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往復(fù)式壓縮機(jī)控制方案探討及改進(jìn)

文檔作者：曾超江峽文檔來源：四川天一科技股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年04月06日
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Chenmical Intermediate
108 當(dāng)代化工研究 科研開發(fā) 2016·07
往復(fù)式壓縮機(jī)控制方案探討及改進(jìn)
Ｏ 曾超 江峽
（四川天一科技股份有限公司 四川 610225）
摘要：針對往復(fù)式壓縮機(jī)控制節(jié)能降耗問題，提出了優(yōu)化的控制方案。著重介紹了往復(fù)式壓縮機(jī)蟬蛹控制方案的原理、安全設(shè)計要求以
及控制方案的優(yōu)、缺點(diǎn)；同時在投資不變的情況下，提出了更為簡單，實用的替代方案，并通過實際應(yīng)用得到了驗證。
關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機(jī)；選擇性控制；節(jié)能改造
中圖分類號：T 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Discussion and Improvement of Control Plan for Reciprocating Compressor
Zeng Chao, Jiang Xia
（Sichuan Tianyi Science and Technology co., LTD. Sichuan, 610225）
Abstract：In view of the problem of controlling saving energy and reducing consumption of reciprocating compressor, this paper puts forward
the optimized control scheme and introduces the principle, safety design requirements and control scheme advantages and disadvantages of
reciprocating compressor cicada pupa control scheme;At the same time, under the condition of invariable investment, this paper puts forward a
more simple and practical alternative plan, which has been proved by practical application.
Key words：reciprocating compressor；selective control；energy saving transformation
在化工裝置中，用于輸送流體并提高其壓頭的機(jī)械設(shè)備
通稱為流體輸送設(shè)備，用于輸送液體并提高其壓頭的機(jī)械稱
之為泵，而用于輸送氣體并提高其壓頭的機(jī)械稱之為風(fēng)機(jī)和
壓縮機(jī)。
壓縮機(jī)又分為離心式和往復(fù)式兩大類，相對于泵、風(fēng)
機(jī)來說，在控制方案上要復(fù)雜的多，特別是近年來石油化工
向大型化的發(fā)展，對壓縮機(jī)提出了更高的要求，除了流體的
壓力，流量控制以外，還需考慮到壓縮機(jī)本身的保護(hù)性控制，
因為這種大型設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，所造成的損失將是巨大的。
往復(fù)式壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī),其工作原理基本與往
復(fù)泵類似，主要依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動將氣體吸入和壓出，達(dá)
到提高壓力的目的。通常適用于流量小，壓縮比大、壓力高
的場合。
一、往復(fù)式壓縮機(jī)常用控制方案
PIC PIC
PIC
101A
PV-101A
低壓工藝氣
高壓工藝氣
入口緩沖罐出口緩沖罐
壓縮機(jī)
回流冷卻器
PV-102 101
F.C
F.0
TI
PY
102
101B
圖1.1 壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力選擇性控制流程圖
1.壓縮機(jī)主要由兩套回路進(jìn)行控制和保護(hù)：
(1)壓縮機(jī)入口壓力控制回路（PIC-101A），此回路為
單回路，采用經(jīng)典PID控制器進(jìn)行控制，主要作用是穩(wěn)定壓
縮機(jī)入口緩沖罐壓力；
(2)壓縮機(jī)入口壓力(PIC-101B)/出口壓力(PIC-102)組成
選擇性控制回路,采用2個防積分飽和PID模塊進(jìn)行控制，主
要作用是穩(wěn)定壓縮機(jī)出口壓力并保護(hù)壓縮機(jī)入口壓力不至于
過低。
選擇性控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)進(jìn)行軟保護(hù)的一種方案設(shè)計。
幾乎所有的控制系統(tǒng)都可以分為三大類：物料（能量）平衡
控制、質(zhì)量控制和極限控制。選擇性控制屬于極限控制的一
種，其特點(diǎn)是：在正常工況下，該參數(shù)不會超限，所以也不
考慮對它進(jìn)行直接控制；而在非正常工況下，該參數(shù)會達(dá)到
極限值，這時又要求采取強(qiáng)有力的控制手段，避免超限。
生產(chǎn)保護(hù)性措施一般分為硬保護(hù)和軟保護(hù)。硬保護(hù)指
