数法。
Qp为正常的可以达到最高转速下的喘振流量，从而避免进入喘振区运行。
固定极限流量法的控制原理是，压缩机正常运行时，入口流量大于设定值Qp+
S，则防喘振阀完全关闭；若入口流量小于Qp+
S，则安装在排气管路或进口管路上的流量传感器便发出讯号给伺服马达，使伺服马达动作，将防喘振阀打开，使部分气体放空或返回压缩机入口循环使用。
因此，不论压缩机后续系统所需气量是多少，由于防喘振阀的作用，使压缩机入口流量始终大于喘振流量，从而保证压缩机正常工作。
固定极限流量法控制方案简单，系统可靠性高，投资少，一般适用于定转速或转速变化范围较小的机组。
如果机组在转速较低的范围内运行，会造成流量裕度过大，能量浪费很大，这种方法在文献[21]有介绍。
可变极限流量法：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，可以采用调节转速的方法来保证压缩机的负荷满足工艺上的要求，因为在不同的转速下，其喘振流量不是恒定不变的，它是一个变数，它随转速的下降而变小，所以最合理的防喘振控制方案应是在整个压缩机负荷变化范围内，使它的工作点沿着喘振的安全操作线而变化，即只要保证工作点始终在喘振线之外就是安全的[22]。
18 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析
（2）喘振主动控制技术前面讨论的防喘振控制属于喘振被动控制模式，其核心是通过防喘振控制，使压缩机运行在稳定的工作范围内，但是这样减小了压缩机的工作区域，使压缩机不能在性能最佳的工作点运行，牺牲了压缩机性能。
自从Greitzer在1985年对压缩机系统提出主动控制的设想以来，便蓬勃兴起了喘振主动控制模式的理论和试验研究热潮，并已取得了许多重要的成果。
喘振主动控制模式和被动控制不同，主要在于它直接着眼于失稳现象本身，抑制诱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，阻止喘振的发生[23-25]。
如图2.14所示，离心压缩机喘振主动控制实现后，工作运行点在原喘振线左侧区域稳定运行，拓宽了安全区域。
图2.14压缩机主动控制和被动控制的区别 根据已发表的研究报告，主动控制模式都采用PID模型，使用的执行机构较多，如防喘振阀、放空阀、入口节流调节阀、加气和可调节入口导叶，对电机驱动式压缩机采用驱动机本身作为喘振控制器等，文献[26]中讨论了采用上述不同机构的影响。
可以发现主动控制模式是未来离心压缩机防喘振控制领域新的研究方向，有待深入的研究和开发。
2.5小结 本章在介绍离心压缩机的工作原理和结构的基础上，分析了压缩机组的预期性能曲线和调节，同时根据压缩机入口压力的动态特性介绍了串级调节的概念、原理、结构为第五章的转速调节入口压力的串级控制奠定了理论基础。
对离心压缩机的喘振原理进行了研究，阐述了喘振的现象和危害，给出了影响喘振的几个因素，并总结了喘振的控制方法。
19 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3离心式氧气压缩机控制方案研究 本章从离心式氧气压缩机整体结构介绍作为切入点，分析了压缩机润滑油系统、密封系统、气路系统和操作时序。
通过对各系统的详细分析，归纳了氧气压缩机需要监测的主要参数如温度、压力、流量、液位、振动和位移等，并对这些参数的监测仪表进行了选型设计，规划了整体控制方案以有效的监测这些参数并进行相关控制保证离心式压缩机组安全稳定运行。
3.1离心式氧气压缩机组整体结构 目前离心式氧气压缩机根据外压缩工艺流程选择的技术方案一般选用由五个压缩段方案。
采用两缸五段形式，共选择4个三元叶轮和6个高效二元叶轮，低压缸采用两段式4级叶轮压缩，高压缸采用三段式6级叶轮压缩。
氧气压缩机组的高低压缸布置在一个公用底座上，汽轮机布置在一个单独底座。
这样在安装找正有利于基础找正。
具体布置图如图3.1所示： 汽轮机 低压缸 高压缸 公用底座 图3.1压缩机布置图 离心式氧气压缩机组主要有下列部分构成：
1、润滑油系统：采用整体油站为压缩机和汽轮机提供润滑油、控制油、顶升油。
2、密封系统：设计密封系统防止氧气对外泄漏，轴承润滑油及外界气体对内渗入。
3、气路系统：设计以汽轮机驱动的离心式氧气压缩机组气路控制方案，包含机组轴系仪 表监测控制、驱动用汽轮机调速控制、防喘振控制、紧急喷氮控制。
现对离心氧气压缩机各个部分分别设计方案。
20 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3.2润滑油系统控制方案 润滑油系统是用来向离心式氧气压缩机、汽轮机提供强制润滑油，向汽轮机调速器提供控制油的供油装置。
润滑油系统由润滑油站、蓄能器组、高位油箱、中间连接管路以及各种控制阀门和检测仪表所组成。
润滑油站由润滑油箱、主辅润滑油泵、主辅润滑油冷油器、主辅润滑油滤油器、润滑油一次、二次压力调节阀、各种监测仪表以及润滑油管路和阀门等构成，如图3.2所示。
润滑油站上的所有设备均安装在一个钢结构底座上。
为运输考虑，将油冷却器组、事故油泵单独放置在一个底座上，到现场后需重新连接相应的管路，构成一集装式供油系统，用户只需进行外部连接。
蓄能器组是由一组皮囊式蓄能器组成，它的作用是维持润滑油压力的稳定。
当润滑油泵切换时，蓄能器组为压缩机和汽轮机提供稳定的润滑油压，防止机组因润滑油压力不稳造成误停机。
蓄能器组可以根据油量需要设计为一个或多个。
当油系统出现故障不能正常供油时，压缩机被迫停机，此时由于压缩机转子的转动惯量很大，机组需经过一段时间后才能完全停下来，这段时间机组所需的润滑油由高位油箱来提供。
高位油箱的设置高度是从压缩机中心线到高位油箱正常操作液位的距离为6米。
压缩机组开机前，高位油箱需充满油。
具体操作步骤为：启动油泵打开高位油箱进油管线三阀组中的截止阀，向高位油箱充油，直至从高位油箱回油视镜中观察到有油流回油箱时为止，此时高位油箱已充满油，然后关闭三阀组中的截止阀。
正常工作期间，始终有少量的油经三阀组中的孔板进入高位油箱，以维持高位油箱内的油压，当润滑油总管的油压低于高位油箱的位差压力时，三阀组中的止回阀自动打开，高位油箱中的油迅速流入润滑油用油点，确保机组安全停机，同时为了提高安全等级，系统还需设置事故油泵，在主、备用油泵都出现故障时及高位油箱润滑油耗净时为压缩机组提供润滑油。
同时考虑到机型较大的离心式氧气压缩机转子及汽轮机转子重量较大，盘车装置在压缩机组开车之前或停机之后无法带动压缩机组进行低速盘车，因此需要为转子重量较大的离心式氧气压缩机组配备顶升装置，在盘车之前利用高压油将轴承顶起，使轴承建立油膜消除摩擦阻力，使盘车顺利完成。
压缩机的顶升装置油泵为齿轮泵，两泵都从润滑油总管取压，供给轴承。
启动油顶升油泵前，要求润滑油站工作正常，润滑油总管压力达到正常工作压力，即0.25MPaG。
21 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 压力调节阀 汽轮机、压缩机润滑油供油 汽轮机控制油供油 过滤器 过滤器 过滤器 冷却器 冷却器 温度调节阀 压力调节阀主油泵 备用油泵 事故油泵 油箱 图3.2油站图 3.2.1润滑油系统液位监测方案 离心式氧气压缩机主要监测的液位参数是润滑油箱、高位油箱的液位，因此针对控制需要，通常在润滑油箱上分别设置就地和远传液位仪表高位油箱上设置远传液位仪表。
润滑油箱液位是保证压缩机组正常运转的重要条件。
在压缩机开车之前的准备工作中，检查油箱的液位是非常重要的一个环节，油箱液位应处于正常值，如果低于最低正常值，需要往油箱里加入离心式油，直至油箱液位达到正常后，才允许启动油泵。
润滑油泵启动后，油管路充满润滑油，润滑油会通过三阀组件进入高位油箱，并将高位 22 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 油箱充满后，从高位油箱回油管线流回到油箱，高位油箱是否充满可以通过液位变送器将信号远传至控制系统进行监测。
由于高位油箱位置较高不利于现场观测因此仅设置远传信号不设置就地液位计。
当高位油箱的充满油，压缩机组其它允许启动条件都满足时，才允许启动压缩机。
现场显示的液位仪表选用玻璃板液位计，远传信号选用液位变送器将液位信号送至控制系统进行显示监测。
3.2.2润滑油系统温度监测方案 润滑油系统温度监测点为润滑油箱温度、润滑油冷却器后温度、及各润滑油支管温度，其中润滑油箱温度和润滑油冷却器后温度较为关键，因此在这两处监测点不但设置了就地仪表还设置了远传仪表，将温度信号送至控制系统。
润滑油箱温度用于监测油箱内润滑油是否达到凝点，以决定是否需要开启润滑油箱加热器。
冷却器后温度用于监控润滑油冷却器是否正常工作。
3.2.3润滑油系统压力监测方案 对于高速旋转机械，由于采用滑动轴承，轴承的运转好坏也就是压缩机运转的好坏，而要保证轴承稳定运转，除了轴承本身的质量外，关键就要看润滑油的质量以及是否有充足和一定压力的润滑油了，润滑油压力的测量就是随时注意润滑油的情况。
在压缩机开车之前要先启动润滑油泵建立润滑油压力，当润滑油压力大于0.25MPa(G)时，才允许启动压缩机。
当润滑油压力低时启动辅助油泵，恢复油压。
如果润滑油压力过低时，系统将联锁停车。
图3.3三冗余配置图 23 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 由于润滑油总管压力是压缩机组正常运转非常重要参数，因此，在润滑油总管压力过低联锁的信号监测采用了三冗余设置，如图3.3所示，即在现场的同一位置安装三台压力开关，三台压力开关分别将检测的信号传至控制系统，在控制系统里进行三取二表决，只有当两台或两台以上压力开关都检测到润滑油总管压力过低时，控制系统才输出联锁停车信号停压缩机，这种设置可以避免压缩机误停车提高系统安全性。
3.3氧气密封系统控制方案 密封系统作用：
1、是为了保证压缩机的可靠轴封，有效的防止轴承润滑油渗入到氧气介质中。
2、阻止外界气体进入离心式氧气压缩机内。
3、机组在氧气运行工况下有效的防止氧气对外泄漏。
4、防止密封用氮气渗入压缩机内。
该部分控制主要包括：参数测量、保安装置、密封差压及压力调节等控制回路。
基于以上需求，我们对氧气密封系统的压力检测和差压检测分别设计了以下方案，在保证系统稳定运行的基础上，完善了密封系统的压力和差压控制。
3.3.1密封系统压力监测方案 在压缩机轴封进气及混合气放空管路上设置有就地压力表、压力变送器及压力开关，对介质的压力进行现场指示同时将压力信号引至控制室显示并监控。
当压力低于报警设定值时，控制室发出声光报警；达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
1）密封系统报警联锁设定值：密封氮气压力≤0.35MPa(G)低报警（氧气运行工况）；密封氮气压力≤0.3MPa(G)过低停机（氧气运行工况）密封氮气减压后压力≤0.185MPa(G)低报警（氧气运行工况）；密封氮气减压后压力≤0.145MPa(G)过低停机（氧气运行工况）当机组在氮气工况运行时，上述报警及联锁解除。
轴承密封氮气压力≤1.0KPa(G)低报警2）轴承室的密封气压力控制：由自立式调节阀对密封氮气二级减压以保持轴承室密封压力恒定。
控制要求:恒定阀后 24 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 压力为:1.5KPa(G)。
3.3.2密封系统差压监测方案 1）混合气体与吸入氧气之间的差压控制（氧气运行工况）差压变送器将测得的混合气体与吸入氧气的差压信号送至控制室显示并监控，测量值与给定值相比较后，输出一控制信号至混合气放空调节阀，通过改变调节阀的开度来控制混合气体放空气量，从而维持混合气腔与吸入氧气之间的差压恒定在设定值。
调节设定值：7KPa当机组在氮气工况运行时，该部分参数监控及PID调节回路不投用。
2）轴封氮气腔与混合气腔之间的差压控制（氧气运行工况）差压变送器将测得的密封氮气与混合气的差压信号送至控制室显示并监控，测量值与给定值相比较后，输出一控制信号至密封氮气压力调节阀，通过改变调节阀的开度来控制密封氮气压力，从而维持轴封氮气腔与混合气腔之间的差压恒定在设定值。
设定值：调节设定值：7KPa当密封氮气腔与混合气腔差压超过报警设定值时，控制室发出声光报警；当差压达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
密封氮气与混合气差压≤3.0KPa低报警；密封氮气与混合气差压≤2.0KPa过低停机；当机组在氮气工况运行时，该部分参数监控、报警、联锁及PID调节回路不投用。
3）轴封氧气腔与混合气腔之间的差压控制（氧气运行工况）差压变送器将测得的密封氧气与混合气的差压信号送至控制室显示并监控，测量值与给定值相比较后，输出一控制信号至密封氧气回流调节阀，通过改变调节阀的开度来控制轴封氧气腔回流至压缩机入口的气量，从而维持轴封氧气腔与混合气腔之间的差压恒定在设定值。
设定值：调节设定值：5KPa当密封氧气与混合气体差压超过报警设定值时，控制室发出声光报警；当差压达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
密封氧气与混合气体差压≤3.0KPa低报警；密封氧气与混合气体差压≤2.0KPa过低停机；当机组在氮气工况运行时，该部分参数监控、报警、联锁及PID调节回路不投用。
25 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 图3.4密封系统图 密封系统包括密封气过滤单元、密封泄漏控制单元如图3.4所示。
3.4离心式氧气压缩机组气路参数监测方案 离心式氧气压缩机组根据工艺过程的需要，需对气路系统温度、压力、流量、液位、振动和位移等参数进行检测，这些参数对于机组是否能正常运转起到非常关键的作用，因此，一些参数不仅要在现场直观的显示出来，还要远传至控制室，在控制系统里参与控制和联锁，保证机组安全稳定运行。
由于离心式氧气压缩机介质属于易助燃危险介质，因此，现场仪表的选型需遵循以下原则：
（1）安装在爆炸危险区域的仪表采用本安型。
（2）除就地指示和特殊仪表外，现场变送器采用智能型仪表。
（3）除轴承温度检测元件和特殊测量仪表外，标准的电动信号为4~20mADC或1~5V DC。
（4）所有现场仪表为全天候型。
（5）现场仪表的材质需要满足工艺介质和现场环境条件的要求。
26 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 基于以上准则，对离心式氧气压缩机组气路参数的温度、压力、流量以及轴振动、位移参数进行了监测方案设计。
3.4.1温度参数监测方案 对于离心式氧气压缩机气路系统温度参数的监控主要有轴承温度和压缩机入、出口温度等。
轴承温度是说明压缩机是否运行正常的重要参数，它可以反映转子、瓦块的运行状况，压缩机的许多故障能从瓦温上提前反映，轴温的测量就显得很重要因此在轴承上设置PT100埋入式铂热电阻将温度进行远传监控。
设定值： 压缩机轴承温度≥105℃，高报警；压缩机轴承温度≥115℃，过高联锁；压缩机入、出口温度是参与压缩机防喘振控制的重要参数，也是影响压缩机气动性能、机械性能和寿命的重要参数。
氧气运行工况下，当压缩机各段出口的气体温度信号超过报警设定值时，控制室发出声光报警；达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
设定值：压缩机一段出口气体温度≥141.8℃，高报警；压缩机一段出口气体温度≥156.8℃，过高联锁；压缩机二段出口气体温度≥139.8℃，高报警；压缩机二段出口气体温度≥154.8℃，过高联锁；压缩机三段出口气体温度≥141.9℃，高报警；压缩机三段出口气体温度≥156.9℃，过高联锁；压缩机四段出口气体温度≥150.4℃，高报警；压缩机四段出口气体温度≥165.4℃，过高联锁；压缩机五段出口气体温度≥150.2℃，高报警；压缩机五段出口气体温度≥165.2℃，过高联锁；压缩机入、出口温度的检测仪表主要有现场显示的双金属温度计，远传信号采用PT100插入式铂热电阻将信号远传至控制系统进行显示。
3.4.2压力参数监测方案 对于离心式氧气压缩机压力参数的监控主要有压缩机入、出口压力等。
27 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 压缩机入、出口压力是参与压缩机防喘振控制的重要参数，压缩机出口压力也衡量压缩机是否满足设计要求的重要参数。
最终进入控制系统的压缩机入、出口压力参数都以绝压来表示，所以需要将测量到的表压转换成绝压，转换公式如下： PaPgP0 (3.1) 式中，Pa为绝压；Pg为表压；P0为大气压。
现场显示的压力监控的仪表选用不锈钢耐震压力表，远传信号去控制系统进行显示、控制、联锁的压力仪表选用压力变送器。
3.4.3流量参数监测方案 氧气压缩机流量的监测主要是压缩机进口流量，流量仪表在现场测量并通过差压变送器将差压信号转换成电信号送至控制室进行显示和参与控制，流量是参与压缩机防喘振的重要参数。
