一种大尺寸深低温轴流压缩机运行控制方法

技术领域

本发明主要涉及大型旋转机械设备运行控制领域，具体涉及一种大尺寸深低温轴流压缩机运行控制方法。

背景技术

轴流压缩机以其工作流量大、运行效率高等典型优势，广泛应用于高炉鼓风、大容量空分设备以及催化裂化装置等诸多工业生产领域。现有大多数轴流压缩机的工作温度范围均为常温、高温或浅低温，最低工作温度为158K左右，此前国内尚无具备长期处于110K深低温甚至更低温域运行能力、且已投入实际工程应用的大尺寸深低温轴流压缩机。因此，现有轴流压缩机的运行控制技术仅适用于工作温度为158K以上的应用场合，缺乏应用于110K及以下深低温工作温域的运行控制方法。

最新研发成功的大尺寸深低温轴流压缩机采用77K深低温液氮气化后的低温氮气作为工作介质，运行温域覆盖从常温300K到77K深低温的跨度范围，并可以长时间处于110K的深低温环境运行，其运行条件以及控制需求与现有大多数轴流压缩机存在显著差异。具体表现在深低温工作介质在轴流压缩机流道内流通，已被深冷的机壳将和内部腔体发生热交换，而内部腔体中安装有大量的常温部件；同时密封气源、保温气源、润滑及顶升油源等管道途经机壳进入内部腔体，管道也将和机壳产生热交换，由此带来轴流压缩机的密封控制、保温控制以及油源温度控制等全新的运行控制需求。同时，轴流压缩机是其所在试验台位的唯一热源，试验台位运行完毕后还需继续运行轴流压缩机，依靠其运行所产生的热量使试验台位回温至常温状态。此外，110K及以下深低温运行环境属设备运行的危险工况，轴流压缩机转速存在多个控制方，控制权限交接过程如何确保接收方已成功接收、如何确保交接方释放权限，如何有效保证转速控制权限处于连续的受控状态；同时，持续的深低温环境需要轴流压缩机保持稳定的运行状态，发生停机故障后，如何快速再次启动并投入运行，防止轴系发生变形，对轴流压缩机转速控制权限交接的合理可靠、运行状态的持续稳定均提出了新的更高要求。

综上，受深低温运行环境影响，大尺寸深低温轴流压缩机的运行控制方法、范围、内容和重点均与现有运行控制技术存在显著差异。因此，急需提出一种适用于大尺寸深低温轴流压缩机安全稳定运行的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大尺寸深低温轴流压缩机运行控制方法，解决大尺寸深低温轴流压缩机在实际工程应用中的运行控制问题，能够满足大尺寸深低温轴流压缩机的安全稳定运行所需。

本发明公开了一种大尺寸深低温轴流压缩机运行控制方法，密封气源和保温气源的供气压力均采用差压控制，差压变送器低压端测量深低温轴流压缩机的入口和出口气流压力，高压端测量气源供气压力；但当深低温轴流压缩机试验台位内流道压力＜95KPa时，强制将差压变送器低压端信号置为100KPa。

进一步的，当试验台位内流道压力≥95KPa时充入深低温轴流压缩机梳齿密封件，试验台位内流道压力＜95KPa时深低温轴流压缩机充入碳环密封件。

进一步的，深低温轴流压缩机试验台位内流道压力≥95KPa时，入口密封气供气压力和推力轴承箱密封气供气压力均高于入口气流压力20KPa，出口密封气供气压力高于出口气流压力20KPa，深低温轴流压缩机联轴器保温腔体保温气供气压力高于入口气流压力5KPa，入口保温腔体保温气供气压力高于入口气流压力10KPa，出口保温腔体保温气供气压力高于出口气流压力10KPa，贯穿筒保温气供气压力高于出口气流压力5KPa；当试验台位内流道压力＜95KPa时，所述密封气和保温气供气压力的差压不变，参考端置为100KPa。

