一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法与流程

本发明涉及压缩机站自动控制方法领域，具体是一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法。

背景技术：

氦制冷循环过程中所需的高压氦气是由压缩机压缩实现的，压缩机是制冷机系统重要的动力设备。大型氦制冷机制冷量大、流程复杂，通常需要配备多级不同流量和压比的大型压缩机系统，压缩机系统又可划分为储气、回收、主压缩机组三个子系统。储气系统由多个中压筒构成，储气压力介于低压和中压之间；回收系统由悬浮式气柜和回收压缩机构成；主压缩机一般由多台大型螺杆压缩机串并联组成，能量滑阀是螺杆压缩机常用的能量调节装置，可以实现排气量的无极调节。稳态运行时，压缩机站为制冷机提供合适排气量，同时需要保证各级压力稳定在系统所要求的给定值附近，且能够应对负载波动和突发干扰自动调整运行状态，控制效果直接影响制冷机系统的运行效率与安全。目前现有技术中过度依赖压缩机能量滑阀控制，然而能量滑阀难以精确定位，具有不确定性漂移和非线性，串并联结构相对于单极结构存在中压传递延迟环节，因此造成调节长时间滞后且容易引起超调。对于多变量耦合，多工况频繁转换的复杂压缩机站系统，简单的控制规则难以取得好的控制效果，从而造成压力波动较大和系统震荡。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，能够根据负载变化调节运行状态，具有一定的抗干扰能力，抑制系统震荡，实现压缩机站各级压力的自动控制。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，其特征在于：以稳定三级压力为核心控制目标，针对主压缩机组两级串联形成三级压力的结构，在两两压力管路之间设置通路并配以旁通阀实现三级压力内部氦气量的快速调配，以改善单一使用压缩机能量滑阀调节的长时间滞后造成响应速度慢、易超调的缺点；在压缩机站储气、回收、主压缩机组三个子系统之间布置控制阀门，实现主压缩机系统三级压力管路与外部子系统之间的氦气量调配，通过分解各级压力之间的耦合关系，分别设计了三级压力各自的单变量多个执行机构的协调控制策略，其中：

三级压力中低压压力lp控制回路的执行机构是与高压管路相连的旁通阀v1、v2，与回收系统相连的保护阀v3以及低压级螺杆压缩机组c1能量滑阀，其中旁通阀v1、v2、保护阀v3均由pid控制器控制；

低压压力lp控制策略是以低压压力lp作为单一被控变量：低压压力lp>设定值lp_sp1时，控制旁通阀v1开度减小，其中lp_sp1为；当旁通阀v1开度低于下限值时，低压级螺杆压缩机组c1能量滑阀执行增载动作；当低压lp<设定值lp_sp1时，控制旁通阀v1开度增大，当旁通阀v1开度高于上限值时，低压级螺杆压缩机组c1减载；如果低压压力lp继续下降至低压压力lp<设定值lp_sp2，则控制旁通阀v2打开辅助调节；当低压压力lp>上限值lp_hi时，控制保护阀v3打开向回收系统泄压；

三级压力中中压压力mp控制回路的执行机构是与高压管路相连的旁通阀v4，与低压管路相连的旁通阀v5，与高压级螺杆压缩机组c2入口相连的旁通阀v6，其中旁通阀v4、v5、v6均由pid控制器控制；

中压压力mp控制策略是以中压压力mp作为单一被控变量，由旁通阀v4与旁通阀v6进行逆向分程控制，旁通阀v4的pid控制器反作用，旁通阀v6的pid控制器正作用，且旁通阀v4与旁通阀v6互锁，只有当其中一个关闭后，才控制另一个进行调节；当mp>上限值mp_hi，控制旁通阀v5打开向低压压力lp管路泄压；

三级压力中高压压力hp控制回路的执行机构是与储气系统相连的收气阀v7、v8，与低压管路相连的旁通阀v2，其中收气阀v7、v8均由pid控制器控制；

高压压力hp的控制策略是：当高压压力hphp>设定值hp_sp1，控制收气阀v7打开向储气系统收气，当收气阀v7来不及收气，高压压力hp继续升高至高压压力hp>设定值hp_sp2，启动收气阀v8控制；当高压压力hp>上限值hp_hi时，则强制旁通阀v2打开向低压路泄压。

所述的一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，其特征在于：低压压力lp控制策略中，设定值lp_sp1为旁通阀v1的pid控制器的设定值，且旁通阀v1的pid控制器是动态pid控制器，其参数根据系统工况动态调整；

设定值lp_sp2为旁通阀v2的pid控制器的设定值，且旁通阀v2的pid控制器是带有专家规则的pid控制器；

上限值lp_hi为保护阀v3的pid控制器的设定值。

所述的一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，其特征在于：中压压力mp控制策略中，上限值mp_hi为旁通阀v5的pid控制器中设定值。