流量通常是瞬时流量的简称，是指单位时间内流过管道或特定通道某一截面的流体数量。
流量分为质量流量和体积流量，质量流量用符号qm表示，体积流量用符号qv表示，而质量流 量和体积流量还有一定的关系，表示为： qmqv (3.2) 但通常情况下，我们在离心压缩机气路系统图上标注的流量是在标准状况下的流量，转 换公式如下： QPQTNNTP
N (3.3) 式中，P实测压力；T实测温度；Q实测流量；PN标况压力；TN标况温度。
远传信号去控制系统进行显示、控制的流量仪表选用巍缔巴插入式流量计。
3.4.4轴振动、位移参数监测方案 轴振动和位移测量对于转速高达几千转甚至上万转的压缩机来说非常重要的，因为转子的微小缺陷和不平衡对如此高速的旋转机械都是致命的，所以尽早发现转子的缺陷是至关重要的，对于进行预测性维修，保证机组安全长期运转有着重要的意义。
轴振动和轴位移监测系统主要由电涡流传感器探头、延伸电缆、前置器以及监测模块组成，如图3.6所示。
28 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 图3.6探头、延伸电缆及前置器 在压缩机的每个径向轴承分别装有两路互成90°的振动探头，通过延伸电缆将间隙电压信号传至前置器，当轴振动大时，压缩机控制室接收到前置器送来的信号，经过处理后发出声光报警，当轴振动过大时，系统将联锁停车。
在压缩机的止推轴承侧装有两路位移探头，这两路路探头是针对同一被测面设置，同样通过延伸电缆和前置器将间隙电压信号送至控制系统，如果判断出测量信号过大，系统将联锁停车。
轴位移是压缩机组正常运转非常重要参数，因此，轴位移信号的现场监测也采用了冗余配置，这种设置可以避免压缩机误停车。
除了需要监控参数以外，还有许多控制功能需要完成：
(1)性能参数的自动调节：压缩机转速自动调节以及压缩机防喘振控制等。
(2)故障报警和故障分析：当压缩机出现温度监测点温度过高、机组轴振动轴位移过大、汽轮机排气温度过高、汽轮机排气压力过高等情况时，监控系统能进行声光报警，同时运用屏幕显示或打印机打印进行故障记忆，从而根据超限测点及相关参数判断并指明故障部位、故障属性、故障原因及排除故障的方法。
(3)紧急停车：当离心式氧气压缩机或者汽轮机出现紧急情况时，如温度、转速过高、振动位移过大等，系统应紧急停汽轮机，以保护整个压缩机组。
3.5离心式氧气压缩机组操作时序方案 3.5.1开车操作设计离心式氧气压缩机组根据工艺要求及不同工况下操作需要通常分为手动开车操作和自动 开车操作两种模式。
针对这两种开车模式设计了两种开车操作顺序。
29 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3.5.1.1启动联锁条件 a)吸入切断阀FV-171220全关b)氮气入口阀FV-171260全开c)排烟风机运转d)排出阀HV-171230、HV-171231全关e)出口放空阀PV-171230全关f)两缸间旁通阀HV-171225全开g)防喘振阀FV-171221全开h)紧急喷氮阀FV-171261全关i)混合气放空阀PdV-171253全开j)润滑油总管PNS-171245压力正常k)润滑油温TNS-171241正常l)冷却水流量正常m)密封氮气压力PNS-171251正常n)氮气入口压力调节器PIC-171260投入自调，设定点不高于0.12MPa(A)，不低于0.45MPa(G)。
3.5.1.2手动开车操作流程设计 1）操作台上的“手动—自动”控制方式选择开关置于“手动”位置。
如为氮气试运行，氮气试运行选择开关置于合闸位。
2）开启油泵、排烟风机及手动将各阀门打开，调整油泵出口压力（正常值为0.6-0.7MpaG）及供油总管压力为正常值。
（油系统的单体调试应先调试合格）。
3）启动条件满足后操作台上允许启动指示灯亮(启动条件指示灯)，如为氮气试运转操作台上“氮气试车”指示灯同时亮（该灯为介质指示灯，在氮气入口阀全开时此灯亮）。
4）中控制室操作台上启动汽轮机。
5）操作各阀门使压缩机达到正常工况。
6）确认氧气质量合格后，手操氧气输送阀，开始输送氧气。
在离心式氧气压缩机机组正式压氧以前以及进行单机试车前，应先进行氮气试运转，此时各启动联锁功能仍在控制系统内实现。
机器按1）~5）项操作进行氮气运转试验。
30 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3.5.1.3自动开车操作流程设计 a)操作台上的“手动—自动”，控制方式选择开关拨在“自动”位置。
b)主控室仪控操作台上的以下手操器置于“遥控”或（“自动”）位置，它们将接收来自中控室的遥控信号： 氧气输送阀手操器放空阀手操器缸间旁通阀手操器防喘振阀手操器c)将中控室内自动启动开关由“停止”位置拨到“准备”位置，此时，自动进行下述动作：轴封氮气压差调节器PdIC-171251置于“自动”方式，设定值为7KPa；混合气与密封氧气压差调节器PdIC-171252置于“自动”方式，设定值为7KPa；高压放空压力调节器PIC-171230A手操，使PV-171230全关；各辅机及阀门分别投入运行及动作后，在全部条件满足后，操作台上的“允许启动”指示灯亮，如为氮气试车，电控机旁柜上的氮气试车灯同时亮。
再一次检查各仪表、阀门位置、轴封系统、冷却水量、油温、油压等是否正常。
d)将中控室内自动启动开关由“准备”位置拨到“启动”位置，此时，自动进行下述动作：仪控操作台内的电铃响10秒钟，汽轮机机启动，同时，轴振动报警、联锁倍增；倍增手段通过二次表中予设的倍增功能实现。
汽轮机正常运行后，高压放空压力调节器PIC-171230A投入“自动”调节状态，其压力设定值为2.6951MPa(A)（氮气条件时）在PIC-171230A投入“自动”调节状态的同时，密封气混合气放空电磁阀PdY-171253得电，PdV-171253投入自动；汽轮机正常运行5分钟后，缸间旁通阀的电磁阀HY-171225得电，缸间旁通阀HV-171225在5分钟内全关；缸间旁通阀HV-171225全关30秒后，防喘振阀FV-171221的电磁阀FY-171221得电，FV-171221投入防喘振自动调节状态，其设定值为5Kpa(G)。
密封气混合气放阀PdV-171253全关后30秒，密封氧气与混合气差压PdT-171252在表压≥7Kpa时，轴封差压调节系统的联锁PdISA-171251、PdISA-171252投入； 31 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 如为氮试，则开车过程到此结束。
3.5.1.4氮氧置换操作流程设计 经过以上操作，使压缩机出口压力在2.7MPa（A）情况下稳定运行。
在各项机械运转指标正常，各管线无泄露的情况下，30分钟后，进行氮、氧切换。
流程如下： a)轴封差压调节PdISA-171251、PdISA-171252联锁解除；b)30秒后，缸间旁通阀HV-171225在5分钟内全开；c)缸间旁通阀HV-171225全开后30秒，高压放空阀PV-171230在5分钟内全开；d)确认氧气入口压力为0.107MPa(A)e)PV-171260全开后30秒，可进行氧、氮切换，氧气入口阀FV-171220全开，10秒钟后，氮气入口阀FV-171260全关；f)FV-171260全关1分钟后，氮气入口旁通阀PV-171260的电磁阀PY-171260得电，PIC-171260全关；g)防喘振调节自调，其设定值为5Kpa(G);5分钟后，当确认纯度达到设计值后，进行以下动作：a)缸间旁通阀HV-171225,5分钟内全关；b)HV-171225全关后30秒，c)高压放空阀PV-171230投入自动，设定值为3.0MPa（A）；d)在PdT-171252表压≥7KPa时，轴封差压调节系统的联锁PdIC-171251、PdIC-171252投入；e)2分钟后，氧气输送阀HV-171230全开；经过以上过程，氧压机投入正常运转。
3.5.2停车操作方案设计 停车方式有三种：正常停车：万能转换开关从“启动”返回到“准备”位置，然后返回到“停止”位置，机器自动停车。
事故停车：当出现任何一个事故时，主电机自动停车，在有关阀门自动动作后，将万能转换开关从“启动”返回到“准备”位置，然后再返回到“停止”位置，机器自动停车。
32 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 重事故停车：当出现重事故时，机组除程序自动停车外，还要自动进行喷氮一分钟程序，以确保机器和其它设备的安全。
3.5.2.1正常停车方案 a)将中控室内自动启动开关由“启动”位置拨到“准备”位置，此时进行下述动作： 氧气排出阀HV-171230手动全关；混合气放空阀PdV-171253全开，轴封压差调节PdISA-171251、PdISA-171252联锁解除；缸间旁通阀HV-171225全开后，防喘振阀FV-171221全开，出口放空阀PV-171230全开。
经过以上过程，氧气压力已降低，停止送氧。
b)将中控室内自动启动开关由“准备”位置拨到“停止”位置，此时进行下述动作：汽轮机停车；30秒后吸入切断阀FV-171220全关；混合气排放阀PdV-171253全关；30分钟后，允许油泵及排烟风机手动停车；至此，停车过程结束。
3.5.2.2事故停车方案 事故停车信号为：密封氮气PSA-171251压力过低；密封氮气减压后压力PSA-171254过低密封氮气与混合气压差PdSA-171251过低密封氧气与混合气压差PdSA-171252过低润滑油总管压力PSA171245A/B/C过低汽轮机止推轴承温度TSA-171271A/B、TSA-171272A/B过高汽轮机径向轴承温度（自由端）TSA-171273A/B过高汽轮机径向轴承温度（低压缸端）TSA-171274A/B过高 33 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 低压缸止推轴承温度TSA-171201～171204过高低压缸径向轴承（汽轮机端）温度TSA-171207、TSA-171208过高低压缸径向轴承（高压缸端）温度TSA-171201、TSA-171202过高高压缸止推轴承温度TSA-171211～171214过高高压缸径向轴承（自由端）温度TSA-171211、TSA-171212过高高压缸径向轴承（低压缸端）温度TSA-171217、TSA-171218过高当出现上述任一事故停车信号时，将根据下述程序停车：汽轮机停车：氧气排出阀HV-171230手动全关，停止送氧；混合气排放阀PdV-171253的电磁阀FY-171253失电，PdV-171253全开；轴封差压调节PdSA-171251、PdSA-171252联锁解除；缸间旁通阀HV-171225全开；出口放空阀PV-171230全开，防喘振阀FV-171221全开，；吸入切断阀FV-171220全关；将中控室内自动起动开关由“启动”位置经“准备”位置返回到“停车”位置，此时进行下述动作：30分钟后，允许油泵及排烟风机手动停车。
至此，事故停车过程结束。
3.5.2.3重事故停车及紧急喷氮处理方案 重事故停车信号为：低压缸轴位移XSA-171201、XSA-171202过大；高压缸轴位移XSA-171211、XSA-171212过大低压缸轴振动（高压缸侧）VSA-171201/171202过大低压缸轴振动（汽轮机侧）VSA-171203/171204过大高压缸轴振动（自由端侧）VSA-171211/171212过大高压缸轴振动（低压缸侧）VSA-171213/171214过大一段出口温度TSA-171222过高二段出口温度TSA-171224过高三段出口温度TSA-171226过高四段出口温度TSA-171228过高 34 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 五段出口温度TSA-171230过高当出现上述任一重大事故停车信号时，为防止燃烧，机器将根据下述程序停车并喷氮一分钟，氧气排出阀HV-171230手动全关，停止送氧；混合气排放阀PdV-171253的电磁阀FY-171253失电，PdV-171253全开；轴封差压调节PdSA-171251、PdSA-171252联锁解除；缸间旁通阀HV-171225全开；出口放空阀PV-171230全开，防喘振阀FV-171221全开；吸入切断阀FV-171221全关；氮气入口阀FV-171260和紧急喷氮阀FV-171261全开，紧急喷氮一分钟后，上述两阀全关；30分钟后，允许油泵及排烟风机手动停车。
至此，重事故停车过程结束。
将中控室内自动启动开关由“启动”位置经“准备”位置返回到“停车”位置。
3.6小结 本章从氧气压缩机组成入手，介绍了压缩机润滑油系统、密封系统和气路系统。
通过各系统的介绍，得出氧气压缩机需要监测的主要参数有温度、压力、流量、液位、振动和位移等，并对这些参数的监测仪表进行了选型设计，有效的监测这些参数对于保证离心式压缩机组安全稳定运行至关重要。
针对氧气压缩机组提出了开车时序的设计，并针对三种停车情况设计了停车操作方案及重故障停车时紧急喷氮系统操作流程。
这些操作方式的正确运用对离心式氧气压缩机安全稳定的开车停车起到至关重要的作用。
35 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 4控制系统软、硬件设计及网络架构 本章通过对离心式氧气压缩机控制系统功能具体要求的分析，研究了ICS三冗余系统特点和系统的硬件组成，设计了控制系统的硬件配置方案，并以以太网为架构完成整个控制系统的网络连接设计。
针对一些关键逻辑控制流程的设计，完成控制系统软件的开发设计了离心式氧气压缩机组控制系统监控画面，针对数据的显示画面进行实例说明。
综合应用化学工程技术、计算机应用技术和自动控制技术对乙烯生产过程实现先进控制和优化操作，充分发挥设备的内在潜力，以低能耗低成本消耗和高产出获得较高的经济效益[27]。
4.1控制系统需求分析 离心式氧气压缩机控制系统设计应达到以下要求：
（1）实现对整个压缩机系统的控制，准确达到工艺控制说明中规定的工艺控制目标。
（2）最大程度地提高压缩机效率，同时保证最高压头和最小喘振极限，保持最佳性能。
（3）准确判断压缩机接近喘振的距离并产生相应的防喘振输出。
（4）保证压缩机在规定的测试性能数据及其他工艺限制等范围内运行。
（5）减少压缩机和工艺限制值的变量超调，实现控制器最小安全裕度，优化压缩机正常 操作。
允许充分但不过量的再循环流量，再循环浪费最少。
（6）在压缩机防喘振、性能和透平转速控制回路之间采用实时控制回路解耦技术，最大 程度提高过程稳定性。
多级压缩机也应采用防喘振控制及防喘振回路解耦技术。
（7）通过均匀分配总负载，保证每段压缩机与喘振点保持相同的距离，避免在减负荷运 行时出现不必要的再循环或停机，最大程度提高整个压缩机网络的能效。
（8）开车、停车操作过程中采用标准化的模式切换方案，最大程度地减少工艺状态改变 所需的人工干预。
（9）汽驱动压缩机应采用超速保护机械装置和独立的压缩机三选二逻辑超速跳车设施。
（10）检测防喘振控制的故障并产生相应的保护输出。
（11）即使硬件故障也提供不间断的控制。
（12）提供压缩机组的安全保护和报警联锁功能。
（13）提供压缩机的自动电盘车控制功能。
（14）提供压缩机的密封系统控制功能。
36 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 4.2TMR三冗余控制系统硬件设计 氧气压缩机控制系统硬件主要由RockwellICSTRIPLEX三冗余系统、BENTLY3500机组状态监测系统、超速保护装置、以太网通讯网络组成。
三冗余系统概念：三冗余系统简称TMR(TripleModularRedundancy)，是一种容错设计技术．IO卡件中三个模块同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，通常称为三取
二．三个模块中只要不同时出现两个相同的错误，就能掩蔽掉故障模块的错误，保证系统正确的输出．由于三个模块是互相独立的，两个模块同时出现错误是极小概率事件，故可以大大提高系统的可信性．同时，为保障每个模块的可靠性，保证及时处理一次故障的影响，系统还具有故障检测能力，周期性或在需要时检测故障，发现故障后能及时定位，进行故障处理，减少二次故障发生概率．采用TMR三冗余控制系统的安全性和可靠性要远高于传统的非冗余控制系统及双卡热备冗余系统。
4.2.1ICS三冗余系统 ICSTRIPLEX系统由美国Rockwell公司研发生产的大型控制器产品，它以三重化冗余模块（TMR）为主要特色。
TMR就是所有重要电路都实现三重化冗余或物理三重化冗余功能，安全等级达到TUV6级或通过SIL3级认证。
它解决了以往分散控制系统的缺点，把机组的各个控制部分：机组联锁ESD、SOE事件顺序记录、机组控制PID(例如：防喘振控制、调速控制等)及常规指示记录功能，故障诊断功能等完美地结合在一起，集成为一套机组综合控制系统[28]。
ICSTRIPLEX系统具有三重化冗余处理器(TMR)，可用于控制及信息处理，它提供了高级的编程特点和多种通信方式满足你独特的应用。