进一步的，深低温轴流压缩机入口和出口处密封腔体分别设置多点温度测点；

温度测点之一≤10℃时对密封气源供气管道外进行加热，全部温度测点均≥25℃时加热停止；

若进行加热后密封腔体内的温度继续下降，当温度测点之一≤5℃时，对密封腔体内进行加热，全部温度测点均≥25℃时，加热停止。

进一步的，所述充入深低温轴流压缩机入口和出口处密封腔体内的密封气源，供气温度控制采用自动加热方法。加热载体为分布于密封气源供气管道和密封腔体内的电加热器。

进一步的，深低温轴流压缩机联轴器处保温腔体充入保温气源，所述保温气源温度采用加热控制；深低温轴流压缩机入口和出口处保温腔体充入保温气源，所述保温气源温度控制包括加热控制和冷却控制。所述加热控制均采用自动加热循环方法，冷却控制采用自动冷却循环方法。

进一步的，保温气源加热载体为设置于保温气源供气管道上的电加热器，保温气源冷却载体为设置于保温气源供气管道上的水冷却器；加热控制和冷却控制的循环载体均为循环风机。

进一步的，所述加热控制和冷却控制通过电动阀门切换气源路径。

具体实施方式：采用加热控制时，位于保温气源供气管道上的水冷却器旁路阀门自动打开，水冷却器自动停止；采用冷却控制时，位于保温气源供气管道上的水冷却器旁路阀门自动关闭，水冷却器自动投入。

进一步的，所述深低温轴流压缩机联轴器、入口和出口处的保温腔体内分别设置多点温度测点，温度测点之一≤15℃时进行加热，全部温度测点均≥30℃时加热停止。

进一步的，位于保温气源供气管道上的循环风机在电加热器停止后不立即停止，当电加热器出口温度≤30℃时自动停止。

进一步的，保温气源供气管道上电加热器的驱动调功器功率设置70%限额，电加热器运行采用限温控制模式：当电加热器出口温度≥90℃时自动停止，出口温度≤70℃时再次启动。

进一步的，所述深低温轴流压缩机入口和出口处保温腔体内的温度测点之一≥45℃时进行冷却，全部温度测点≤30℃时冷却停止。

通过设置了基于差压控制方法且具备加热功能的密封气源、具备加热和冷却功能的保温气源，用于大尺寸深低温轴流压缩机密封腔体的保温以及保温腔体的保温和冷却，起到了很好的绝热和常温设备保护的作用，满足了从常温300K至77K的运行控制所需。

进一步的，油源温度采用油箱加热器和自力式温度控制阀进行组合控制，油箱加热器配置独立的加热循环回路，油源加热器启动时加热循环回路同步开启，将油液进行循环加热，且深低温轴流压缩机运行期间油源加热器持续运行；自力式温度控制阀分别连接油源冷却器出口和油箱出口，将经过冷却器冷却以后的冷油与油箱出口的热油进行掺混，进而冷却油源。

进一步的，先将油箱内部压力抽负压至微负压-0.8KPa，再依次控制压缩机顶升油源、高压电机顶升油源、润滑油源至正常压力。

进一步的，深低温轴流压缩机的转速采用高压变频器和电机机械盘车装置的组合控制方法，区分以下工况：深低温轴流压缩机长时间停置后的首次启动采用电机机械盘车装置，控制转速10r/min；日常启动则采用高压变频器，控制转速40r/min；电机机械盘车装置还保留深低温轴流压缩机正常停机后的长期稳态盘车功能，控制转速2r/min-10r/min，且稳态盘车期间运行保障气源、润滑及顶升油源、冷却水源等持续稳定供应。

进一步的，所述高压变频器启动前，首先启动电机机械盘车装置进行功能性检验，控制转速10r/min，运行时间5min；然后电机机械盘车装置不停机使深低温轴流压缩机保持运行状态，高压变频器直接启动，当深低温轴流压缩机加速至转速超过10r/min时，该盘车装置自动脱开，自行降速并停机。

