本文对沸腾床新氢压缩机采用的递推控制方案进行介绍，详细阐述了控制回路的构成，包括压力变送器、控制器（含正反作用判断）、各级返回线控制阀，并通过分析判断验证了该控制策略的有效性。

本文刊登于PROCESS《流程工业》2026年第7期，原文标题《沸腾床渣油加氢装置新氢压缩机压力递推控制系统介绍与分析》。本文作者曾志鑫，本文作者供职于福建福海创石油化工有限公司。

本文被引格式  [1]曾志鑫.沸腾床渣油加氢装置新氢压缩机压力递推控制系统介绍与分析[J].流程工业,2026,(7):124-128.欢迎引用。

1 引言

1.1 研究现状

近年来新氢压缩机的压力控制主要有以下几种方案。

1.1.1 单级控制

该方案以反应器入口压力为被控变量，通过PID控制器调节压缩机转速或回流阀开度，结构简单，适用于扰动小、耦合性不强的场合。

1.1.2 串级控制

串级控制主回路以反应系统压力为被控变量，副回路选择压缩机出口压力，主控制器输出作为副控制器设定值，能有效抑制入口压力波动等扰动，加快响应速度。然而，多级压缩机各级工况相互关联：后一级吸气量减少会导致前一级背压升高甚至过载；前一级排气量变化直接影响后一级进气工况。传统单级独立控制难以解决级间耦合问题。

1.2 压力递推控制

压力递推控制通过建立级间压力设定值的逻辑关系，将整个机组视为一个整体进行协调控制，是解决该问题的有效方法。本次新氢压缩机共3台（K-201A/B/C，2开1备）为往复式结构，是通过活塞在气缸内的往复运动来压缩气体。在多级压缩过程中，氢气经一级压缩后，通过中间冷却器及分液罐，进入二级继续压缩。三级压缩常用于获得最终的压力。递推控制能够完美解决压缩机各级间的压力控制的级间耦合、响应滞后与负荷均衡等问题。相较于传统的PID的“等待偏差，然后校正”的被动反馈。压力递推控制的核心思想是“预见扰动，逐级协同，主动维稳”。

2 系统描述以及控制回路的组成部分

2.1 系统流程

新氢压缩机（K-201A/B/C）采用三级压缩工艺流程，流程及物料走向如下。

2.1.1 一级压缩段：原料氢气首先进入一级气缸进行压缩，升压后进入一级冷却器/分离器（D-201），进行降温并分离凝液。

2.1.2 二级压缩段：一级出口气体进入二级气缸进一步压缩，随后进入二级冷却器/分离器（D-202A/B/C）（各机独立）。

2.1.3 三级压缩段：二级出口气体进入三级气缸完成最终压缩，之后进入三级冷却器/分离器（D-203A/B/C）（各机独立）。

2.1.4 输出：三级出口气体汇入出口管网，最终输送至反应系统。

流程关键点：每一级压缩后均设置冷却与分离环节，形成“压缩-冷却-分离”的串联单元。系统的压力动态具有显著的级间耦合与时滞特性。

2.2 控制目标

本系统的控制目标遵循安全优先、稳定为主、优化为辅的层级原则。

2.2.1 首要目标（工艺稳定）

压力稳定：确保反应系统获得持续、稳定的氢气供应，并维持反应器入口压力（通过管网压力间接体现）在设定值，为加氢反应创造稳定的热力学环境。流量保障：提供的氢气总量必须满足反应化学氢耗的动态需求。

2.2.2 次级目标（运行优化）

负荷均衡：通过调节，维持压缩机各级的压缩比大致均衡，避免单级过载或负荷不足，从而优化3台压缩机（A/B/C）之间以及各级气缸之间的负荷分配，使机组整体处于高效运行工况，降低能耗。

2.2.3 安全目标（设备保护）

防入口低压/负压：防止任何一级入口压力过低，避免抽空、带液或形成负压损坏设备。

防出口超压：防止任何一级出口压力超过设计上限，避免机械过载与密封失效。

防喘振：通过回流控制阀（PV-20201/20202/20203），确保各级流量始终高于喘振流量，保护压缩机本体。

2.3 控制阀配置

压力控制主要通过调节各级回流控制阀的开度来实现，通过改变回流气量来调节本级入口压力及通过本级的气体流量。具体阀门配置，见表1。

表1阀门配置

2.4 控制器的架构

系统采用分层、分程、高选的复杂控制架构，核心压力控制器（PIC）及其功能，见表2。

表2核心压力控制器及其功能

2.5 高信号选择器

为确保安全目标优先于调节目标，系统对回流控制阀采用了高信号选择器（HSS）控制策略。

2.5.1 逻辑原理

每个高选器（PY-20201/20202/20203A/B/C）持续接收来自两个不同压力控制器的输出信号，并自动选择数值更高的信号作为其输出，送至对应的控制阀（PV）。这保证了在任何情况下，对压力安全构成最大威胁的信号都能获得对阀门的控制权。