它为具有特定I/O要求的大规模顺序和调节控制应用以及与其它处理器和设备协调的需要而设计的。
它包括如下功能：
（1）支持多种编程语言：梯形图、结构文本、功能流程块图。
（2）先进的指令集：包括基本的和先进的ASCII串指令，先进的算术功能。
（3）多种函数块。
（4）内置的通信：RS232/485，远程I/O控制网络，远程I/O通讯。
（5）T8151B通信模块提供了串行端口，端口提供了嵌入的ModBus通信功能，使处理器能够和MODBUS网络主站通讯。
经过对氧气压缩机各系统的研究，计算出本套氧气压缩机组需要进入控制系统参与显示、 37 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 控制、联锁的测点数量如表4.1所示。
表4.1控制系统I/O清单 信号类型实际测点数设计测点数备用测点数 备用率 AI(4~20mA)AI(Pt100) 21 38 120 61103% AO164024150% PI396167% DI5012070140% DO194021110% 按照ICS控制系统测点数量选取系统卡件型号和数量如表4.2所示。
表4.2ICS系列控制器配置清单 序号 型号 名称 数量
1 T8100 控制器主机架TMR
1 2 T8110B 增强型主处理器TMR
1 3 T8151B 网络通讯模块TCM
2 4 T8300 扩展机架TMR
1 5 T8310 扩展处理器模块TMR
1 6 T8431 AI模块4-20mADC40点TMR
3 7 T8480 AO模块4-20mADC40点TMR
1 8 T8442 PI模块24VDC隔离9点TMR
1 9 T8403 DI模块24VAC/DC隔离40点TMR
3 10 T8461 DO模块24VAC/DC隔离40点TMR
1 ICS控制系统由一个主机架和两个扩展机架构成，控制系统通过主机架上安装的两个网 络通讯模块（T8151B）完成与DCS和3500框架表的通讯。
每个网络通讯模块（T8151B）有 四个串口，这些串口在系统做从站时使用RTUMODBUS传输协议，支持RS-232或RS-485 通讯。
本系统考虑到传输距离，都采用RS-485通讯模式。
与DCS系统通讯时，DCS系统做 主站，ICS系统做从站，选用RTU协议，控制器把压缩机各参数传送到DCS系统上显示。
ICS 系统与3500系统之间通讯时，ICS系统做主站，3500系统做从站，3500被设定为一个从设 备，只能响应主设备的传输请求。
通过简单的通讯连接，3500能够直接把压缩机的压缩机轴 振动、轴位移等参数传输到控制器中。
38 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 4.2.2机组状态监测系统机组状态监测系统选用美国本特利公司的3500系列产品，它是当今最新的机器检测系 统，此系统能够通过多种传感器采集数据作为一个系统，提供连续、在线监测功能，适用于机械保护应用，它是本特利内华达采用传统框架形式的系统中功能最强、最灵活的系统，具有数字化和集成化程度高、支持在线插拔等特点[29]。
BENTLY3500机组状态监测系统是汽轮机、压缩机轴承振动和轴位移数据采集的重要单元。
其由框架、电源模块、接口模块、键相器模块、振动、位移监测器模块、继电器模块以及通讯模块组成[30]，如图4.1所示。
图4.1本特利的框架仪表3500 根据本套压缩机和汽轮机需要监测的振动和位移数量，设计出如表4.3的机组状态检测系统配置方案。
39 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 表4.3机组状态监测系统配置 序号1234567 名称框架框架接口模块电源2通道键相器模块4通道监测器模块16通道继电器模块通讯接口模块 型号3500/05-01-01-00-00-00 3500/20-01-02-003500/15-02-02-003500/25-01-01-00 3500/40-01-003500/33-01-003500/92-02-01-00 数量1111312 压缩机、汽轮机的振动和位移数据可以通过本特利的监控软件传到工程师站进行在线监测，可以在工程师站看到其间隙电压以及其当前的实时数值的大小。
4.2.3超速保护装置 离心压缩机是一种高速转动设备，其转动部件的应力与转速有密切的关系。
因离心力与转速平方成正比，转速增加时，离心力所引起的应力将迅速增加。
因此如果转速升高到不允许的数值，将会导致机组设备的严重损坏。
机组正常运行时，透平的转速由调节系统保持在额定转速附近变化，但当透平突然甩去全负荷时，如果调速系统中的某些元件工作不正常，不能及时关闭调节阀，或者汽门虽然关闭但严密性不好，则透平的转速将会迅速升高，这种升高可能会高于转子强度所允许的范围，对机组造成损坏。
为此，每台透平都装有超速保护装置，当透平转速超过额定转速的9％一11％时，超速保护装置动作，泄去安全油，迅速关闭自动主汽门和调节汽门，切断透平的进汽，迫使透平停止运行[31]。
图4.2WOODWARD三取二超速保护装置 40 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 超速保护装置是由感受元件-透平转速探头、保护系统-ProtechGII三选二表决器及执行机构-紧急停车逻辑，通常由电磁阀构成。
当透平实际转速超过额定速一定比例时，三个转速探头检测的信号经过接线端子板进入保护系统ProtechGII的输入模块后，分成3个支路，支路彼此之间光电隔离，再通过3条独立的通信线路分别送到3个主处理器参与控制程序运算。
主处理器在总线上对信号进行传输表决，保证每一个主处理器使用同样的数据进行控制运算。
当控制程序执行后，主处理器分别将处理结果输出至输出模块，在输出模块上再对输出信号进行3取2表决，以保证输出信号的准确性。
最后，输出信号经过接线端子板输出到停车逻辑，进行控制停车。
在此保护装置中，当进行超速测试时，将会对超速保护功能进行屏蔽，以防引起控制器误动作，WOODWARD三取二超速保护装置如图4.2所示。
4.3氧气压缩机控制系统网络设计 经过对用户控制网络设计要求的分析和对控制系统各部件的了解，设计出如下控制网络方案，控制系统配置如图4.3所示。
图4.3控制系统总结构图 氧气压缩机网络构成分为三部分：现场机柜间（FRR）、中心控制室（CCR）以及连接光纤。
由于氧气压缩机控制柜安装在现场机柜间（FRR），在距离现场机柜间约1200米处设置一个中心控制室（CCR），因此，现场机柜间和中心控制室通过冗余光纤和光纤附件连接。
41 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 压缩机控制系统在中心控制室（CCR）内设置操作站一台、SOE站一台、便携式工程师站一台；压缩机控制系统在现场机柜室（FRR）内设置工程师站一台、SOE站一台、便携式工程师站一台。
压缩机控制系统设置独立的三取二超速保护装置和机组状态监测系统。
辅助操作台设置在中心控制室（CCR），在辅助操作台上设置紧急停机按钮、复位按钮、防喘振阀紧急打开按钮和允许启动指示灯、公共报警指示灯、联锁停机指示灯、联锁切除指示灯，信号通过SIS系统的远程I/O送至现场机柜间（FRR），再通过硬接线方式送至控制系统。
4.4控制系统软件设计 4.4.1控制系统下位机软件 4.4.1.1IEC1131TOOLSET特点 机组综合控制系统软件编程及组态是基于Rockwell公司的IEC1131TOOLSET软件。
该软件系统将联锁逻辑功能和包括防喘
I 浙江大学硕士学位论文 离心式氧气压缩机控制系统设计 论文作者签名:指导教师签名: 论文评阅人1：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5： 答辩委员会主席：委员1：委员2：委员3：委员4：委员5： 答辩日期： II 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名： 签字日期： 年月日 III 浙江大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年月日 签字日期： 年月日 IV 浙江大学硕士学位论文 致谢
V 浙江大学硕士学位论文 摘要 离心式压缩机组主要通过叶轮高速旋转产生离心力来压缩气体已广泛应用于冶金、化工、电力、石油、医药和食品等工业部门。
随着离心式压缩机技术不断发展，其结构越来越复杂、运行功率越来越大，导致离心式压缩机防喘振控制、性能调节、安全保护控制方案要求也越来越高，如何控制离心式压缩机安全稳定运行是我们需要面对的重要课题，研究离心式压缩机组的控制方案并实现对应的控制系统软硬件平台，是压缩机组在多工况下高效、安全、自动、稳定运转的重要保障，具有显著的社会效益和经济价值。
本文针对某空分装置中离心式氧气压缩机组的上述控制重点、难点，提出了集离心式氧气压缩机润滑油路系统控制、密封系统控制、轴系及气路参数监测系统控制、调速控制、防喘振控制、紧急喷氮控制为一体的整体控制方案，在Rockwell公司生产的ICS控制系统基础上，设计了压缩机组控制系统的三重化硬件结构和软件平台，并结合工艺运行要求，研发了控制系统功能控制软件和连锁保护逻辑，实现了在人性化、友好的操作画面下对离心式氧气压缩机组的控制过程。
本文分析了离心式氧气压缩机组的固有特性，研究了离心式氧气压缩机在整个工艺流程中的作用和工作机理，基于三重化硬件结构，在实现机组运行状态在线监测的基础上，在控制系统软件中开发适用于离心式氧气压缩机组控制的专用模块，完成专用控制逻辑图设计，实现了机组防喘振控制、调速控制、紧急喷氮控制等机组控制方案，解决了离心式氧气压缩机组的安全稳定运行控制问题，提高了机组的工作效率，保证了整个装置的安全性。
同时，本文还针对离心式氧气压缩机开车较为复杂的情况进行了具体分析，提出了安全的开车时序控制方案，并完善了手动和自动化操作规范及氮氧置换控制流程。
经现场机组运行验证，该控制系统延长机组稳定可靠运行时间20%以上，减少停机维护，降低企业能耗2~3%，能够满足大型化工生产中离心式氧气压缩机组在不同工况下安全稳定运行的要求，对整个生产运行起到了良好的安全保障作用。
关键词离心式氧气压缩机，控制系统，防喘振，紧急喷氮，开车时序，紧急停车 VI 浙江大学硕士学位论文 ABSTRACT pressormainlythroughpressorimpellercentrifugalforcegeneratedbyhighspeedrotationpressedgashasbeenwidelyusedinmetallurgy,chemicalindustry,electricpower,petroleum,pharmaceuticalandfoodindustries.Withpressortechnologydevelopment,itsstructureismoreandplex,operatingpowerismoreandmorebig,leadtopressorsurgecontrol,theperformanceadjustment,safetyprotectioncontrolschemerequirementsalsomoreandmorehigh,howtocontrolthesafeandstableoperationofthepressorisanimportantsubject,weneedtofacethepressorcontrolschemeandimplementthecorrespondingcontrolsystemhardwareandsoftwareplatform,ispressorunitintheefficient,safe,automaticandstableundertheconditionoftheimportantguaranteeofoperation,hassignificantsocialandeconomicvalue. Inthispaper,somekeycontrolinairseparatorcentrifugalpressorputforwardsetcentrifugalpressorlubricationsystem,sealingsystemcontrol,controlsystemandgaspathparametermonitoringsystemcontrol,speedcontrol,anti-surgecontrol,emergencynitrogenspraycontrolforthewholecontrolscheme,inRockwellproductionICScontrolsystem,designpressorcontrolsystemTMRandsoftwareplatform,binedwithprocessrequirements,developedthefunctionofthecontrolsystemandinterlockprotectionlogiccontrolsoftware,realizedinhumanization,friendlyoperationpictureofcentrifugalpressorcontrolprocess. Thispaperanalyzestheinherentcharacteristicsofcentrifugaltypepressor,centrifugalpressorisstudiedintheroleofthewholetechnologicalprocessandworkingmechanism,basedonthetriplehardwarestructure,andonthebasisoftheimplementationunitrunningstatusonlinemonitoring,inthecontrolsystemsoftwaredevelopmentissuitableforthecentrifugaltypepressorcontrolspecialmodule,pletethespecialcontrollogicdiagramdesign,realizedtheunitantisurgecontrol,speedcontrol,emergencycontrolschemeofnitrogeninjectioncontrolissolvedthesecureandstableoperationofthecentrifugaltypepressorcontrolproblem,improvestheworkefficiencyoftheunit,makesurethesafetyoftheentireunit.Atthesametime,thisarticlealsoforpressordriveplexsituationhascarriedontheconcreteanalysis,putforwardthesafedrivesequentialcontrolscheme,andimprovethemanualandautomaticoperationspecificationandnitrogenoxygendisplacement VII 浙江大学硕士学位论文 controlprocess.Thefieldunitoperationtoverifythatthecontrolsystemtoextendthetimeofstableandreliableoperationofmorethan20%,reducedowntime,reducetheenergyconsumptionof2~3%andcanmeettheoxygenintheproductionoflargechemicalpressorunderdifferentconditionstherequirementsofthesafeandstableoperation,forthewholeoperation,thesecurityhasplayedagoodrole.Keywords:Centrifugalpressor，Controlsystem，Antisurge,emergencynitrogeninjection,thedrivingsequence,emergencyshutdown VIII 浙江大学硕士学位论文绪论 目次 致谢................................................................................................................................................V
摘要
..............................................................................................................................................
