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往复式压缩机控制方案探讨及改进

文档作者：曾超江峡文档来源：四川天一科技股份有限公司		点击数： 6 1	更新时间： 2025年04月06日
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Chenmical Intermediate
108 当代化工研究 科研开发 2016·07
往复式压缩机控制方案探讨及改进
Ｏ 曾超 江峡
（四川天一科技股份有限公司 四川 610225）
摘要：针对往复式压缩机控制节能降耗问题，提出了优化的控制方案。着重介绍了往复式压缩机蝉蛹控制方案的原理、安全设计要求以
及控制方案的优、缺点；同时在投资不变的情况下，提出了更为简单，实用的替代方案，并通过实际应用得到了验证。
关键词：往复式压缩机；选择性控制；节能改造
中图分类号：T 文献标识码：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
在化工装置中，用于输送流体并提高其压头的机械设备
通称为流体输送设备，用于输送液体并提高其压头的机械称
之为泵，而用于输送气体并提高其压头的机械称之为风机和
压缩机。
压缩机又分为离心式和往复式两大类，相对于泵、风
机来说，在控制方案上要复杂的多，特别是近年来石油化工
向大型化的发展，对压缩机提出了更高的要求，除了流体的
压力，流量控制以外，还需考虑到压缩机本身的保护性控制，
因为这种大型设备一旦出现故障，所造成的损失将是巨大的。
往复式压缩机属于容积式压缩机,其工作原理基本与往
复泵类似，主要依靠活塞的往复运动将气体吸入和压出，达
到提高压力的目的。通常适用于流量小，压缩比大、压力高
的场合。
一、往复式压缩机常用控制方案
PIC PIC
PIC
101A
PV-101A
低压工艺气
高压工艺气
入口缓冲罐出口缓冲罐
压缩机
回流冷却器
PV-102 101
F.C
F.0
TI
PY
102
101B
图1.1 压缩机进、出口压力选择性控制流程图
1.压缩机主要由两套回路进行控制和保护：
(1)压缩机入口压力控制回路（PIC-101A），此回路为
单回路，采用经典PID控制器进行控制，主要作用是稳定压
缩机入口缓冲罐压力；
(2)压缩机入口压力(PIC-101B)/出口压力(PIC-102)组成
选择性控制回路,采用2个防积分饱和PID模块进行控制，主
要作用是稳定压缩机出口压力并保护压缩机入口压力不至于
过低。
选择性控制系统是对生产进行软保护的一种方案设计。
几乎所有的控制系统都可以分为三大类：物料（能量）平衡
控制、质量控制和极限控制。选择性控制属于极限控制的一
种，其特点是：在正常工况下，该参数不会超限，所以也不
考虑对它进行直接控制；而在非正常工况下，该参数会达到
极限值，这时又要求采取强有力的控制手段，避免超限。
生产保护性措施一般分为硬保护和软保护。硬保护指
参数达到第一极限时报警并设法排除故障，若未及时排除故
障，情况继续恶化，过程值会达到更严重的第二极限触发联
锁装置动作，自动停车达到保护生产的目的。软保护指参数
达到第一极限时报警并设法排除故障，以此同时改变操作方
式，按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，以防
该参数进一步超限触发联锁停车。这种操作方式会使原有的
控制质量降低，会暂时影响生产，但能使生产流程继续运
转，避免停车造成更大的损失。
当生产操作趋于极限条件时，用于控制不安全情况的控
制系统将取代正常情况下工作的控制方案，直到生产操作重
新回到安全范围时，正常情况下的控制方案又恢复对生产过
程的正常控制，由此形成了选择性控制系统的需求。要构成
选择性控制，生产操作必须有一定的选择性逻辑关系，而选
择性控制的实现则需要具有选择功能的自动选择器（高选模
块和低选模块）来完成。
以图1.1压缩机控制系统为例，PIC-101B与PIC-102
两个调节器分别控制压缩机入口保护压力值（设定值仅作
为保护压缩机入口不至于被抽为负压即可，下文称为：安
全限值）和压缩机出口设定压力值（工艺设计值）。调节
器PIC-101B为正作用，调节器PIC-102为反作用，调节阀
PV-102为气关阀（调节器输出为0%对应阀位100%，输出
为100%对应阀位0%）。
在正常情况下，因为PIC-101B调节器设定值远远低于
测量值，故调节器输出保持为100%。PIC-102调节器测量
值基本在设定值范围附近波动，输出在0～100%之间，低
选模块则选择PIC-102调节器来控制调节阀PV-102阀门，
达到稳定压缩机出口压力的目的。
万方数据
科研开发 Chenmical Intermediate 109
2016·07 当代化工研究
在事故状态下，即压缩机入口工艺气突然因事故大幅减
少甚至为零，此时如果不及时处理，压缩机入口压力将降低
到负压，造成设备和压缩机的损坏。在此情况下，PIC-102
调节阀的设定值将远远大于测量值，此时调节器输出将趋近
于100%（取决于偏差大小和PID参数整定数值）。而PIC-
101B调节器测量值将接近或者小于设定值（安全限值），
调节器输出将减小直至为0%（取决于偏差大小和PID参数
整定数值）。低选模块则选择PIC-101B调节器来控制调节
阀PV-102阀门，保证压缩机有足够的回流量使得压缩机入