所述的一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，其特征在于：高压压力hp的控制策略中，设定值hp_sp1为收气阀v7的pid控制器中设定值，设定值hp_sp2为收气阀v8的pid控制器中设定值，上限值hp_hi为旁通阀v2的pid控制器的极限设定值。

所述的一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，其特征在于：当负载吸气量大于回气量，造成压缩机站系统氦气量减小使得中压压力mp和高压压力hp下降，当中压压力mp<补气值mp_s且高压压力hp<补气值hp_s时，判断系统进入补气状态，打开与储气系统相连的补气阀v9由低压管路向系统补气；

补气控制的专家规则是：当满足补气条件时，通过设置补气阀v9的pid控制器设定值为lp_sp_s抬升低压压力lp进行补气，低压压力lp升高使得低压级压缩机机组排气量增大导致中压压力mp升高，中压压力mp升高又使得高压级压缩机机组排气量增大导致高压压力hp升高；当补气条件不满足时，其设定补气阀v9的pid控制器降为lp_sp_d，以此控制补气阀v9迅速关闭结束补气，其中补气阀v9的pid控制器设定值lp_sp_s根据负载变化动态给定，当负载吸气速度增大时，通过增大补气阀v9的pid控制器设定值lp_sp_s相应的提升补气速度。

所述的一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，其特征在于：控制系统由plc系统或dcs控制架构实现，现场设备层由测量仪表与执行机构组成，通过i/o卡件与控制层相连，控制层为plc或dcs的控制卡件；plc或dcs上位机系统通过控制网络与控制层通信，实现监控信号获取与控制组态下载。

本发明的优点是：提供了一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，通过分解耦合关系把多变量控制转换为单一变量控制，针对每一控制变量设计了多执行机构协调控制策略与专家规则，并根据运行状态动态调整控制器参数，克服了简单的控制规则调节大滞后，易超调的缺点，并能够智能应对系统的变工况运行。

附图说明

图1为本发明方法实施例一种大型氦螺杆压缩机站流程图。

图2为本发明方法中lp的控制框图。

图3为本发明方法中mp的控制框图。

图4为本发明方法中hp的控制框图。

图5为本发明方法中补气控制原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，针对主压缩机组两级串联形成三级压力的结构，在两两压力管路之间设置通路并配以旁通阀，在压缩机站储气、回收、主压缩机组三个子系统之间布置保护阀与收、补气阀，通过对这些控制阀门与压缩机能量滑阀的控制实现各级压力的调节与系统气量的平衡，达到控制压力稳定的目标。

如图2所示，一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，lp的控制策略是：v1受动态pid控制，lp>lp_sp1时，v1开度减小；当低压lp<lp_sp1时，v1开度增大。v2受专家pid控制，如果lp继续下降至lp<lp_sp2，且hp没有超过高限值hp_hi时，则启动v2辅助调节。v3受pid控制，当lp>lp_hi时，控制v3打开向回收系统泄压。c1能量滑阀受专家规则控制，当v1开度低于下限值时,主调c1能量滑阀增载；当v1开度高于上限值时,主调c1能量滑阀减载。能量滑阀的位置变化作用于低压级压缩组机使其排气量发生变化，由此进一步调节lp。

如图3所示，一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，mp的控制策略是：v4与v6进行逆向分程控制，v4的pid控制器反作用，v6的pid控制器正作用，且v4与v6互锁；v5受pid控制，pid控制器的设定值为mp_hi。

如图4所示，一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，hp的控制策略是：v2、v7、v8作为执行机构，其中v7、v8受pid控制，控制器的设定值分别为hp_sp1、hp_sp2。v2既作为旁通阀辅助调节lp，也防止hp超高起到保护阀的作用，当hp>hp_hi时，强制打开v2向低压路泄压，此时v2不做为lp过程的执行机构。

如图5所示，一种大型氦压缩机站多级压力的控制方法，hp的控制策略是：由mp和hp综合判断系统是否需要补气，当mp<mp_s且hp<hp_s时，判断系统进入补气状态，此时通过设置v9的pid控制器设定值为lp_sp_s抬升lp进行补气，当补气条件不满足时，其设定降为lp_sp_d，以此控制v9迅速关闭结束补气。lp_sp_s根据负载变化动态给定，当负载吸气速度增大时，通过增大lp_sp_s相应的提升补气速度。

上述各控制回路由plc系统或dcs控制架构实现，压力变送器测量气体压力，通过i/o卡件将压力信号输入到控制层，控制层内的plc或dcs的控制卡件进行相应计算，又通过i/o卡件将获得控制量输出给控制阀门，控制阀门执行控制动作进行调节。