进一步的，深低温轴流压缩机转速本地控制和深低温轴流压缩机试验台位远程控制之间存在控制权限交接与应答，并基于状态标志位进行识别：状态标志位为“1”时转速控制权限位于深低温轴流压缩机本地，状态标志位为“0”时转速控制权限位于深低温轴流压缩机试验台位远程；交接与应答流程为：当前转速控制权限所在方先移交控制权限，接收方才能接收控制权限。

进一步的，所述状态标志位依据握手应答结果触发，且只有本地或远程手动确认后才发生变化，具体控制方法如下：

（1）深低温轴流压缩机本地手动移交转速控制权限，状态标志位为“1”；

（2）深低温轴流压缩机试验台位远程手动接收转速控制权限，状态标志位为“0”；

（3）深低温轴流压缩机试验台位远程手动移交转速控制权限，状态标志位为“0”；

（4）深低温轴流压缩机本地手动接收转速控制权限，状态标志位为“1”。

进一步的，深低温轴流压缩机运行期间，若深低温轴流压缩机本地或深低温轴流压缩机试验台位远程触发安全联锁，深低温轴流压缩机按照安全联锁方法降速或停机，状态标志位同步自动强制置为“1”，转速控制权限自动回到深低温轴流压缩机本地。

进一步的，状态标志位为“0”时，深低温轴流压缩机本地实施运行状态监控，监控对象包括：轴系运行数据、叶顶间隙数据、机壳应力数据、噪声数据、扭矩数据、运行工况状态、低压配电状态，以及运行控制对象的数据和状态。

进一步的，所述监控对象均设置了报警和安全联锁方法，报警或安全联锁触发后，本地操作人员需在深低温轴流压缩机本地进行手动确认；特别地，当深低温轴流压缩机处于深低温环境运行时，若安全联锁触发停机，需尽快再次启动并保持运行状态，启动方法存在优先级：高压变频器启动优先，电机机械盘车装置启动次之。

进一步的，深低温轴流压缩机试验台位远程控制结束且交接控制权限后，深低温轴流压缩机本地继续控制压缩机运行并进行阶梯降速，持续产生热量直至该试验台位内流道的温度和内部钢结构件的温度均恢复至常温状态；然后本地控制降速至40r/min盘车，直至深低温轴流压缩机轴系温度≤45℃后停机。

进一步的，转速降至0后按照润滑油源、高压电机顶升油源、压缩机顶升油源的顺序依次停止润滑及顶升油源，待运行保障气源停止，最后再将油箱内部压力恢复至常压状态。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

专门设置了基于差压控制方法且具备加热功能的密封气源、具备加热和冷却功能的保温气源，用于大尺寸深低温轴流压缩机密封腔体的保温以及保温腔体的保温和冷却，起到了很好的绝热和常温设备保护的作用，满足了从常温300K至77K的运行控制所需；采用了保温气源的循环控制方法，循环利用电加热器产生的热量对保温气源进行循环加热，保温气源在管道内循环流动，有效降低热损失，节省了气源消耗；考虑了深低温条件对润滑及顶升油源温度控制的影响、密封气源和保温气源泄漏对油源回油量的影响，采用油箱加热器持续运行加热油源，抵消深冷机壳对油源管道的冷源输入量，明确了油箱内部、顶升油源、润滑油源的压力控制时序，有效保证了回油畅通；考虑了大尺寸深低温轴流压缩机所在试验台位回温以及机组骤然停机状态下设备的安全处置需求，通过大尺寸深低温轴流压缩机持续运行产生热量进行回温，采用高压变频器和电机机械盘车装置组合方式实施异常状态下的应急启机，使设备尽快恢复安全状态；考虑了长期盘车需求，通过电机机械盘车装置的长期稳态盘车功能并稳定供应机组运行所需的外部条件，提高大尺寸深低温轴流压缩机的轴系稳定性；考虑了大尺寸深低温轴流压缩机所在试验台位内流道压力＜95KPa时的负压工作状态，将参考端压力自动设置为常压状态，保证差压控制模式下密封气源和保温气源的持续稳定供应；采用了密封气源加热器硬件冗余并实施了控制逻辑的层次判定，保证密封腔体的温度始终为常温状态，有效隔绝大尺寸深低温轴流压缩机流道中的深低温工作介质；采用转速组合控制方法并明确定义了实施工况和运行流程，相比现有技术，启动方式更加合理有效，特别是增加了电机机械盘车装置的功能性检验，应急启机的可靠性和设备的安全性更高；明确了转速控制权限的互斥交接机制，采用基于状态位的握手应答方法，相比现有技术，严格保证了大尺寸深低温轴流压缩机的转速控制权限处于可控状态，有效降低失控风险；本发明的运行控制方法，实施了大尺寸深低温轴流压缩机的启动、运行和控制，达到了预期目的和效果，证明运行控制的方法是合理有效的，有效保障了设备正常运行，特别是适用于110K及以下深低温的运行条件，提高了轴流压缩机的安全稳定运行能力。