參數(shù)達(dá)到第一極限時報警并設(shè)法排除故障，若未及時排除故
障，情況繼續(xù)惡化，過程值會達(dá)到更嚴(yán)重的第二極限觸發(fā)聯(lián)
鎖裝置動作，自動停車達(dá)到保護(hù)生產(chǎn)的目的。軟保護(hù)指參數(shù)
達(dá)到第一極限時報警并設(shè)法排除故障，以此同時改變操作方
式，按使該參數(shù)脫離極限值為主要控制目標(biāo)進(jìn)行控制，以防
該參數(shù)進(jìn)一步超限觸發(fā)聯(lián)鎖停車。這種操作方式會使原有的
控制質(zhì)量降低，會暫時影響生產(chǎn)，但能使生產(chǎn)流程繼續(xù)運(yùn)
轉(zhuǎn)，避免停車造成更大的損失。
當(dāng)生產(chǎn)操作趨于極限條件時，用于控制不安全情況的控
制系統(tǒng)將取代正常情況下工作的控制方案，直到生產(chǎn)操作重
新回到安全范圍時，正常情況下的控制方案又恢復(fù)對生產(chǎn)過
程的正常控制，由此形成了選擇性控制系統(tǒng)的需求。要構(gòu)成
選擇性控制，生產(chǎn)操作必須有一定的選擇性邏輯關(guān)系，而選
擇性控制的實現(xiàn)則需要具有選擇功能的自動選擇器（高選模
塊和低選模塊）來完成。
以圖1.1壓縮機(jī)控制系統(tǒng)為例，PIC-101B與PIC-102
兩個調(diào)節(jié)器分別控制壓縮機(jī)入口保護(hù)壓力值（設(shè)定值僅作
為保護(hù)壓縮機(jī)入口不至于被抽為負(fù)壓即可，下文稱為：安
全限值）和壓縮機(jī)出口設(shè)定壓力值（工藝設(shè)計值）。調(diào)節(jié)
器PIC-101B為正作用，調(diào)節(jié)器PIC-102為反作用，調(diào)節(jié)閥
PV-102為氣關(guān)閥（調(diào)節(jié)器輸出為0%對應(yīng)閥位100%，輸出
為100%對應(yīng)閥位0%）。
在正常情況下，因為PIC-101B調(diào)節(jié)器設(shè)定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于
測量值，故調(diào)節(jié)器輸出保持為100%。PIC-102調(diào)節(jié)器測量
值基本在設(shè)定值范圍附近波動，輸出在0～100%之間，低
選模塊則選擇PIC-102調(diào)節(jié)器來控制調(diào)節(jié)閥PV-102閥門，
達(dá)到穩(wěn)定壓縮機(jī)出口壓力的目的。
萬方數(shù)據(jù)
科研開發(fā) Chenmical Intermediate 109
2016·07 當(dāng)代化工研究
在事故狀態(tài)下，即壓縮機(jī)入口工藝氣突然因事故大幅減
少甚至為零，此時如果不及時處理，壓縮機(jī)入口壓力將降低
到負(fù)壓，造成設(shè)備和壓縮機(jī)的損壞。在此情況下，PIC-102
調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測量值，此時調(diào)節(jié)器輸出將趨近
于100%（取決于偏差大小和PID參數(shù)整定數(shù)值）。而PIC-
101B調(diào)節(jié)器測量值將接近或者小于設(shè)定值（安全限值），
調(diào)節(jié)器輸出將減小直至為0%（取決于偏差大小和PID參數(shù)
整定數(shù)值）。低選模塊則選擇PIC-101B調(diào)節(jié)器來控制調(diào)節(jié)
閥PV-102閥門，保證壓縮機(jī)有足夠的回流量使得壓縮機(jī)入
口不至于為負(fù)。
2.此方案能夠很好的解決壓縮機(jī)出口壓力控制和安
全性回流的的矛盾，成為了很多工藝流程的模板方案。
但是也有不可避免的缺點(diǎn)：
(1)對控制系統(tǒng)的組態(tài)要求高。選擇性控制系統(tǒng)當(dāng)進(jìn)入
或超出安全限值時，控制器應(yīng)立即進(jìn)行切換。也就是說，當(dāng)
偏差為零時，兩個控制器應(yīng)該同步，既應(yīng)該馬上有相同的輸
出，這樣才能保證及時的切換。尤其是兩個控制器均采用PI
控制時，在一個控制器被另一個控制器切換后（即未被選擇
控制器一直處于開路狀態(tài)），控制器的偏差一直存在，這將
使控制器出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。所謂積分飽和現(xiàn)象，就是因
為偏差的長時間存在，PID控制器由于存在積分作用，控制器
的輸出將不斷增加或者不斷減少，一直達(dá)到運(yùn)算器的極限（存
在時間越長、數(shù)值越龐大）。當(dāng)偏差歸零后，控制器的輸出
因為之前積分模塊的累加值過于龐大，會需要很長時間才能
抵消掉這部分累計值，將輸出拉回到0～100%之間，造成
切換的不及時，引起控制的失效。所以選擇性控制方案要求
必須采用有防止積分飽和功能的PID模塊。但是部分PLC或
者DCS系統(tǒng)所提供的PID模塊只有經(jīng)典PID模塊，沒有防積
分飽和功能，需要組態(tài)人員進(jìn)行二次開發(fā)。常用的防積分飽
和方法有：限幅法、積分切除法和外反饋法。這都要求組態(tài)
人員有豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗和軟件能力，能夠很好的完成開發(fā)和
調(diào)試工作。
(2)由于壓縮機(jī)在設(shè)計選型階段是按滿負(fù)荷（部分裝置
甚至要求110%以上負(fù)荷）的情況設(shè)計的氣缸體積，在裝置
沒有達(dá)到滿負(fù)荷情況下，勢必會有多余的氣體以回流方式循
環(huán)壓縮（工藝往往要求按照50%回流量進(jìn)行調(diào)節(jié)閥選型），