VI1绪论..............................................................................................................................................1 1.1选题背景及意义..............................................................................................................1
1.2离心式氧气压缩机控制技术发展现状与研究目标......................................................1 1.2.1离心式氧气压缩机控制技术发展现状..............................................................11.2.2离心式氧气压缩机控制技术研究目标..............................................................31.3本文研究的主要内容......................................................................................................3
2离心式氧气压缩机工艺流程分析..............................................................................................5
2.1离心式氧气压缩机工艺..................................................................................................5
2.2离心式压缩机工作原理和结构......................................................................................72.3离心式氧气压缩机预期性能曲线................................................................................112.4离心式氧气压缩机流量调节分析................................................................................122.4.1调节方式............................................................................................................12
2.4.2离心式压缩机串级调节....................................................................................132.5离心式氧气压缩机喘振与解决方案............................................................................152.5.1喘振产生的现象和后果....................................................................................152.5.2喘振构成因素....................................................................................................16
2.5.3离心式压缩机防喘振控制方案........................................................................182.5小结................................................................................................................................19
3离心式氧气压缩机控制方案研究............................................................................................20
3.1离心式氧气压缩机组整体结构....................................................................................203.2润滑油系统控制方案....................................................................................................21
3.2.1润滑油系统液位监测方案................................................................................223.2.2润滑油系统温度监测方案................................................................................233.2.3润滑油系统压力监测方案................................................................................233.3氧气密封系统控制方案................................................................................................24
3.3.1密封系统压力监测方案....................................................................................24
1 浙江大学硕士学位论文
绪论 3.3.2密封系统差压监测方案....................................................................................253.4离心式氧气压缩机组气路参数监测方案....................................................................26 3.4.1温度参数监测方案............................................................................................27
3.4.2压力参数监测方案............................................................................................27
3.4.3流量参数监测方案............................................................................................28
3.4.4轴振动、位移参数监测方案............................................................................283.5离心式氧气压缩机组操作时序方案............................................................................293.5.1开车操作设计....................................................................................................29
3.5.1.1启动联锁条件.................................................................................................30
3.5.1.2手动开车操作流程设计.................................................................................303.5.1.3自动开车操作流程设计.................................................................................313.5.1.4氮氧置换操作流程设计.................................................................................323.5.2停车操作方案设计............................................................................................32
3.5.2.1正常停车方案.................................................................................................33
3.5.2.2事故停车方案.................................................................................................33
3.5.2.3重事故停车及紧急喷氮处理方案.................................................................343.6小结................................................................................................................................35
4控制系统软、硬件设计及网络架构........................................................................................364.1控制系统需求分析........................................................................................................36
4.2TMR三冗余控制系统硬件设计.................................................................................37
4.2.1ICS三冗余系统...................................................................................................37
4.2.2机组状态监测系统............................................................................................39
4.2.3超速保护装置....................................................................................................40
4.3氧气压缩机控制系统网络设计....................................................................................414.4控制系统软件设计........................................................................................................42
4.4.1控制系统下位机软件.................................................................................................42
4.4.1.1IEC1131TOOLSET特点........................................................................................424.4.1.2功能模块.................................................................................................................43
4.4.2控制系统控制功能设计与实现.................................................................................434.4.2.1开车逻辑设计..........................................................................................................43
2 浙江大学硕士学位论文
绪论 4.4.2.2报警联锁逻辑设计..................................................................................................45
4.4.2.3油系统控制逻辑设计..............................................................................................46
4.4.2.4盘车控制逻辑设计..................................................................................................47
4.4.2.5汽轮机调速控制逻辑设计......................................................................................484.4.2.6防喘振控制..............................................................................................................50
4.4.3控制系统上位机软件特点及功能.............................................................................514.4.3.1lntouchl0.0特点和性能...........................................................................................51
4.4.3.2HMI功能....................................................................................................................52
4.4.4控制系统上位机功能设计.........................................................................................53
4.5小结................................................................................................................................58
5测试与验证................................................................................................................................59
5.1.实现氧气压缩机安全开车操作验证测试....................................................................595.2防喘振仿真与现场实际防喘振控制对比测试............................................................595.3机组安全运行及停车流程处理测试............................................................................615.4小结................................................................................................................................61