附图说明

图1是本发明深低温轴流压缩机运行控制流程图；

图2是本发明深低温轴流压缩机保温气源路径切换示意图；

图3是本发明深低温轴流压缩机运行保障气源控制流程图；

图4是本发明深低温轴流压缩机润滑及顶升油源控制流程图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施例1

一种大尺寸深低温轴流压缩机运行控制方法，运行控制对象包括：运行保障气源、润滑及顶升油源、冷却水源、高压变频器、高压电机、电机机械盘车装置等，运行控制范围包括深低温轴流压缩机试验台位控制应答。涉及到的主要控制功能如图1所示，包括：运行保障气源控制、润滑及顶升油源控制、转速组合控制、转速交接与控制等。其中，运行保障气源控制包括密封气源控制和保温气源控制；润滑及顶升油源控制包括油源温度控制和油源压力控制；转速组合控制包括高压变频器控制和电机机械盘车装置控制；转速交接与控制包括本地与远程权限交接、本地监控。

所述运行保障气源包括密封气源和保温气源，其中，密封气源分别充入深低温轴流压缩机入口、出口、推力轴承箱处密封腔体内的梳齿密封和碳环密封件；保温气源分别充入深低温轴流压缩机的联轴器、入口、出口处的保温腔体以及外机壳进出线缆贯穿筒内。

其中，密封气源充入梳齿密封件或碳环密封件，需根据深低温轴流压缩机试验台位内流道的压力进行判断：当试验台位内流道压力≥95KPa时充入梳齿密封件，试验台位内流道压力＜95KPa时充入碳环密封件。

其中，充入深低温轴流压缩机入口和出口处密封腔体内的密封气源，供气温度控制采用自动加热方法，加热载体为分布于密封气源供气管道和密封腔体内的电加热器。

其中，充入深低温轴流压缩机联轴器处保温腔体的保温气源，供气温度控制采用自动加热循环方法，加热载体为设置于保温气源供气管道上的电加热器，循环载体为设置于保温气源供气管道上的循环风机。

其中，充入深低温轴流压缩机入口和出口处保温腔体的保温气源，温度控制包括加热控制和冷却控制，加热控制适用于低温工况，冷却控制适用于常温工况，因此可有效覆盖从常温300K至深低温77K的工作温域范围。加热控制采用自动加热循环方法，加热载体为设置于保温气源供气管道上的电加热器；冷却控制采用自动冷却循环方法，冷却载体为设置于保温气源供气管道上的水冷却器。加热控制和冷却控制的循环载体均为设置于保温气源供气管道上的循环风机。循环风机持续运行，将经加热或经冷却的气源驱动进入保温腔体内部，再经排气管道进入电加热器或水冷却器前端，如此循环置换热量。电加热器的驱动调功器功率设置70%限额，电加热器运行采用限温控制模式：当电加热器出口温度≥90℃时自动停止，出口温度≤70℃时再次启动，防止加热过快或频繁启停降低使用寿命。