2.5.2 具体配置关系

控制器-高选器-阀门的关联逻辑，见表3。

表3关联逻辑

2.6 系统控制逻辑总述

该系统构建了一个以入口压力为核心、级间安全联锁、高选保护优先的复杂压力控制网络。

2.6.1 常规调节时

各级PIC独立控制其入口压力，通过调节本级回流阀维持设定值。

2.6.2 出现安全风险时

高信号选择器机制起动。当某一级入口压力过低（有抽空风险）或上游压力过高时，对应的保护控制器输出将“抢占”下游回流阀的控制权，通过牺牲本级或上游的正常调节目标，实施强制性的保护性调节，确保设备安全。

3 压力控制系统方框图及回路图

3.1 典型方框图

下面系统方框图展示了压力控制器PIC和各级回流阀之间的量程函数关系，他们将在DCS系统中组态。如图1所示，图中明确了压力控制器PIC输出与阀门开度之间的非线性函数关系。

图1超驰控制典型方框图

PIC：输出一个统一的控制信号x（0%～100%），分程点为50%。

分程模块：f（x1）是一个递减函数，x1输入0%～50%，y1输出100%～0%（即随控制器输出增加，y1关闭），f（x2）是一个递增函数，x2输入50%～100%，y1输出0%～100%（即随控制器输出增加，y1开启）。

高选器（High Signal Selector）：一个关键的安全逻辑，用于在多路控制信号中选择最大值，确保在特定工况下优先响应最紧急的控制需求。

反相器（Inverter, for FO valve only）：仅用于故障开（FO）阀门，将信号反相（100%→0%，0%→100%）。

3.2 回路图

为达到以上压力控制的目的，前文所描述的内容可以总结在图2中（以K-201A为例）。

图2超驰控制回路图

回路解析：这是一个三级往复式压缩机（或类似）K-201A的保护与负荷分配系统。

核心目标：防超压保护。防止压缩机任何一级的出口压力过高，损坏设备或下游高压膜（D-118）。

防喘振/低流量保护：防止压缩机因入口流量过低而发生喘振，通过“Spill Back”（泄放回流）来维持最小流量。

负荷分配：在多台并联压缩机（K-201A，B，C）之间分配总负荷。

主控制器：PIC 20101。

测量点（PV）：D-201出口压力（即压缩机一级入口压力）。

目标：通过调节压缩机负荷，将一级入口压力稳定在设定值（SP）。

输出：控制信号送至Split Range（分程）模块。

分程控制（Split Range）对象。

PIC 2010 的输出信号被分程模块分配，按优先级控制以下3个阀门。

1）PV 20202（FC - 故障关）：排往火炬阀。

作用：当系统压力过高时，将多余气体排放至火炬系统，是最终的压力保护手段。

故障状态FC：仪表风失效时关闭，防止气体误排至火炬。

2）PV 20201（FO-故障开）：一级泄放回流阀。

作用：将一级出口的气体引回一级入口，增加一级入口流量，防止一级喘振。

故障状态FO：仪表风失效时全开，确保压缩机处于安全回流状态。

3）PV 20203（FO - 故障开）：二级泄放回流阀。

作用：将二级出口的气体引回二级入口，防止二级喘振。

故障状态FO：安全起见，失效全开。

4 新氢压缩机三级入口分液罐压力控制

4.1 作用原理图

位于新氢压缩机三级入口分液罐D-203A/B/C的PIC-20207A/B/C控制器通过分程控制作用于三级回流阀PV-20203A/B/C和二级回流阀PV-20201A/B/C（通过信号高选器），作用原理如图3所示。

图3三级入口分液罐压力控制作用原理

4.2 三级入口分液罐压力控制原理

控制过程如下：当新氢压缩机三级入口分液罐压力增加时，控制器PIC-20207 A/B/C关闭三级回流阀PV-20203A/B/C，然后打开二级回流阀PV-20201 A/B/C，进而增加往二级入口的新氢的气量，使三级入口压力降低。当新氢压缩机三级入口分液罐压力减小时，控制器PIC-20207 A/B/C关闭二级回流阀PV-20201 A/B/C，然后打开三级回流阀PV-20203 A/B/C，进而增加往三级入口的氢气量，使三级入口压力增加。