6结论与展望................................................................................................................................62
6.1结论................................................................................................................................62
6.2展望................................................................................................................................62
参考文献.......................................................................................................................................63
3 浙江大学硕士学位论文
绪论 1绪论 1.1选题背景及意义 随着中国经济的快速发展，空分、冶金、化肥等行业进入了一个飞跃发展时期，相关产品的市场需求越来越大。
作为空分、冶金、化肥项目中核心旋转动设备的离心式氧气压缩机的使用也越来越广泛。
由于氧气介质具有助燃型的特点，在运行过程中稍有不慎就会造成巨大的经济损失。
如何保证离心式氧气压缩机安全平稳、高效节能的运行一直是非常重要的问题，而合适的控制系统设计正是解决这一问题的关键所在。
本文是针对离心式氧气压缩机自动控制系统的设计。
该机组的整体控制采用的主控制系统是Rockwell三冗余容错控制ICS系统，调速系统采用WOODWARD505E数字式控制器，超速保护系统采用WOODWARDGII超速保护器，测振保护系统采用BENTLY3500系统，该控制系统在设计中对压力测量、流量测量、温度测量和物位测量等仪表的监测位置、控制系统的安全保护措施和参数的整定以及流量的调节过程都做了必要的阐述。
此课题来源于某公司为国内某大型煤化工企业研发设计的首台汽轮机驱动的国产化离心式氧气压缩机机组的仪表和控制系统。
从离心式氧气压缩机工作原理和氧气介质的特殊性以及汽轮机变转速驱动入手，设计出适合离心式氧气压缩机的仪表和控制的整体方案。
1.2离心式氧气压缩机控制技术发展现状与研究目标 1.2.1离心式氧气压缩机控制技术发展现状 目前世界上普遍采用低温法制取氧气。
此种制氧方法生产量大，氧气和氮气的纯度高，电耗低，是当今世界上广泛应用的制氧方法[1]。
低温法制氧按空分设备的工艺流程来分，较常见的有外压缩流程与内压缩流程两类[2]。
外压缩流程就是空分设备生产低压氧气，然后经氧压机加压至所需压力供给用户，也称之为常规空分；内压缩流程就是取消氧压机，直接从空分设备的分馏塔生产出中高压的氧气供给用户；二者的区别在于，内压缩流程的产品氧的供氧压力是由液氧在冷箱内经液氧泵加压达到的，液氧在高
1 浙江大学硕士学位论文绪论 压板翅式换热器与高压空气进行热交换从而汽化复热；而外压缩流程的产品氧的供氧压力由氧压机压缩达到[3-4]。
本次课题是针对外压缩流程中的氧气压缩机进行设计。
为满足装置逐渐大型化、高效化的要求，离心式氧气压缩机的技术发展趋势使设备整体处理介质能力不断增强，三元流动理论应用到叶片扩压器等静止元件设计上。
高性能的压缩机被开发，级间匹配与整机匹配水平也在不断提高，随着设备安全控制技术逐步完善，针对于离心式氧气压缩机的控制理论研究需要进一步细节化。
当今，世界上离心式氧气压缩机组的供应商国外以德国林德公司、日本日立公司、瑞士苏尔寿公司为代表，国内以杭氧集团、沈鼓集团为代表，以20000Nm3/h流量等级的离心式氧气压缩机应用为主，对比之前的小流量离心式氧气压缩机，现阶段的离心式氧气压缩机最明显的优势在于采用了三元叶轮技术。
三元叶轮提高离心式氧气压缩机的级效率，扩大工况范围。
三元叶轮为空间扭曲叶片，经仔细设计的叶片形状能很好地适应三维气体的流场。
使得叶轮进口的气体冲击损失较低；流道中不易出现大的漩涡而阻力损失较小；在很宽的流道中也有很好的效率。
因此在压缩机整机设计时可以将首级叶轮的流量系数选取很大的数值，使首级叶轮的宽度较大直径较小，而大部分叶轮可以处于高效率的流量系数范围。
同时压缩机的转速较高、尺寸较小[5]。
然而，随着经济增长的需要，世界各地的装置规模不断扩大，30000Nm3/h流量等级以上的离心式氧气压缩机将必然会被越来越多的采用，高效节能的问题也将会被越来越重视，结构优化技术、新式高效叶轮技术会被研发。
在离心式压缩机自身方案优化的问题得到解决同时，驱动机由之前的定转速方案向变转速方案改进，控制系统采用更先进安全的产品和设计理念也会成为必然的趋势。
以往，离心式氧气压缩机由于驱动机采用定转速电机，工况较为单
一，机组的传统控制方式采用现场分立仪表并通过彼此间通讯协同控制，通讯速较慢，可靠性较差。
相对分散的控制方法不利于对整个控制系统的监控，不利于对各控制信息的收集及管理，同时无法实现报警信息的时实处理及历史数据的存储。
每个缩机厂家在其自带的控制系统中都会有其专利的控制技术，而且是不对外开放的，称之为“黑匣子”。
国外机组随机携带的控制系统大多采用可编程控制系统(PLC)行控制，控制系统很难实现电源部分及控制器部分的冗余功能。
PLC相关软件的事件报警功能、历史趋势功能、操终记录功能及SOE事件顺序当装置出现问题时很难查清故障发生的根本原因[6-9]。
同时，随着生产规模的不断扩大，对生产过程控制的精度和速度要求也不断提高，原来的过程控制系统由集成式分散控制系统（DCS）来完成已无法满足用户越来越高的
2 浙江大学硕士学位论文绪论 要求。
离心式压缩机的控制系统在此过程中也不断快速发展，由就地模拟控制、单PLC控制、热备双冗余PLC控制，逐渐发展为针对整个压缩机组的流量压力调节、防喘振调节、轴系振动位移监测控制、紧急停车保护等功能为一体的综合控制系统ITCC（TegratedTurbine／CompressorControlSystem）。
1.2.2离心式氧气压缩机控制技术研究目标 本项目中离心式氧气压缩机是重要的核心动设备，因此控制系统采用三重冗(TMR)余容错的控制器、多功能防喘振、性能调节、安全保护的综合控制系统ICS控制系统完成离心式氧气压缩机关键参数的控制与监测，机组轴承振动位移监测采用BENTLY3500系统,超速保护装置采用WOODWARDGII系统，离心式调速采用WOODWARD505E系统，使离心式压缩机控制由传统的模拟仪表控制转变为多功能的专家控制系统。
技术指标：1）氧气压缩机安全开车，并实现自动开车方案。
2）根据预期性能曲线进行防喘振仿真，设计喘振裕度8%，快开裕度2%。
3）紧急喷氮流程规划。
4）压缩机安全运行，安全稳定运行时间提高15%，降低能耗2~3%。
5）停车处理。
针对技术指标设计方案：1）设计氧气压缩机开车时序。
2）开发EXCEL防喘振仿真程序。
3）紧急喷氮系统仪表阀门控制方案设计。
4）设计安全联锁系统。
5）针对不同停车情况给出停车处理方案。
1.3本文研究的主要内容
（1）分析离心压缩机的工作原理、性能和调节,对核心部分防喘振控制进行研究，对引起喘振的因素和喘振对压缩机的危害进行了详细的阐述，同时对防喘振的控制技术进行了综合阐述，设计区别于以往定转速电机驱动方式的汽轮机变转速驱动方式的防喘振控制方案。
3 浙江大学硕士学位论文绪论
（2）从氧气压缩机的组成入手，设计了氧气压缩机气路系统、润滑油系统以及密封系统，并对氧气压缩机需要监测的主要参数的仪表进行了设计。
（3）以氧气压缩机组控制系统开发为背景，研究三冗余系统特点，设计系统硬件配置，并以以太网为架构完成整个控制系统的连接设计。
（4）研究控制系统下位机和上位机软件，设计控制系统主要逻辑功能，完成控制系统程序设计和机组的监控界面。
本课题的论文安排如下：第一章．绪论。
简要论述论文研究的背景和意义，概述离心式氧气压缩机及控制系统的发展及课题研究的主要内容。
第二章．概述离心式氧气压缩机工艺流程以及工作原理、结构、性能、喘振。
第三章介绍了离心式氧气压缩机组控制方案构成，及主要监测仪表设置。
第四章针对关键的开车及停车过程进行了操作时序设计。
第五章介绍了整个控制系统的软、硬件设计、画面设计及网络构成方案。
第六章结合现场实际操作对整体设计方案进行了验证。
第七章是结论与展望。
4 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.1离心式氧气压缩机工艺 氧气压缩机组采用离心式五段八级双缸压缩机，原动机采用抽汽凝汽式汽轮机，整台机组安装在双层布置的封闭厂房内，其中压缩机、汽轮机及其辅助设施布置在二层平台，润滑油站及其辅助设施布置在一层。
离心式压缩机采用两缸五段，两缸串级，缸内背靠背结构以满足离心式氧气压缩机在各段出口的压力和温度要求，如图2.1所示。
为提高效率，压缩机全部采用高效三元叶轮和高效二元叶轮。
离心式氧气压缩机组采用两缸五段，选择6个三元叶轮，6个高效二元叶轮。
低压缸：（机型为：2MCL454）为第I工艺段各2级叶轮（共2级叶轮）每两级叶轮采用背靠背布置。
高压缸：（机型为：3MCL406）为第Ⅱ工艺段各3级叶轮（共6级叶轮）每两级叶轮采用背靠背布置。
氧气压缩机的轴功率3400KW，转速为11935r/min，设计参数如下： 产品型号:2MCL454+3MCL406 项目 单位 正常工况 低压缸2MCL454 高压缸3MCL406 一段 二段 三段 四段 五段 介质 氧气 氧气 氧气 氧气 氧气 标准流量 Nm3/h 20000 20000
20000 20000 20000 质量流量 kg/h 入口流量 m3/h 入口压力 ata 1.07 2.4786
4.7583 8.889316.4985 入口温度 ℃ 25 40 40 40 40
5 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 平均分子量 μ 32 32 32 32 32 相对湿度 ％ K=Cp/Cv 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 入口压缩性系数 Zj 1 1 1 1 1 出口压力 ata 2.54 4.82 8.94 16.55 27.54 出口温度 ℃ 121.7 118.1 116.1 125 123.6 出口压缩性系数 Zc 工作点转速 r/min 11935 工作点气体耗功 kW 3154 工作点轴功率 kW 3400 最大连续转速 r/min 12532 一阶临界转速
r/min 二阶临界转速r/min 最高工作压力 ata6 37.46 最高工作温度 ℃130.9 140.3
6 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 汽轮机 冷却器
一 二 段 段 出 入口口
四 冷却器 段
五 三 入 段 段 口 出 出 口 口 2MCL454 3MCL406
四 二 段 段出出口冷却器 口 入口
五 段入
三 口段入 口 冷却器出口 图2.1氧气压缩机流程 在氧气压缩机的各个压缩段的入出口分别设置有远传功能的温度和压力的检测元件，它们在压缩机运行时时刻监测压缩机各段入出口的温度和压力情况传送至中央控制室，以便操作人员及时了解氧气压缩机的运转情况，以及是否存在温度过高情况，以便采取相应的措施。
同时，在压缩机的入口设置有节流元件，用于监测压缩机流量，压缩机入口流量、入口压力、入口温度，出口压力作为防喘振计算的主要参数参与压缩机防喘振计算。
压缩机根据工艺包的参数要求分为：氮气工况，氧气工况75%负荷，氧气工况100%负荷，氧气工况105%负荷，共有4个工况，每个工况的设计参数都变化较大，而压缩机要满足所有工况的变化，因此氧气压缩机组的控制要根据每个工况数据变化进行比较，控制整个压缩机组对应不同工况作出相应的调整，以满足不同工况的变化需求，使得整个压缩机组处于稳定运行状态。
2.2离心式压缩机工作原理和结构 离心式压缩机是一种叶片旋转机械，是利用叶片旋转时与介质的相互作用，将能量加给介质，提高介质的压力和动能，并利用相继的通流元件使气流减速，将动能转变为压力的提高[10]。
7 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 离心式压缩机的工作范围和气动特点：气体在压缩机中的运动是沿垂直于压缩机轴的径向进行的。
离心压缩机排气均匀，气流无脉冲，无油，预期性能曲线平坦，操作范围较宽。
离心压缩机可用于大中流量，高中低压力，预期性能曲线比较平坦。
作为石化、冶金、动力、制冷等工业部门的关键设备，离心压缩机是应用最广泛的，其优点主要有：
（1）结构紧凑，占地面积小。
（2）流量大，满足生产规模不断扩大的要求。
（3）效率高。
（4）易损件少，便于维护。
离心式压缩机的结构主要本体主要由定子、转子及支撑轴承、推力轴承、轴端密封组成。
（1）离心压缩机定子离心压缩机定子主要由机壳、隔板、级间密封、平衡盘密封组成。
机壳：机壳又称气缸，是静子中最大的零件。
它通常用铸铁或铸钢浇铸出来的。
对于高压离心式压缩机，均采用圆筒锻钢机壳。
机壳一般有水平中分面，便于装配。
上下机壳用定位销定位，螺栓连接。
隔板：隔板的作用是把压缩机各级叶轮分离开，将多级叶轮分隔成具有连续性的流道，各个隔板之间相邻的面形成扩压器流体通道，扩压器把经过叶轮的气体一部分动能变换为压力能。
隔板的内侧设计迥流室，其内部设有导流叶片，可使气体流速平稳地到达下一级叶轮入口。
隔板如图2.2所示。
图2.2隔板
8 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 级间密封：级间密封应用迷宫式结构密封，在离心式压缩机每级叶轮进口外部缘和隔板内孔处，都设置迷宫式密封，以减少每级气体倒流。
迷宫式密封材质大多采用铝合金，采用这种较软的材料主要目的是为了避免对轴套和叶轮造成损伤。
级间密封如图2.3所示。
图2.3级间密封 平衡盘密封：压缩机平衡盘上一般安装迷宫密封，这是为了尽量减少平衡盘的气体泄漏。
在每一缸的两段之间，即转子中间部分的平衡盘上也装有迷宫密封。
以减少中间级出口和压缩机最终出口间的气体泄漏。
结构与级间密封类似。
（2）离心压缩机转子离心压缩机的转子包括主轴、叶轮、轴套、轴螺母、隔套、平衡盘和推力盘等。
主轴：离心压缩机的主轴的功能是有效传递功率，主轴必须具有一定的刚度和强度。
叶轮：叶轮也称工作轮，是离心压缩机中的核心部件。
叶轮采用闭式、后弯型叶轮。
叶轮与轴之间有过盈，并热装在轴上。
气体进入离心压缩机后，随叶轮高速旋转，产生离心效应随着叶轮的增压作用，使气体压力和速度得到提高。
叶轮如图2.4所示。
图2.4叶轮
9 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 隔套：隔套热装在轴上，它们把叶轮固定在适当的位置上，而且能保护没装叶轮部分的轴，使轴避免与气体相接触，且起导流作用。
轴螺母：轴螺母主要是起轴向固定作用。
如轴向固定叶轮、轴端密封等等。
平衡盘：由于在叶轮的轮盖和轮盘上有气体产生的压差，所以压缩机转子受到朝向叶轮入口端的轴向推力的作用，所以设置了平衡盘来平衡一部分推力。
推力盘：推力盘是和推力轴承配合的部件，平衡盘平衡后的残余推力，通过推力盘作用在推力轴承上。
推力盘一般采用锻钢制造而成。
（3）支撑轴承压缩机的支撑轴承，根据需要选用可倾瓦轴承。
这种滑动轴承都是由油站供油强制润滑，轴承装在机壳两端外侧的轴承箱内。
在轴承箱进油孔处装有节流圈，或在前管路中有流量调节器，根据运转时轴衬温度高低，来调整节流圈的孔径，或调节流量调节器阀开度控制进入轴衬的油量，压力润滑油进入轴衬进行润滑并带走产生的热量。
（4）止推轴承止推轴承的作用是承受压缩机没有完全抵消的残余的轴向推力，以及承受联轴器产生的轴向推力。
止推轴承装在支撑轴承的内侧或外侧的轴承箱内。
压缩机上常用的有米契尔式和金斯伯雷式两种。
（5）轴端密封轴端密封根据用户的要求及使用场合的不同可选用不同形式的轴端密封。
如迷宫密封、浮环密封、机械密封，干气密封，抽气密封、充气密封等等。
10 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.3离心式氧气压缩机预期性能曲线 离心式压缩机性能曲线 4.2 3.811935r/min 3.4 11634r/min3 12064r/min 压力(MPaA) 2.6 2.2 1.814000 16000 18000 20000 22000 24000 图2.5离心式氧气压缩机预期性能曲线 离心压缩机的运行工况常常发生变化，为了反映不同工况下压缩机的性能，通常把在一定进气状态下对应各种转速、进气流量与压缩机的排气压力、功率及效率的关系用曲线形式表示出来，这些曲线就称为压缩机的预期性能曲线[11]，如图2.5所示。
预期性能曲线横坐标为离心压缩机工作流量，纵坐标为离心压缩机出口压力。
预期性能曲线有如下特点：
（1）对应每个转速都有一条与之对应的预期性能曲线，当转速恒定时，如果离心压缩机入口流量增加，其出口压力就会降低；反之，如果离心压缩机入口流量减少，其出口压力就会升高。
在流量保持不变时，如果离心压缩机转速越快，其出口气体压力越高，预期性能曲线越向右上方偏移。
（2）随着转速的加快，离心压缩机预期性能曲线会变得与纵坐标趋近于平行。