如图2所示，保温气源加热控制和冷却控制存在气源路径自动切换方法，切换载体为安装在气源路径上的电动阀门，具体实施方式如下：

采用加热控制时，位于保温气源供气管道上的水冷却器旁路电动阀门自动打开，使气源不流经水冷却器，且水冷却器自动停止，可有效降低热损耗；采用冷却控制时，水冷却器旁路电动阀门自动关闭，使气源流经水冷却器，水冷却器自动投入。

如图3所示，深低温轴流压缩机运行保障气源控制的实施方式如下：

密封气源和保温气源的供气压力均采用差压控制，差压变送器低压端测量深低温轴流压缩机的入口和出口气流压力，高压端测量气源供气压力。深低温轴流压缩机试验台位内流道的压力范围覆盖常压、增压和负压工况，当内流道压力＜95KPa时，强制将差压变送器低压端信号置为100KPa。

差压控制实施方法如下：

当深低温轴流压缩机试验台位内流道压力≥95KPa时：

1、入口密封气供气压力和推力轴承箱密封气供气压力均高于入口气流压力20KPa；

2、出口密封气供气压力高于出口气流压力20KPa；

3、联轴器保温腔体保温气供气压力高于入口气流压力5KPa；

4、入口保温腔体保温气供气压力高于入口气流压力10KPa；

5、出口保温腔体保温气供气压力高于出口气流压力10KPa；

6、贯穿筒保温气供气压力高于出口气流压力5KPa。

当试验台位内流道压力＜95KPa时，密封气和保温气供气压力的差压与上述值相同，参考端置为100KPa。

其中，入口和出口处的密封腔体内分别设置多点温度测点，温度测点之一≤10℃时位于密封气源供气管道上的电加热器自动投入，全部温度测点均≥25℃时电加热器自动停止。选择温度测点之一进行电加热器的自动投入判定、全部温度测点进行电加热器自动停止判定，可保证密封腔体内的全部空间均得到有效保温，防止局部受冷。

特别地，若位于密封气源供气管道上的电加热器投入后密封腔体内的温度继续下降，当温度测点之一≤5℃时，位于密封腔体内的电加热器自动投入，该电加热器无加热路径可直接对保温腔体进行加热；全部温度测点均≥25℃时，电加热器自动停止。

其中，深低温轴流压缩机联轴器、入口和出口处的保温腔体内分别设置多点温度测点，温度测点之一≤15℃时位于保温气源供气管道上的电加热器自动投入，全部温度测点均≥30℃时电加热器自动停止，保证保温腔体内的全部空间均得到有效保温。位于保温气源供气管道上的循环风机在电加热器停止后不立即停止，如此可将电加热器停止后其出口和供气管道中的剩余热量，通过循环风机继续充入保温腔体内，持续向保温腔体内供应热源，当电加热器出口温度≤30℃时再自动停止。

其中，入口和出口处保温腔体内的温度测点之一≥45℃时，位于保温气源供气管道上的水冷却器自动投入，全部温度测点≤30℃时水冷却器自动停止。

所述润滑及顶升油源包括：润滑油源、压缩机顶升油源、高压电机顶升油源，深低温轴流压缩机和高压电机采用同一润滑油源供油，采用不同油路的顶升油源供油，全部油源存储于同一油箱。

如图4所示，深低温轴流压缩机润滑及顶升油源控制的实施方式如下：

油源温度采用油箱加热器和自力式温度控制阀进行组合控制，油箱加热器配置独立的加热循环回路，加热器启动温度为油源温度≤25℃，停止温度为油源温度≥45℃，加热器启动时加热循环回路同步开启，将油液进行循环加热，防止局部受热影响油液品质，且深低温轴流压缩机运行期间加热器持续运行，用以抵消深冷机壳对油源管道的冷源输入量；自力式温度控制阀分别连接油源冷却器出口和油箱出口，将经过冷却器冷却以后的冷油与油箱出口的热油进行掺混，进而冷却油源。