這部分氣體即白白浪費(fèi)了能量，還需要提供循環(huán)水對其進(jìn)
行冷卻。簡單估算：一臺100KW的壓縮機(jī)，如果長期運(yùn)行在
80%負(fù)荷（即有20%的回流量），一年（按8000小時運(yùn)行）浪
費(fèi)的電費(fèi)約為15萬（工業(yè)用電單價按0.9元/千瓦時計算）。
二、壓縮機(jī)改進(jìn)控制方案
為了更好的響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，同時降低企業(yè)
的運(yùn)營成本，以面對日益激烈的競爭。結(jié)合壓縮機(jī)本身的工
作原理、過程控制要求、安全保護(hù)需要以及現(xiàn)場實際操作情
況，將控制方案改進(jìn)如下：
此方案設(shè)置的控制點(diǎn)與原方案相同，并且控制方法更為
簡單，僅為兩個單回路，不涉及復(fù)雜控制手段。針對壓縮機(jī)
在壓縮比（K）選定的情況下：Pout≈K*Pin的原理，利用
入口壓力調(diào)節(jié)閥來控制出口壓力，保證其穩(wěn)定運(yùn)行。同時利
用入口壓力檢測來控制回流閥，保證入口壓力不至于抽負(fù)，
保證機(jī)組及設(shè)備的安全。在投運(yùn)時應(yīng)注意PIC-101回路的設(shè)
置，回路給定值應(yīng)為壓縮機(jī)的安全限值，同時比例增益應(yīng)適
當(dāng)增大，保證該回路的快速響應(yīng)。
PIC PIC
101
低壓工藝氣
高壓
工藝氣
入口緩沖罐 壓縮機(jī) 出口緩沖罐
回流冷卻器
PV-101
PV-102
101
F.0
F.C
TI
102
圖1.2 改進(jìn)后壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力控制流程圖
1.此方案的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)該方案因為設(shè)置的控制點(diǎn)、控制閥與之前方案完全
相同，不會有額外硬件費(fèi)用產(chǎn)生，僅僅需要對控制系統(tǒng)重新
組態(tài)即可，十分適合應(yīng)用于改造裝置，達(dá)到節(jié)能的目的；
(2)對系統(tǒng)組態(tài)人員沒有高要求。該方案采用標(biāo)準(zhǔn)PID模
塊，該模塊為各廠家標(biāo)配，不用專門針對防止積分飽和進(jìn)行
二次開發(fā)，降低了對控制系統(tǒng)組態(tài)人員水平的要求，也避免
因二次開發(fā)調(diào)試不當(dāng)引起的附加風(fēng)險；
2.此方案的局限性
(1)針對大型往復(fù)式壓縮機(jī)，大多涉及多級壓縮，級間
壓力可以利用氣缸余隙閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)余隙閥全開還無法調(diào)
節(jié)時，才會動用進(jìn)出口主回流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。若采用本方案類
推，會出現(xiàn)參與回路過多，造成相互影響，形成系統(tǒng)的耦
合。因此大型壓縮機(jī)建議采用變頻器進(jìn)行壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)，
因為電機(jī)的消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速
降低，壓縮機(jī)出口流量減少時，相應(yīng)消耗的功率便大幅下
降，從而達(dá)到顯著節(jié)電效果；
(2)本方案依據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)原理進(jìn)行設(shè)計，針對離心
式壓縮機(jī)控制方面，因為涉及到離心機(jī)的防喘振系統(tǒng)設(shè)計，
不推薦使用。
三、使用效果
在實際操作中，壓縮機(jī)處在中低負(fù)荷情況下，兩個控制
回路均投入自動模式，經(jīng)過72小時的連續(xù)運(yùn)行，回流閥均
保持關(guān)閉，壓縮機(jī)出口壓力穩(wěn)定可控，除了根據(jù)工藝要求改
變壓縮機(jī)出口壓力設(shè)定值以外，沒有人工干預(yù)情況出現(xiàn)，完
全滿足使用要求。
四、結(jié)束語
隨著市場競爭的日益加劇，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)對裝置
的運(yùn)營成本要求越來越高，裝置考核驗收也從過往僅注重原
材料消耗轉(zhuǎn)變?yōu)楦尤娴哪茉纯己恕Ｈ绾卧O(shè)計和選用更加
經(jīng)濟(jì)、有效的控制方案也勢必成為各設(shè)計院，工藝包提供商
必須面對的問題。生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)在項目建設(shè)階段做好裝置的
能源優(yōu)化，找出一個平衡點(diǎn)，片面的僅著眼于項目建設(shè)期的
一次投資可能會適得其反。
參考文獻(xiàn)
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[2]蔣慰孫,俞金壽.過程控制工程第二版.北京:中國石化出版社,
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[3]白術(shù)波,佟俊鵬.化工單元操作.北京：石油工業(yè)出版社,2011.
[4]化工工藝設(shè)計手冊第三版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003；
【作者簡介】曾超（1982～），男，四川天一科技股份有限公司，研究方向：化工裝置自控設(shè)計。

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