（3）在转速恒定时，如果流量变大，出口压力会降低，当流量加大到一定量时，压力成直线下降，这就是最大滞止流量。
反之，如果流量变小，出口压力会升高，当减少到一定量时，离心压缩机就会发生喘振，这个流量称为喘振流量，该点为离心压缩机的喘振点。
将所有转速下的喘振点连接起来就形成了离心压缩机的喘振线。
离心压缩机 11 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 流量不能低于或等于喘振流量。
压缩机的性能曲线与管路特性曲线的交叉点，称为压缩机的工作点或操作点(0peratingPoint)[12]。
（4）防喘振线：为了防止离心压缩机进入喘振状态，保证机组安全正常运行，一般设计的最小流量比喘振流量大，留有5～8％的流量裕度，称之为防喘振安全裕度。
防喘振线就是将所有最小流量点用曲线连接起来，此曲线叫防喘振线[13]。
2.4离心式氧气压缩机流量调节分析 离心式压缩机是与其它装置或压力容器联合工作的。
当装置的阻力系数在生产运行过程中很稳定时，压缩机会在某一工况点稳定工作。
但是，在离心压缩机运行过程中，整个装置的管网阻力及工艺流量是经常变化的，为了适应装置管网和工艺流量变化，保证装置对离心压缩机压力或流量的要求，就需要及时调整压缩机的运行性能，使其在新的工况点工作。
这种改变离心压缩机运行性能的方法被称之为离心压缩机的调节。
2.4.1调节方式 根据装置的不同要求，一般可分为：
（1）调整离心压缩机进气流量来维持气体压力不变，即恒定压力调节方式。
（2）调整离心压缩机入口压力来维持气体流量不变，即恒定流量调节方式。
（3）保持离心压缩机压力或流量比例不变，即恒定比例调节。
为达到上述调节目的，离心压缩机可以采用下列调节方式：
（1）调节转速方法是可调范围最大、运行经济性最高的调节方式。
适用于汽轮机、变频电机等可变转速原动机驱动的离心压缩机。
（2）对进口流量进行节流调节具有调节简单、调节范围较宽、经济性较好的特点。
适合固定转速电机驱动的的离心压缩机。
（3）对出口流量进行节流调节也具有调节简单的特点、但却是经济性最差的调节方式。
一般为小功率的离心鼓风机和通风机所采用。
（4）调节变扩压器叶片角度的调节方式，是将离心压缩机预期性能曲线平移，具有扩大压缩机稳定工况范围最有效、经济性好、但结构比较复杂的特点。
适合于某些流量变化范围要求很大，而压力要求保持稳定的离心压缩机。
（5）上述几种调节方法也可以联合使用[14]。
12 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.4.2离心式压缩机串级调节 一个闭环系统在大多数情况下能够满足工艺生产的要求，但有的调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性并不复杂，但对控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。
另外还应该看到，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。
为此需要在单回路的基础上，采取其他措施，组成复杂控制系统-串级控制[15]。
从图2.6中可以看到，串级系统非常显著的一个特点，就是其在结构上形成了两个闭环。
一个闭环在里部，被称为副环，在控制过程中起着初步调节的作用；一个闭环在外部，被称为主环，用来完成精细调节任务，以确保被调参数最终满足工艺要求。
无论主环或副环都有其各自对应的被调对象、测量传感器和调节控制器。
主环对应的被调节对象，被测量参数和调节控制器被称为主调节对象、主参数和主调节控制器。
在副环内则被称为副调节对象、副参数和副调节控制器。
应该指出，系统中尽管有两个调节控制器，但它们的作用却各不相同。
主调节控制器有自己独立的设定值，而它的输出则作为副调节控制器的设定值，副调节控制器的输出则是去控制调节阀调节生产过程。
二次扰动 一次扰动 主参数设定 主 调 _节 器 副调_节器 调 副 节 对 阀 象 副变送器 主主参数对象 主变送器 图2.6通用的串级控制系统 副环具有快速作用，它能够有效克服二次扰动的影响，可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰。
13 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 R1(s) Gc1(s)R2(s)Gc2(s) Gv(s) D2(s)Gd2(s)Gp2(s) Gp1(s)Y1(s) Gm2(s) Y2(s) Gm1(s) 图2.7系统方框图 根据图2.7系统方框图可以得出传递函数 Gd2(s)Gp1(s) Y(s) 1Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(s) 1 D2(s)1G(s)G(s)G(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s) c1m1p11Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(s) 在副环可以看成一个等效的对象 (2.1) G(s)Kp2p2Tp2s
1 GsY2s KP2 p2 R2sTp2s
1 (2.2) 比较Gp2(s)和G'p2(s)可以看出T'p2＜Tp2，这就表明，由于副回路的存在，起到改 善动态特性的作用。
等效对象的时间常数缩小了，而且随着副调节器比例增益的增大而 减小。
通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此副调节器的比例增益可以取得很大， 这样，等效时间常数就可以减到很小的数值，从而加快了副环的响应速度，提高了系统 的工作频率。
根据其系统方框图及其传递函数（2.1）和（2.2），可以得出串级控制系统具有如 下性能：
（1）对二次干扰有很强的克服能力。
（2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。
（3）对负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。
14 浙江大学硕士学位论文
离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.5离心式氧气压缩机喘振与解决方案 2.5.1喘振产生的现象和后果喘振是离心式压缩机的一种固有特性,是系统在某个最小流量点性能变的不稳定, 工作点进入不稳定区。
它主要是由于最高压力点与断流点间呈降能头特性所引起,喘振点取决于这样一些因素,如叶片数目、叶轮相对负荷、叶片角及控制方法等[16]。
如图2.8所示，A点和B点为装置管网的性能曲线与压缩机性能曲线的交叉点，其中AE为正常性能曲线线，CB为突变失速后可能形成的性能曲线。
设A点为离心压缩机旋转失速点，B点为旋转失速后一个可能产生的稳定工作点，离心压缩机在A点工作时，流量的少量减少便有可能引起压缩机的旋转失速。
这时工作轮虽然在旋转，对气体做功，但却不能提高气体的压力，于是压缩机出口压力显著下降[17]。
如果装置管网的设计容积很小，管网的压力值能迅速调整到和压缩机排气压力值相吻合，运行工作点移至平衡点
B。
如果装置管网设计容积很大，管网压力变化很慢，高于压缩机出口压力，将会使管网气体倒流回离心压缩机，离心压缩机工作点由A移至D(如图中虚线表示)。
离心压缩机暂时恢复正常工作，这时装置管网一部分气体继续给用户供气，另一部分气体倒流到压缩机，使装置管网压力迅速下降，离心压缩机又可以向装置管网正常供气，则工作点沿虚线至A点，但是如果引起喘振的原因没有消除，又会重复上述现象。
在实际运行中装置管网的容积是有限的，开始出现气体倒流，导致装置管网的压力变小。
离心压缩机的出口排气量迅速增加，然后又回到到达稳定运行点A(如点划线所示的喘振循环路线所示)，如果引起上述现象的原因始终没有消除，就会不断重复上述现象，造成离心压缩机及管网不断调整振荡，这就是离心压缩机的喘振现象[18]。
图2.8喘振循环图 15 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 喘振对压缩机十分有危害，喘振时由于气流的强烈脉动和周期性振荡，会使供气参数（压力、流量等）大幅度地波动，破坏工艺系统的稳定性；会使叶片强烈振动，叶轮压力大大增加，噪声加剧，会使整个机组发生强烈振动，并可能损坏轴承、密封，进而造成严重的事故，甚至发生气体爆炸事故[19]。
2.5.2喘振构成因素
（1）入口温度：如图2.9所示，在恒压恒转速下运行的离心式压缩机在不同入口温度下运行时的曲线，从曲线可以看出在恒压运行工况下，气体入口温度越高，越容易发生喘振。
因此对同一台压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振。
喘振区 n=常数
P -20℃ 0℃ +10℃
0 Q 图2.9不同入口温度下出口压力与流量的关系
（2）入口压力：如图2.10所示，离心式氧气压缩机的入口压力P1>P2>P3,在压缩机保持恒定压力运行的状态下，离心式压缩机的入口压力越低，喘振也越容易产生。
因此需要在压缩机入口过滤器前后设置差压监测当差压值高报警时，需要及时更换过滤网。
喘振区
P p1>p2>p3 p1p2
0 Q 图2.10不同入口压力下出口压力与流量的关系
（3）流量：离心式压缩机在所有转速n下都对应着1条由出口压力p与流量Q之 16 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 间关系构成的性能曲线，如图2.11所示。
喘振区 非喘振区n1>n2>n3 Pn1 n2n3
Q 图2.11不同转速下出口压力与流量的关系 从图2.11可以看出，随着离心压缩机流量的降低，离心压缩机的出口压力逐渐升高，当出口压力达到该转速下最大值时，离心压缩机开始进入喘振区域，离心压缩机出口压力降低，流量也相应减少，离心压缩机就会发生喘振。
从曲线上看，离心压缩机流量的降低是产生喘振的主要原因。
因此在压缩机组实际运行过程中，一定要尽量避免在小流量工况下运行，一般认为压缩机的最小工作流量不应该小于设计流量的60%。
（4）转速：汽轮机拖动的压缩机,往往根据工艺流量需求而工作在不同转速下,如图2.11所示,在工艺用气量恒定的情况下,转速越快,越容易产生喘振现象。
（5）气体相对分子质量：如图2.12所示，离心压缩机在相同转速，不同相对分子质量下恒压运行的曲线，从曲线上看出，在恒压运行条件下，当相对分子质量越小，越容易发生喘振。
如催化裂化装置压缩机正常运行中，由于天降大雨或冬季天气骤冷使分馏系统空气冷却器的冷却效果突然增强，冷后温度大幅度降低，致使进人压缩机的气体组分变轻，导致分子量减小[20]。
图2.12不同相对分子质量下出口压力与流量的关系 17 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析 2.5.3离心式压缩机防喘振控制方案 离心压缩机的防喘振控制是在压缩机流程中设置自动和手动切换的调节控制方案统，使离心压缩机的运行工作点始终位于喘振线的右侧，也就是在稳定安全区运行。
（1）喘振被动控制技术由图2.13可知，喘振区是位于喘振线左边的区域，只要保证压缩机入口流量始终不小于或等于喘振点的流量，离心压缩机就会工作在稳定安全区，不会产生喘振现象。
传统的控制方法有两种：固定极限流量法和可变极限流量法。
图2.13固定极限流量 固定极限流量法：这种方法使压缩机的入口流量始终控制在大于某一固定值Qp+S（S为安全裕度）上，又称为单参数法。
Qp为正常的可以达到最高转速下的喘振流量，从而避免进入喘振区运行。
固定极限流量法的控制原理是，压缩机正常运行时，入口流量大于设定值Qp+
S，则防喘振阀完全关闭；若入口流量小于Qp+
S，则安装在排气管路或进口管路上的流量传感器便发出讯号给伺服马达，使伺服马达动作，将防喘振阀打开，使部分气体放空或返回压缩机入口循环使用。
因此，不论压缩机后续系统所需气量是多少，由于防喘振阀的作用，使压缩机入口流量始终大于喘振流量，从而保证压缩机正常工作。
固定极限流量法控制方案简单，系统可靠性高，投资少，一般适用于定转速或转速变化范围较小的机组。
如果机组在转速较低的范围内运行，会造成流量裕度过大，能量浪费很大，这种方法在文献[21]有介绍。
可变极限流量法：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，可以采用调节转速的方法来保证压缩机的负荷满足工艺上的要求，因为在不同的转速下，其喘振流量不是恒定不变的，它是一个变数，它随转速的下降而变小，所以最合理的防喘振控制方案应是在整个压缩机负荷变化范围内，使它的工作点沿着喘振的安全操作线而变化，即只要保证工作点始终在喘振线之外就是安全的[22]。
18 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机工艺流程分析
（2）喘振主动控制技术前面讨论的防喘振控制属于喘振被动控制模式，其核心是通过防喘振控制，使压缩机运行在稳定的工作范围内，但是这样减小了压缩机的工作区域，使压缩机不能在性能最佳的工作点运行，牺牲了压缩机性能。
自从Greitzer在1985年对压缩机系统提出主动控制的设想以来，便蓬勃兴起了喘振主动控制模式的理论和试验研究热潮，并已取得了许多重要的成果。
喘振主动控制模式和被动控制不同，主要在于它直接着眼于失稳现象本身，抑制诱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，阻止喘振的发生[23-25]。
如图2.14所示，离心压缩机喘振主动控制实现后，工作运行点在原喘振线左侧区域稳定运行，拓宽了安全区域。
图2.14压缩机主动控制和被动控制的区别 根据已发表的研究报告，主动控制模式都采用PID模型，使用的执行机构较多，如防喘振阀、放空阀、入口节流调节阀、加气和可调节入口导叶，对电机驱动式压缩机采用驱动机本身作为喘振控制器等，文献[26]中讨论了采用上述不同机构的影响。
可以发现主动控制模式是未来离心压缩机防喘振控制领域新的研究方向，有待深入的研究和开发。
2.5小结 本章在介绍离心压缩机的工作原理和结构的基础上，分析了压缩机组的预期性能曲线和调节，同时根据压缩机入口压力的动态特性介绍了串级调节的概念、原理、结构为第五章的转速调节入口压力的串级控制奠定了理论基础。
对离心压缩机的喘振原理进行了研究，阐述了喘振的现象和危害，给出了影响喘振的几个因素，并总结了喘振的控制方法。
19 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3离心式氧气压缩机控制方案研究 本章从离心式氧气压缩机整体结构介绍作为切入点，分析了压缩机润滑油系统、密封系统、气路系统和操作时序。
通过对各系统的详细分析，归纳了氧气压缩机需要监测的主要参数如温度、压力、流量、液位、振动和位移等，并对这些参数的监测仪表进行了选型设计，规划了整体控制方案以有效的监测这些参数并进行相关控制保证离心式压缩机组安全稳定运行。
3.1离心式氧气压缩机组整体结构 目前离心式氧气压缩机根据外压缩工艺流程选择的技术方案一般选用由五个压缩段方案。
采用两缸五段形式，共选择4个三元叶轮和6个高效二元叶轮，低压缸采用两段式4级叶轮压缩，高压缸采用三段式6级叶轮压缩。
氧气压缩机组的高低压缸布置在一个公用底座上，汽轮机布置在一个单独底座。
这样在安装找正有利于基础找正。
具体布置图如图3.1所示： 汽轮机 低压缸 高压缸 公用底座 图3.1压缩机布置图 离心式氧气压缩机组主要有下列部分构成：
1、润滑油系统：采用整体油站为压缩机和汽轮机提供润滑油、控制油、顶升油。
2、密封系统：设计密封系统防止氧气对外泄漏，轴承润滑油及外界气体对内渗入。
3、气路系统：设计以汽轮机驱动的离心式氧气压缩机组气路控制方案，包含机组轴系仪 表监测控制、驱动用汽轮机调速控制、防喘振控制、紧急喷氮控制。
现对离心氧气压缩机各个部分分别设计方案。
20 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3.2润滑油系统控制方案 润滑油系统是用来向离心式氧气压缩机、汽轮机提供强制润滑油，向汽轮机调速器提供控制油的供油装置。
润滑油系统由润滑油站、蓄能器组、高位油箱、中间连接管路以及各种控制阀门和检测仪表所组成。
润滑油站由润滑油箱、主辅润滑油泵、主辅润滑油冷油器、主辅润滑油滤油器、润滑油一次、二次压力调节阀、各种监测仪表以及润滑油管路和阀门等构成，如图3.2所示。
润滑油站上的所有设备均安装在一个钢结构底座上。
为运输考虑，将油冷却器组、事故油泵单独放置在一个底座上，到现场后需重新连接相应的管路，构成一集装式供油系统，用户只需进行外部连接。
蓄能器组是由一组皮囊式蓄能器组成，它的作用是维持润滑油压力的稳定。
当润滑油泵切换时，蓄能器组为压缩机和汽轮机提供稳定的润滑油压，防止机组因润滑油压力不稳造成误停机。
蓄能器组可以根据油量需要设计为一个或多个。
当油系统出现故障不能正常供油时，压缩机被迫停机，此时由于压缩机转子的转动惯量很大，机组需经过一段时间后才能完全停下来，这段时间机组所需的润滑油由高位油箱来提供。
高位油箱的设置高度是从压缩机中心线到高位油箱正常操作液位的距离为6米。
压缩机组开机前，高位油箱需充满油。
具体操作步骤为：启动油泵打开高位油箱进油管线三阀组中的截止阀，向高位油箱充油，直至从高位油箱回油视镜中观察到有油流回油箱时为止，此时高位油箱已充满油，然后关闭三阀组中的截止阀。