口不至于为负。
2.此方案能够很好的解决压缩机出口压力控制和安
全性回流的的矛盾，成为了很多工艺流程的模板方案。
但是也有不可避免的缺点：
(1)对控制系统的组态要求高。选择性控制系统当进入
或超出安全限值时，控制器应立即进行切换。也就是说，当
偏差为零时，两个控制器应该同步，既应该马上有相同的输
出，这样才能保证及时的切换。尤其是两个控制器均采用PI
控制时，在一个控制器被另一个控制器切换后（即未被选择
控制器一直处于开路状态），控制器的偏差一直存在，这将
使控制器出现积分饱和现象。所谓积分饱和现象，就是因
为偏差的长时间存在，PID控制器由于存在积分作用，控制器
的输出将不断增加或者不断减少，一直达到运算器的极限（存
在时间越长、数值越庞大）。当偏差归零后，控制器的输出
因为之前积分模块的累加值过于庞大，会需要很长时间才能
抵消掉这部分累计值，将输出拉回到0～100%之间，造成
切换的不及时，引起控制的失效。所以选择性控制方案要求
必须采用有防止积分饱和功能的PID模块。但是部分PLC或
者DCS系统所提供的PID模块只有经典PID模块，没有防积
分饱和功能，需要组态人员进行二次开发。常用的防积分饱
和方法有：限幅法、积分切除法和外反馈法。这都要求组态
人员有丰富的现场经验和软件能力，能够很好的完成开发和
调试工作。
(2)由于压缩机在设计选型阶段是按满负荷（部分装置
甚至要求110%以上负荷）的情况设计的气缸体积，在装置
没有达到满负荷情况下，势必会有多余的气体以回流方式循
环压缩（工艺往往要求按照50%回流量进行调节阀选型），
这部分气体即白白浪费了能量，还需要提供循环水对其进
行冷却。简单估算：一台100KW的压缩机，如果长期运行在
80%负荷（即有20%的回流量），一年（按8000小时运行）浪
费的电费约为15万（工业用电单价按0.9元/千瓦时计算）。
二、压缩机改进控制方案
为了更好的响应国家节能减排的号召，同时降低企业
的运营成本，以面对日益激烈的竞争。结合压缩机本身的工
作原理、过程控制要求、安全保护需要以及现场实际操作情
况，将控制方案改进如下：
此方案设置的控制点与原方案相同，并且控制方法更为
简单，仅为两个单回路，不涉及复杂控制手段。针对压缩机
在压缩比（K）选定的情况下：Pout≈K*Pin的原理，利用
入口压力调节阀来控制出口压力，保证其稳定运行。同时利
用入口压力检测来控制回流阀，保证入口压力不至于抽负，
保证机组及设备的安全。在投运时应注意PIC-101回路的设
置，回路给定值应为压缩机的安全限值，同时比例增益应适
当增大，保证该回路的快速响应。
PIC PIC
101
低压工艺气
高压
工艺气
入口缓冲罐 压缩机 出口缓冲罐
回流冷却器
PV-101
PV-102
101
F.0
F.C
TI
102
图1.2 改进后压缩机进、出口压力控制流程图
1.此方案的优点在于
(1)该方案因为设置的控制点、控制阀与之前方案完全
相同，不会有额外硬件费用产生，仅仅需要对控制系统重新
组态即可，十分适合应用于改造装置，达到节能的目的；
(2)对系统组态人员没有高要求。该方案采用标准PID模
块，该模块为各厂家标配，不用专门针对防止积分饱和进行
二次开发，降低了对控制系统组态人员水平的要求，也避免
因二次开发调试不当引起的附加风险；
2.此方案的局限性
(1)针对大型往复式压缩机，大多涉及多级压缩，级间
压力可以利用气缸余隙阀进行调节，当余隙阀全开还无法调
节时，才会动用进出口主回流阀进行调节。若采用本方案类
推，会出现参与回路过多，造成相互影响，形成系统的耦
合。因此大型压缩机建议采用变频器进行压缩机负荷调节，
因为电机的消耗功率与转速的立方成正比，所以当电机转速
降低，压缩机出口流量减少时，相应消耗的功率便大幅下
降，从而达到显著节电效果；
(2)本方案依据往复式压缩机原理进行设计，针对离心
式压缩机控制方面，因为涉及到离心机的防喘振系统设计，
不推荐使用。
三、使用效果
在实际操作中，压缩机处在中低负荷情况下，两个控制
回路均投入自动模式，经过72小时的连续运行，回流阀均
保持关闭，压缩机出口压力稳定可控，除了根据工艺要求改
变压缩机出口压力设定值以外，没有人工干预情况出现，完
全满足使用要求。
四、结束语
随着市场竞争的日益加剧，越来越多的生产企业对装置
的运营成本要求越来越高，装置考核验收也从过往仅注重原
材料消耗转变为更加全面的能源考核。如何设计和选用更加
经济、有效的控制方案也势必成为各设计院，工艺包提供商
必须面对的问题。生产企业也应在项目建设阶段做好装置的
能源优化，找出一个平衡点，片面的仅着眼于项目建设期的
一次投资可能会适得其反。
参考文献
[1]陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册第三版.北
京:化学工业出版社,2000.
[2]蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程第二版.北京:中国石化出版社,
2004.
[3]白术波,佟俊鹏.化工单元操作.北京：石油工业出版社,2011.
[4]化工工艺设计手册第三版.北京:化学工业出版社,2003；
【作者简介】曾超（1982～），男，四川天一科技股份有限公司，研究方向：化工装置自控设计。

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