油源的压力控制方法如下：

启动时，先将油箱内部压力抽负压至微负压-0.8KPa，再依次控制压缩机顶升油源、高压电机顶升油源、润滑油源至正常压力；停止时，深低温轴流压缩机停机且转速降至0后，按照润滑油源、高压电机顶升油源、压缩机顶升油源的顺序依次停止润滑及顶升油源，待运行保障气源停止，最后再将油箱内部压力恢复至常压状态。

深低温轴流压缩机的转速采用高压变频器和电机机械盘车装置的组合控制方法，区分以下工况：长时间停置后的首次启动采用电机机械盘车装置，先对轴系进行低转速预热，同时可检验电机机械盘车装置的可靠性，控制转速10r/min；日常启动则采用高压变频器，控制转速40r/min。

额外地，电机机械盘车装置还保留深低温轴流压缩机正常停机后长期稳态盘车功能，控制转速2r/min-10r/min，长期低转速运行可使轴系处于相对稳定的状态，防止发生挠性弯曲影响正式运行；稳态盘车期间运行保障气源、润滑及顶升油源、冷却水源等持续稳定供应。

其中，高压变频器启动前，首先启动电机机械盘车装置进行功能性检验，确保高压变频器不具备启动条件时能及时顺利投运，尽快恢复深低温轴流压缩机至运行状态，控制转速10r/min，运行时间5min；然后电机机械盘车装置不停机，深低温轴流压缩机保持运行状态时高压变频器直接启动，加速至转速超过10r/min时，盘车装置自动脱开，自行降速并停机。

深低温轴流压缩机转速本地控制和深低温轴流压缩机试验台位远程控制之间存在控制权限交接与应答，并基于状态标志位进行识别：状态标志位为“1”时转速控制权限位于本地，状态标志位为“0”时转速控制权限位于远程。交接与应答流程为：当前转速控制权限所在方先移交控制权限，接收方才能接收控制权限。

其中，状态标志位依据握手应答结果触发，只有本地或远程手动确认后才发生变化，具体控制方法如下：

深低温轴流压缩机本地手动移交转速控制权限，状态标志位为“1”；

深低温轴流压缩机试验台位远程手动接收转速控制权限，状态标志位为“0”；

深低温轴流压缩机试验台位远程手动移交转速控制权限，状态标志位为“0”；

深低温轴流压缩机本地手动接收转速控制权限，状态标志位为“1”。

特别地，深低温轴流压缩机运行期间，若本地或远程触发安全联锁，深低温轴流压缩机按照安全联锁方法降速或停机，状态标志位同步自动强制置为“1”，转速控制权限自动回到深低温轴流压缩机本地，便于本地操作人员在转速可控的前提下实施设备检查。

其中，状态标志位为“0”时，深低温轴流压缩机本地仍可控制所有运行控制对象，便于本地操作人员随时介入干预，保证设备处于可控的安全状态；本地同步实施运行状态监控，监控对象包括：轴系运行数据、叶顶间隙数据、机壳应力数据、噪声数据、扭矩数据、运行工况状态、低压配电状态，以及运行控制对象的数据和状态。

上述监控对象均设置了报警和安全联锁方法，报警或安全联锁触发后，本地操作人员需在深低温轴流压缩机本地进行手动确认；特别地，当深低温轴流压缩机处于深低温环境运行时，若安全联锁触发停机，需尽快再次启动并保持运行状态，启动方法存在优先级：高压变频器启动优先，电机机械盘车装置启动次之。

所述深低温轴流压缩机试验台位远程控制结束且转速控制权限交接完毕后，深低温轴流压缩机本地继续控制压缩机运行并进行阶梯降速，具体阶梯依据试验台位当前温度以及降温斜率而定，产生的热量抵消试验台位内流道的冷量，直至内流道以及内部钢结构件的温度均温度恢复至常温状态；然后本地控制降速至40r/min盘车，直至深低温轴流压缩机轴系温度≤45℃后停机。

以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。