正常工作期间，始终有少量的油经三阀组中的孔板进入高位油箱，以维持高位油箱内的油压，当润滑油总管的油压低于高位油箱的位差压力时，三阀组中的止回阀自动打开，高位油箱中的油迅速流入润滑油用油点，确保机组安全停机，同时为了提高安全等级，系统还需设置事故油泵，在主、备用油泵都出现故障时及高位油箱润滑油耗净时为压缩机组提供润滑油。
同时考虑到机型较大的离心式氧气压缩机转子及汽轮机转子重量较大，盘车装置在压缩机组开车之前或停机之后无法带动压缩机组进行低速盘车，因此需要为转子重量较大的离心式氧气压缩机组配备顶升装置，在盘车之前利用高压油将轴承顶起，使轴承建立油膜消除摩擦阻力，使盘车顺利完成。
压缩机的顶升装置油泵为齿轮泵，两泵都从润滑油总管取压，供给轴承。
启动油顶升油泵前，要求润滑油站工作正常，润滑油总管压力达到正常工作压力，即0.25MPaG。
21 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 压力调节阀 汽轮机、压缩机润滑油供油 汽轮机控制油供油 过滤器 过滤器 过滤器 冷却器 冷却器 温度调节阀 压力调节阀主油泵 备用油泵 事故油泵 油箱 图3.2油站图 3.2.1润滑油系统液位监测方案 离心式氧气压缩机主要监测的液位参数是润滑油箱、高位油箱的液位，因此针对控制需要，通常在润滑油箱上分别设置就地和远传液位仪表高位油箱上设置远传液位仪表。
润滑油箱液位是保证压缩机组正常运转的重要条件。
在压缩机开车之前的准备工作中，检查油箱的液位是非常重要的一个环节，油箱液位应处于正常值，如果低于最低正常值，需要往油箱里加入离心式油，直至油箱液位达到正常后，才允许启动油泵。
润滑油泵启动后，油管路充满润滑油，润滑油会通过三阀组件进入高位油箱，并将高位 22 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 油箱充满后，从高位油箱回油管线流回到油箱，高位油箱是否充满可以通过液位变送器将信号远传至控制系统进行监测。
由于高位油箱位置较高不利于现场观测因此仅设置远传信号不设置就地液位计。
当高位油箱的充满油，压缩机组其它允许启动条件都满足时，才允许启动压缩机。
现场显示的液位仪表选用玻璃板液位计，远传信号选用液位变送器将液位信号送至控制系统进行显示监测。
3.2.2润滑油系统温度监测方案 润滑油系统温度监测点为润滑油箱温度、润滑油冷却器后温度、及各润滑油支管温度，其中润滑油箱温度和润滑油冷却器后温度较为关键，因此在这两处监测点不但设置了就地仪表还设置了远传仪表，将温度信号送至控制系统。
润滑油箱温度用于监测油箱内润滑油是否达到凝点，以决定是否需要开启润滑油箱加热器。
冷却器后温度用于监控润滑油冷却器是否正常工作。
3.2.3润滑油系统压力监测方案 对于高速旋转机械，由于采用滑动轴承，轴承的运转好坏也就是压缩机运转的好坏，而要保证轴承稳定运转，除了轴承本身的质量外，关键就要看润滑油的质量以及是否有充足和一定压力的润滑油了，润滑油压力的测量就是随时注意润滑油的情况。
在压缩机开车之前要先启动润滑油泵建立润滑油压力，当润滑油压力大于0.25MPa(G)时，才允许启动压缩机。
当润滑油压力低时启动辅助油泵，恢复油压。
如果润滑油压力过低时，系统将联锁停车。
图3.3三冗余配置图 23 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 由于润滑油总管压力是压缩机组正常运转非常重要参数，因此，在润滑油总管压力过低联锁的信号监测采用了三冗余设置，如图3.3所示，即在现场的同一位置安装三台压力开关，三台压力开关分别将检测的信号传至控制系统，在控制系统里进行三取二表决，只有当两台或两台以上压力开关都检测到润滑油总管压力过低时，控制系统才输出联锁停车信号停压缩机，这种设置可以避免压缩机误停车提高系统安全性。
3.3氧气密封系统控制方案 密封系统作用：
1、是为了保证压缩机的可靠轴封，有效的防止轴承润滑油渗入到氧气介质中。
2、阻止外界气体进入离心式氧气压缩机内。
3、机组在氧气运行工况下有效的防止氧气对外泄漏。
4、防止密封用氮气渗入压缩机内。
该部分控制主要包括：参数测量、保安装置、密封差压及压力调节等控制回路。
基于以上需求，我们对氧气密封系统的压力检测和差压检测分别设计了以下方案，在保证系统稳定运行的基础上，完善了密封系统的压力和差压控制。
3.3.1密封系统压力监测方案 在压缩机轴封进气及混合气放空管路上设置有就地压力表、压力变送器及压力开关，对介质的压力进行现场指示同时将压力信号引至控制室显示并监控。
当压力低于报警设定值时，控制室发出声光报警；达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
1）密封系统报警联锁设定值：密封氮气压力≤0.35MPa(G)低报警（氧气运行工况）；密封氮气压力≤0.3MPa(G)过低停机（氧气运行工况）密封氮气减压后压力≤0.185MPa(G)低报警（氧气运行工况）；密封氮气减压后压力≤0.145MPa(G)过低停机（氧气运行工况）当机组在氮气工况运行时，上述报警及联锁解除。
轴承密封氮气压力≤1.0KPa(G)低报警2）轴承室的密封气压力控制：由自立式调节阀对密封氮气二级减压以保持轴承室密封压力恒定。
控制要求:恒定阀后 24 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 压力为:1.5KPa(G)。
3.3.2密封系统差压监测方案 1）混合气体与吸入氧气之间的差压控制（氧气运行工况）差压变送器将测得的混合气体与吸入氧气的差压信号送至控制室显示并监控，测量值与给定值相比较后，输出一控制信号至混合气放空调节阀，通过改变调节阀的开度来控制混合气体放空气量，从而维持混合气腔与吸入氧气之间的差压恒定在设定值。
调节设定值：7KPa当机组在氮气工况运行时，该部分参数监控及PID调节回路不投用。
2）轴封氮气腔与混合气腔之间的差压控制（氧气运行工况）差压变送器将测得的密封氮气与混合气的差压信号送至控制室显示并监控，测量值与给定值相比较后，输出一控制信号至密封氮气压力调节阀，通过改变调节阀的开度来控制密封氮气压力，从而维持轴封氮气腔与混合气腔之间的差压恒定在设定值。
设定值：调节设定值：7KPa当密封氮气腔与混合气腔差压超过报警设定值时，控制室发出声光报警；当差压达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
密封氮气与混合气差压≤3.0KPa低报警；密封氮气与混合气差压≤2.0KPa过低停机；当机组在氮气工况运行时，该部分参数监控、报警、联锁及PID调节回路不投用。
3）轴封氧气腔与混合气腔之间的差压控制（氧气运行工况）差压变送器将测得的密封氧气与混合气的差压信号送至控制室显示并监控，测量值与给定值相比较后，输出一控制信号至密封氧气回流调节阀，通过改变调节阀的开度来控制轴封氧气腔回流至压缩机入口的气量，从而维持轴封氧气腔与混合气腔之间的差压恒定在设定值。
设定值：调节设定值：5KPa当密封氧气与混合气体差压超过报警设定值时，控制室发出声光报警；当差压达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
密封氧气与混合气体差压≤3.0KPa低报警；密封氧气与混合气体差压≤2.0KPa过低停机；当机组在氮气工况运行时，该部分参数监控、报警、联锁及PID调节回路不投用。
25 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 图3.4密封系统图 密封系统包括密封气过滤单元、密封泄漏控制单元如图3.4所示。
3.4离心式氧气压缩机组气路参数监测方案 离心式氧气压缩机组根据工艺过程的需要，需对气路系统温度、压力、流量、液位、振动和位移等参数进行检测，这些参数对于机组是否能正常运转起到非常关键的作用，因此，一些参数不仅要在现场直观的显示出来，还要远传至控制室，在控制系统里参与控制和联锁，保证机组安全稳定运行。
由于离心式氧气压缩机介质属于易助燃危险介质，因此，现场仪表的选型需遵循以下原则：
（1）安装在爆炸危险区域的仪表采用本安型。
（2）除就地指示和特殊仪表外，现场变送器采用智能型仪表。
（3）除轴承温度检测元件和特殊测量仪表外，标准的电动信号为4~20mADC或1~5V DC。
（4）所有现场仪表为全天候型。
（5）现场仪表的材质需要满足工艺介质和现场环境条件的要求。
26 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 基于以上准则，对离心式氧气压缩机组气路参数的温度、压力、流量以及轴振动、位移参数进行了监测方案设计。
3.4.1温度参数监测方案 对于离心式氧气压缩机气路系统温度参数的监控主要有轴承温度和压缩机入、出口温度等。
轴承温度是说明压缩机是否运行正常的重要参数，它可以反映转子、瓦块的运行状况，压缩机的许多故障能从瓦温上提前反映，轴温的测量就显得很重要因此在轴承上设置PT100埋入式铂热电阻将温度进行远传监控。
设定值： 压缩机轴承温度≥105℃，高报警；压缩机轴承温度≥115℃，过高联锁；压缩机入、出口温度是参与压缩机防喘振控制的重要参数，也是影响压缩机气动性能、机械性能和寿命的重要参数。
氧气运行工况下，当压缩机各段出口的气体温度信号超过报警设定值时，控制室发出声光报警；达到危险值时，除有声光报警外，停机联锁系统动作，自动停车。
设定值：压缩机一段出口气体温度≥141.8℃，高报警；压缩机一段出口气体温度≥156.8℃，过高联锁；压缩机二段出口气体温度≥139.8℃，高报警；压缩机二段出口气体温度≥154.8℃，过高联锁；压缩机三段出口气体温度≥141.9℃，高报警；压缩机三段出口气体温度≥156.9℃，过高联锁；压缩机四段出口气体温度≥150.4℃，高报警；压缩机四段出口气体温度≥165.4℃，过高联锁；压缩机五段出口气体温度≥150.2℃，高报警；压缩机五段出口气体温度≥165.2℃，过高联锁；压缩机入、出口温度的检测仪表主要有现场显示的双金属温度计，远传信号采用PT100插入式铂热电阻将信号远传至控制系统进行显示。
3.4.2压力参数监测方案 对于离心式氧气压缩机压力参数的监控主要有压缩机入、出口压力等。
27 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 压缩机入、出口压力是参与压缩机防喘振控制的重要参数，压缩机出口压力也衡量压缩机是否满足设计要求的重要参数。
最终进入控制系统的压缩机入、出口压力参数都以绝压来表示，所以需要将测量到的表压转换成绝压，转换公式如下： PaPgP0 (3.1) 式中，Pa为绝压；Pg为表压；P0为大气压。
现场显示的压力监控的仪表选用不锈钢耐震压力表，远传信号去控制系统进行显示、控制、联锁的压力仪表选用压力变送器。
3.4.3流量参数监测方案 氧气压缩机流量的监测主要是压缩机进口流量，流量仪表在现场测量并通过差压变送器将差压信号转换成电信号送至控制室进行显示和参与控制，流量是参与压缩机防喘振的重要参数。
流量通常是瞬时流量的简称，是指单位时间内流过管道或特定通道某一截面的流体数量。
流量分为质量流量和体积流量，质量流量用符号qm表示，体积流量用符号qv表示，而质量流 量和体积流量还有一定的关系，表示为： qmqv (3.2) 但通常情况下，我们在离心压缩机气路系统图上标注的流量是在标准状况下的流量，转 换公式如下： QPQTNNTP
N (3.3) 式中，P实测压力；T实测温度；Q实测流量；PN标况压力；TN标况温度。
远传信号去控制系统进行显示、控制的流量仪表选用巍缔巴插入式流量计。
3.4.4轴振动、位移参数监测方案 轴振动和位移测量对于转速高达几千转甚至上万转的压缩机来说非常重要的，因为转子的微小缺陷和不平衡对如此高速的旋转机械都是致命的，所以尽早发现转子的缺陷是至关重要的，对于进行预测性维修，保证机组安全长期运转有着重要的意义。
轴振动和轴位移监测系统主要由电涡流传感器探头、延伸电缆、前置器以及监测模块组成，如图3.6所示。
28 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 图3.6探头、延伸电缆及前置器 在压缩机的每个径向轴承分别装有两路互成90°的振动探头，通过延伸电缆将间隙电压信号传至前置器，当轴振动大时，压缩机控制室接收到前置器送来的信号，经过处理后发出声光报警，当轴振动过大时，系统将联锁停车。
在压缩机的止推轴承侧装有两路位移探头，这两路路探头是针对同一被测面设置，同样通过延伸电缆和前置器将间隙电压信号送至控制系统，如果判断出测量信号过大，系统将联锁停车。
轴位移是压缩机组正常运转非常重要参数，因此，轴位移信号的现场监测也采用了冗余配置，这种设置可以避免压缩机误停车。
除了需要监控参数以外，还有许多控制功能需要完成：
(1)性能参数的自动调节：压缩机转速自动调节以及压缩机防喘振控制等。
(2)故障报警和故障分析：当压缩机出现温度监测点温度过高、机组轴振动轴位移过大、汽轮机排气温度过高、汽轮机排气压力过高等情况时，监控系统能进行声光报警，同时运用屏幕显示或打印机打印进行故障记忆，从而根据超限测点及相关参数判断并指明故障部位、故障属性、故障原因及排除故障的方法。
(3)紧急停车：当离心式氧气压缩机或者汽轮机出现紧急情况时，如温度、转速过高、振动位移过大等，系统应紧急停汽轮机，以保护整个压缩机组。
3.5离心式氧气压缩机组操作时序方案 3.5.1开车操作设计离心式氧气压缩机组根据工艺要求及不同工况下操作需要通常分为手动开车操作和自动 开车操作两种模式。
针对这两种开车模式设计了两种开车操作顺序。
29 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3.5.1.1启动联锁条件 a)吸入切断阀FV-171220全关b)氮气入口阀FV-171260全开c)排烟风机运转d)排出阀HV-171230、HV-171231全关e)出口放空阀PV-171230全关f)两缸间旁通阀HV-171225全开g)防喘振阀FV-171221全开h)紧急喷氮阀FV-171261全关i)混合气放空阀PdV-171253全开j)润滑油总管PNS-171245压力正常k)润滑油温TNS-171241正常l)冷却水流量正常m)密封氮气压力PNS-171251正常n)氮气入口压力调节器PIC-171260投入自调，设定点不高于0.12MPa(A)，不低于0.45MPa(G)。
3.5.1.2手动开车操作流程设计 1）操作台上的“手动—自动”控制方式选择开关置于“手动”位置。
如为氮气试运行，氮气试运行选择开关置于合闸位。
2）开启油泵、排烟风机及手动将各阀门打开，调整油泵出口压力（正常值为0.6-0.7MpaG）及供油总管压力为正常值。
（油系统的单体调试应先调试合格）。
3）启动条件满足后操作台上允许启动指示灯亮(启动条件指示灯)，如为氮气试运转操作台上“氮气试车”指示灯同时亮（该灯为介质指示灯，在氮气入口阀全开时此灯亮）。
4）中控制室操作台上启动汽轮机。
5）操作各阀门使压缩机达到正常工况。
6）确认氧气质量合格后，手操氧气输送阀，开始输送氧气。
在离心式氧气压缩机机组正式压氧以前以及进行单机试车前，应先进行氮气试运转，此时各启动联锁功能仍在控制系统内实现。
机器按1）~5）项操作进行氮气运转试验。
30 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 3.5.1.3自动开车操作流程设计 a)操作台上的“手动—自动”，控制方式选择开关拨在“自动”位置。
b)主控室仪控操作台上的以下手操器置于“遥控”或（“自动”）位置，它们将接收来自中控室的遥控信号： 氧气输送阀手操器放空阀手操器缸间旁通阀手操器防喘振阀手操器c)将中控室内自动启动开关由“停止”位置拨到“准备”位置，此时，自动进行下述动作：轴封氮气压差调节器PdIC-171251置于“自动”方式，设定值为7KPa；混合气与密封氧气压差调节器PdIC-171252置于“自动”方式，设定值为7KPa；高压放空压力调节器PIC-171230A手操，使PV-171230全关；各辅机及阀门分别投入运行及动作后，在全部条件满足后，操作台上的“允许启动”指示灯亮，如为氮气试车，电控机旁柜上的氮气试车灯同时亮。
再一次检查各仪表、阀门位置、轴封系统、冷却水量、油温、油压等是否正常。
d)将中控室内自动启动开关由“准备”位置拨到“启动”位置，此时，自动进行下述动作：仪控操作台内的电铃响10秒钟，汽轮机机启动，同时，轴振动报警、联锁倍增；倍增手段通过二次表中予设的倍增功能实现。
汽轮机正常运行后，高压放空压力调节器PIC-171230A投入“自动”调节状态，其压力设定值为2.6951MPa(A)（氮气条件时）在PIC-171230A投入“自动”调节状态的同时，密封气混合气放空电磁阀PdY-171253得电，PdV-171253投入自动；汽轮机正常运行5分钟后，缸间旁通阀的电磁阀HY-171225得电，缸间旁通阀HV-171225在5分钟内全关；缸间旁通阀HV-171225全关30秒后，防喘振阀FV-171221的电磁阀FY-171221得电，FV-171221投入防喘振自动调节状态，其设定值为5Kpa(G)。
密封气混合气放阀PdV-171253全关后30秒，密封氧气与混合气差压PdT-171252在表压≥7Kpa时，轴封差压调节系统的联锁PdISA-171251、PdISA-171252投入； 31 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 如为氮试，则开车过程到此结束。
3.5.1.4氮氧置换操作流程设计 经过以上操作，使压缩机出口压力在2.7MPa（A）情况下稳定运行。
在各项机械运转指标正常，各管线无泄露的情况下，30分钟后，进行氮、氧切换。