5 新氢压缩机二级入口分液罐压力控制

5.1 作用原理

位于新氢压缩机二级入口分液罐D-202 A/B/C的PIC-20206 A/B/C控制器通过分程控制作用于二级回流阀PV-20201A/B/C和一级回流阀PV-20202A/B/C(通过信号高选器)。控制作用原理，如图4所示。

图4二级入口分液罐压力控制作用原理

5.2 二级入口分液罐压力控制原理

控制过程如下：当新氢压缩机二级入口分液罐压力增加时，控制器PIC-20206A/B/C关闭二级回流阀PV-20201A/B/C,然后打开一级回流阀PV-20202A/B/C，进而增加往一级入口的氢气量，使二级入口压力降低。当新氢压缩机二级入口分液罐D-202A/B/C压力减小时，控制器PIC-20206 A/B/C关闭一级回流阀PV-20202A/B/C，然后打开二级回流阀PV-20201A/B/C，进而增加往二级入口的氢气量，使二级入口压力增加。

6 新氢压缩机一级入口分液罐压力控制

6.1 作用原理

新氢压缩一级入口分液罐D-201由两个独立的控制器完成压力控制：第一控制器PIC-20103（较低设定值PV）作用在一级回流阀PV-20202 A/B/C上（通过高信号选择器）。第二控制器PIC-20101（较高设定值PV）作用在新氢压缩机入口的火炬管网排放阀PV-20101上，如图5所示。

图5一级入口分液罐压力控制作用原理

6.2 一级入口分液罐压力控制原理

控制过程如下：当新氢压缩机一级分液罐压力增加，第一控制器PIC-20103关闭一级回流阀PV-20202 A/B/C，进而减小进入一级入口的氢气量，使一级入口压力降低。当新氢压缩机一级入口分液罐压力持续增加（高于氢气管网的最大压力），第二控制器PIC-20101开始打开新氢压缩机管网排放阀PV-20101。当新氢压缩机一级入口分液罐压力减小时，第二控制器PIC-20101关闭（如果是打开的状态）新氢排放阀PV-20101.如果压力持续减小，第一控制器PIC-20103打开一级回流阀PV-20202A/B/C，进而增加往一级入口的氢气量，使一级入口压力增加。

通过以上一级、二级、三级返回线之间的压力递推控制，新氢压缩机实现了各级工况的精准匹配与动态平衡，确保整个压缩过程的平稳过渡。

7 运行效果验证

7.1 事件1：下游高压膜（D-118）入口压力突升

应用前：仅PT-13902高压报警。

操作员手动干预，打开火炬阀或降负荷，响应延迟2～3min。可能导致高压联锁停车。

应用后：高选器（HS）瞬间选中PT13902T高信号。

PIC20101输出自动增大，分程控制按序动作：先关小Spill Back阀。若无效，则自动打开Purge to Flare阀。全过程在30s内自动完成，压力迅速受控，避免联锁停车。

7.2 事件2：入口负荷突降（喘振风险）

应用前：一级入口压力（PT20101）降低。若操作员未及时打开Spill Back阀，可能触发喘振报警甚至停机。

应用后：PIC20101输出随PV降低而减小。分程控制自动将输出信号分配至Spill Back阀（PV20201,20203），使其按预设曲线打开，维持最小流量，喘振风险自动规避。

8 结论

本文所设计的压力递推控制系统将三级压缩机组作为一个整体进行协调控制，有效解决了传统控制中“各自为战”的弊端。该系统能够快速响应末端扰动，并将影响平稳传递至前级，实现负荷的自动再分配，确保了压缩过程在变工况下的平稳过渡。通过正确的控制器作用方向判断与调节阀故障安全位置选择，本系统在保障设备安全的同时，有效提升了整体运行效率。

本方案的核心“高选器全局保护”+“分程器经济性执行”是一个通用性很强的压缩机控制范式。现场可根据具体压缩机的级数、工艺流程和安全等级，通过增减测点、调整分程区间、优化阀门动作顺序来进行精准适配，从而构建一个既安全又高效的多级压缩机控制系统，尤其适配沸腾床、固定床加氢装置中存在级间压力耦合的场景。

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