流程如下： a)轴封差压调节PdISA-171251、PdISA-171252联锁解除；b)30秒后，缸间旁通阀HV-171225在5分钟内全开；c)缸间旁通阀HV-171225全开后30秒，高压放空阀PV-171230在5分钟内全开；d)确认氧气入口压力为0.107MPa(A)e)PV-171260全开后30秒，可进行氧、氮切换，氧气入口阀FV-171220全开，10秒钟后，氮气入口阀FV-171260全关；f)FV-171260全关1分钟后，氮气入口旁通阀PV-171260的电磁阀PY-171260得电，PIC-171260全关；g)防喘振调节自调，其设定值为5Kpa(G);5分钟后，当确认纯度达到设计值后，进行以下动作：a)缸间旁通阀HV-171225,5分钟内全关；b)HV-171225全关后30秒，c)高压放空阀PV-171230投入自动，设定值为3.0MPa（A）；d)在PdT-171252表压≥7KPa时，轴封差压调节系统的联锁PdIC-171251、PdIC-171252投入；e)2分钟后，氧气输送阀HV-171230全开；经过以上过程，氧压机投入正常运转。
3.5.2停车操作方案设计 停车方式有三种：正常停车：万能转换开关从“启动”返回到“准备”位置，然后返回到“停止”位置，机器自动停车。
事故停车：当出现任何一个事故时，主电机自动停车，在有关阀门自动动作后，将万能转换开关从“启动”返回到“准备”位置，然后再返回到“停止”位置，机器自动停车。
32 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 重事故停车：当出现重事故时，机组除程序自动停车外，还要自动进行喷氮一分钟程序，以确保机器和其它设备的安全。
3.5.2.1正常停车方案 a)将中控室内自动启动开关由“启动”位置拨到“准备”位置，此时进行下述动作： 氧气排出阀HV-171230手动全关；混合气放空阀PdV-171253全开，轴封压差调节PdISA-171251、PdISA-171252联锁解除；缸间旁通阀HV-171225全开后，防喘振阀FV-171221全开，出口放空阀PV-171230全开。
经过以上过程，氧气压力已降低，停止送氧。
b)将中控室内自动启动开关由“准备”位置拨到“停止”位置，此时进行下述动作：汽轮机停车；30秒后吸入切断阀FV-171220全关；混合气排放阀PdV-171253全关；30分钟后，允许油泵及排烟风机手动停车；至此，停车过程结束。
3.5.2.2事故停车方案 事故停车信号为：密封氮气PSA-171251压力过低；密封氮气减压后压力PSA-171254过低密封氮气与混合气压差PdSA-171251过低密封氧气与混合气压差PdSA-171252过低润滑油总管压力PSA171245A/B/C过低汽轮机止推轴承温度TSA-171271A/B、TSA-171272A/B过高汽轮机径向轴承温度（自由端）TSA-171273A/B过高汽轮机径向轴承温度（低压缸端）TSA-171274A/B过高 33 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 低压缸止推轴承温度TSA-171201～171204过高低压缸径向轴承（汽轮机端）温度TSA-171207、TSA-171208过高低压缸径向轴承（高压缸端）温度TSA-171201、TSA-171202过高高压缸止推轴承温度TSA-171211～171214过高高压缸径向轴承（自由端）温度TSA-171211、TSA-171212过高高压缸径向轴承（低压缸端）温度TSA-171217、TSA-171218过高当出现上述任一事故停车信号时，将根据下述程序停车：汽轮机停车：氧气排出阀HV-171230手动全关，停止送氧；混合气排放阀PdV-171253的电磁阀FY-171253失电，PdV-171253全开；轴封差压调节PdSA-171251、PdSA-171252联锁解除；缸间旁通阀HV-171225全开；出口放空阀PV-171230全开，防喘振阀FV-171221全开，；吸入切断阀FV-171220全关；将中控室内自动起动开关由“启动”位置经“准备”位置返回到“停车”位置，此时进行下述动作：30分钟后，允许油泵及排烟风机手动停车。
至此，事故停车过程结束。
3.5.2.3重事故停车及紧急喷氮处理方案 重事故停车信号为：低压缸轴位移XSA-171201、XSA-171202过大；高压缸轴位移XSA-171211、XSA-171212过大低压缸轴振动（高压缸侧）VSA-171201/171202过大低压缸轴振动（汽轮机侧）VSA-171203/171204过大高压缸轴振动（自由端侧）VSA-171211/171212过大高压缸轴振动（低压缸侧）VSA-171213/171214过大一段出口温度TSA-171222过高二段出口温度TSA-171224过高三段出口温度TSA-171226过高四段出口温度TSA-171228过高 34 浙江大学硕士学位论文离心式氧气压缩机开车时序设计 五段出口温度TSA-171230过高当出现上述任一重大事故停车信号时，为防止燃烧，机器将根据下述程序停车并喷氮一分钟，氧气排出阀HV-171230手动全关，停止送氧；混合气排放阀PdV-171253的电磁阀FY-171253失电，PdV-171253全开；轴封差压调节PdSA-171251、PdSA-171252联锁解除；缸间旁通阀HV-171225全开；出口放空阀PV-171230全开，防喘振阀FV-171221全开；吸入切断阀FV-171221全关；氮气入口阀FV-171260和紧急喷氮阀FV-171261全开，紧急喷氮一分钟后，上述两阀全关；30分钟后，允许油泵及排烟风机手动停车。
至此，重事故停车过程结束。
将中控室内自动启动开关由“启动”位置经“准备”位置返回到“停车”位置。
3.6小结 本章从氧气压缩机组成入手，介绍了压缩机润滑油系统、密封系统和气路系统。
通过各系统的介绍，得出氧气压缩机需要监测的主要参数有温度、压力、流量、液位、振动和位移等，并对这些参数的监测仪表进行了选型设计，有效的监测这些参数对于保证离心式压缩机组安全稳定运行至关重要。
针对氧气压缩机组提出了开车时序的设计，并针对三种停车情况设计了停车操作方案及重故障停车时紧急喷氮系统操作流程。
这些操作方式的正确运用对离心式氧气压缩机安全稳定的开车停车起到至关重要的作用。
35 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 4控制系统软、硬件设计及网络架构 本章通过对离心式氧气压缩机控制系统功能具体要求的分析，研究了ICS三冗余系统特点和系统的硬件组成，设计了控制系统的硬件配置方案，并以以太网为架构完成整个控制系统的网络连接设计。
针对一些关键逻辑控制流程的设计，完成控制系统软件的开发设计了离心式氧气压缩机组控制系统监控画面，针对数据的显示画面进行实例说明。
综合应用化学工程技术、计算机应用技术和自动控制技术对乙烯生产过程实现先进控制和优化操作，充分发挥设备的内在潜力，以低能耗低成本消耗和高产出获得较高的经济效益[27]。
4.1控制系统需求分析 离心式氧气压缩机控制系统设计应达到以下要求：
（1）实现对整个压缩机系统的控制，准确达到工艺控制说明中规定的工艺控制目标。
（2）最大程度地提高压缩机效率，同时保证最高压头和最小喘振极限，保持最佳性能。
（3）准确判断压缩机接近喘振的距离并产生相应的防喘振输出。
（4）保证压缩机在规定的测试性能数据及其他工艺限制等范围内运行。
（5）减少压缩机和工艺限制值的变量超调，实现控制器最小安全裕度，优化压缩机正常 操作。
允许充分但不过量的再循环流量，再循环浪费最少。
（6）在压缩机防喘振、性能和透平转速控制回路之间采用实时控制回路解耦技术，最大 程度提高过程稳定性。
多级压缩机也应采用防喘振控制及防喘振回路解耦技术。
（7）通过均匀分配总负载，保证每段压缩机与喘振点保持相同的距离，避免在减负荷运 行时出现不必要的再循环或停机，最大程度提高整个压缩机网络的能效。
（8）开车、停车操作过程中采用标准化的模式切换方案，最大程度地减少工艺状态改变 所需的人工干预。
（9）汽驱动压缩机应采用超速保护机械装置和独立的压缩机三选二逻辑超速跳车设施。
（10）检测防喘振控制的故障并产生相应的保护输出。
（11）即使硬件故障也提供不间断的控制。
（12）提供压缩机组的安全保护和报警联锁功能。
（13）提供压缩机的自动电盘车控制功能。
（14）提供压缩机的密封系统控制功能。
36 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 4.2TMR三冗余控制系统硬件设计 氧气压缩机控制系统硬件主要由RockwellICSTRIPLEX三冗余系统、BENTLY3500机组状态监测系统、超速保护装置、以太网通讯网络组成。
三冗余系统概念：三冗余系统简称TMR(TripleModularRedundancy)，是一种容错设计技术．IO卡件中三个模块同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，通常称为三取
二．三个模块中只要不同时出现两个相同的错误，就能掩蔽掉故障模块的错误，保证系统正确的输出．由于三个模块是互相独立的，两个模块同时出现错误是极小概率事件，故可以大大提高系统的可信性．同时，为保障每个模块的可靠性，保证及时处理一次故障的影响，系统还具有故障检测能力，周期性或在需要时检测故障，发现故障后能及时定位，进行故障处理，减少二次故障发生概率．采用TMR三冗余控制系统的安全性和可靠性要远高于传统的非冗余控制系统及双卡热备冗余系统。
4.2.1ICS三冗余系统 ICSTRIPLEX系统由美国Rockwell公司研发生产的大型控制器产品，它以三重化冗余模块（TMR）为主要特色。
TMR就是所有重要电路都实现三重化冗余或物理三重化冗余功能，安全等级达到TUV6级或通过SIL3级认证。
它解决了以往分散控制系统的缺点，把机组的各个控制部分：机组联锁ESD、SOE事件顺序记录、机组控制PID(例如：防喘振控制、调速控制等)及常规指示记录功能，故障诊断功能等完美地结合在一起，集成为一套机组综合控制系统[28]。
ICSTRIPLEX系统具有三重化冗余处理器(TMR)，可用于控制及信息处理，它提供了高级的编程特点和多种通信方式满足你独特的应用。
它为具有特定I/O要求的大规模顺序和调节控制应用以及与其它处理器和设备协调的需要而设计的。
它包括如下功能：
（1）支持多种编程语言：梯形图、结构文本、功能流程块图。
（2）先进的指令集：包括基本的和先进的ASCII串指令，先进的算术功能。
（3）多种函数块。
（4）内置的通信：RS232/485，远程I/O控制网络，远程I/O通讯。
（5）T8151B通信模块提供了串行端口，端口提供了嵌入的ModBus通信功能，使处理器能够和MODBUS网络主站通讯。
经过对氧气压缩机各系统的研究，计算出本套氧气压缩机组需要进入控制系统参与显示、 37 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 控制、联锁的测点数量如表4.1所示。
表4.1控制系统I/O清单 信号类型实际测点数设计测点数备用测点数 备用率 AI(4~20mA)AI(Pt100) 21 38 120 61103% AO164024150% PI396167% DI5012070140% DO194021110% 按照ICS控制系统测点数量选取系统卡件型号和数量如表4.2所示。
表4.2ICS系列控制器配置清单 序号 型号 名称 数量
1 T8100 控制器主机架TMR
1 2 T8110B 增强型主处理器TMR
1 3 T8151B 网络通讯模块TCM
2 4 T8300 扩展机架TMR
1 5 T8310 扩展处理器模块TMR
1 6 T8431 AI模块4-20mADC40点TMR
3 7 T8480 AO模块4-20mADC40点TMR
1 8 T8442 PI模块24VDC隔离9点TMR
1 9 T8403 DI模块24VAC/DC隔离40点TMR
3 10 T8461 DO模块24VAC/DC隔离40点TMR
1 ICS控制系统由一个主机架和两个扩展机架构成，控制系统通过主机架上安装的两个网 络通讯模块（T8151B）完成与DCS和3500框架表的通讯。
每个网络通讯模块（T8151B）有 四个串口，这些串口在系统做从站时使用RTUMODBUS传输协议，支持RS-232或RS-485 通讯。
本系统考虑到传输距离，都采用RS-485通讯模式。
与DCS系统通讯时，DCS系统做 主站，ICS系统做从站，选用RTU协议，控制器把压缩机各参数传送到DCS系统上显示。
ICS 系统与3500系统之间通讯时，ICS系统做主站，3500系统做从站，3500被设定为一个从设 备，只能响应主设备的传输请求。
通过简单的通讯连接，3500能够直接把压缩机的压缩机轴 振动、轴位移等参数传输到控制器中。
38 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 4.2.2机组状态监测系统机组状态监测系统选用美国本特利公司的3500系列产品，它是当今最新的机器检测系 统，此系统能够通过多种传感器采集数据作为一个系统，提供连续、在线监测功能，适用于机械保护应用，它是本特利内华达采用传统框架形式的系统中功能最强、最灵活的系统，具有数字化和集成化程度高、支持在线插拔等特点[29]。
BENTLY3500机组状态监测系统是汽轮机、压缩机轴承振动和轴位移数据采集的重要单元。
其由框架、电源模块、接口模块、键相器模块、振动、位移监测器模块、继电器模块以及通讯模块组成[30]，如图4.1所示。
图4.1本特利的框架仪表3500 根据本套压缩机和汽轮机需要监测的振动和位移数量，设计出如表4.3的机组状态检测系统配置方案。
39 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 表4.3机组状态监测系统配置 序号1234567 名称框架框架接口模块电源2通道键相器模块4通道监测器模块16通道继电器模块通讯接口模块 型号3500/05-01-01-00-00-00 3500/20-01-02-003500/15-02-02-003500/25-01-01-00 3500/40-01-003500/33-01-003500/92-02-01-00 数量1111312 压缩机、汽轮机的振动和位移数据可以通过本特利的监控软件传到工程师站进行在线监测，可以在工程师站看到其间隙电压以及其当前的实时数值的大小。
4.2.3超速保护装置 离心压缩机是一种高速转动设备，其转动部件的应力与转速有密切的关系。
因离心力与转速平方成正比，转速增加时，离心力所引起的应力将迅速增加。
因此如果转速升高到不允许的数值，将会导致机组设备的严重损坏。
机组正常运行时，透平的转速由调节系统保持在额定转速附近变化，但当透平突然甩去全负荷时，如果调速系统中的某些元件工作不正常，不能及时关闭调节阀，或者汽门虽然关闭但严密性不好，则透平的转速将会迅速升高，这种升高可能会高于转子强度所允许的范围，对机组造成损坏。
为此，每台透平都装有超速保护装置，当透平转速超过额定转速的9％一11％时，超速保护装置动作，泄去安全油，迅速关闭自动主汽门和调节汽门，切断透平的进汽，迫使透平停止运行[31]。
图4.2WOODWARD三取二超速保护装置 40 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 超速保护装置是由感受元件-透平转速探头、保护系统-ProtechGII三选二表决器及执行机构-紧急停车逻辑，通常由电磁阀构成。
当透平实际转速超过额定速一定比例时，三个转速探头检测的信号经过接线端子板进入保护系统ProtechGII的输入模块后，分成3个支路，支路彼此之间光电隔离，再通过3条独立的通信线路分别送到3个主处理器参与控制程序运算。
主处理器在总线上对信号进行传输表决，保证每一个主处理器使用同样的数据进行控制运算。
当控制程序执行后，主处理器分别将处理结果输出至输出模块，在输出模块上再对输出信号进行3取2表决，以保证输出信号的准确性。
最后，输出信号经过接线端子板输出到停车逻辑，进行控制停车。
在此保护装置中，当进行超速测试时，将会对超速保护功能进行屏蔽，以防引起控制器误动作，WOODWARD三取二超速保护装置如图4.2所示。
4.3氧气压缩机控制系统网络设计 经过对用户控制网络设计要求的分析和对控制系统各部件的了解，设计出如下控制网络方案，控制系统配置如图4.3所示。
图4.3控制系统总结构图 氧气压缩机网络构成分为三部分：现场机柜间（FRR）、中心控制室（CCR）以及连接光纤。
由于氧气压缩机控制柜安装在现场机柜间（FRR），在距离现场机柜间约1200米处设置一个中心控制室（CCR），因此，现场机柜间和中心控制室通过冗余光纤和光纤附件连接。
41 浙江大学硕士学位论文控制系统软件设计 压缩机控制系统在中心控制室（CCR）内设置操作站一台、SOE站一台、便携式工程师站一台；压缩机控制系统在现场机柜室（FRR）内设置工程师站一台、SOE站一台、便携式工程师站一台。
压缩机控制系统设置独立的三取二超速保护装置和机组状态监测系统。
辅助操作台设置在中心控制室（CCR），在辅助操作台上设置紧急停机按钮、复位按钮、防喘振阀紧急打开按钮和允许启动指示灯、公共报警指示灯、联锁停机指示灯、联锁切除指示灯，信号通过SIS系统的远程I/O送至现场机柜间（FRR），再通过硬接线方式送至控制系统。
4.4控制系统软件设计 4.4.1控制系统下位机软件 4.4.1.1IEC1131TOOLSET特点 机组综合控制系统软件编程及组态是基于Rockwell公司的IEC1131TOOLSET软件。
该软件系统将联锁逻辑功能和包括防喘
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