爱华网离心式压缩机目前广泛应用于石油化工等行业，其安全可靠运行对工业生产有着非常重要的意义。在各种各样的机组控制中，防喘振控制是最重要也是最复杂的控制之一，其控制的优劣直接影响机组的安全运行和低负荷下的能耗。在金陵分公司轻烃回收项目中，采用压缩机防喘振控制和机组安全保护控制相结合的方案，有效提高了机组运行效率和安全保护要求，通过对该机组防喘振控制策略和方案的分析探讨将有助于更进一步了解压缩机运行状况以及为今后系统程序移植提供指导意义。 一、压缩机喘振危害及防范 在压缩机运行过程中，如果其吸入流量减少到一定值，一旦压缩比下降，排气管线中气体压力高于压缩机出口压力，被压缩过的气体很快倒流回压缩机，待管线压力下降后，气体流动方向又反过来。此时，其入口流量和出口压力周期性低频率大幅度波动，如此周而复始，引起压缩机强烈的气流波动，这种现象就叫压缩机的喘振。压缩机发生喘振时，随着气体流量周期性的大幅波动，机身也会剧烈振动，并带动出口管道、厂房框架震动，压缩机会发出周期性响声。如不及时采取措施加以控制，会导致压缩机的级间密封及轴封的破坏，加剧轴承的磨损，严重时会引起动静部件的摩擦与碰撞，损坏压缩机，甚至引起严重的事故。因此喘振是影响压缩机组稳定运行的主要因素。 由喘振现象发生的机理可知，只要保证压缩机吸入流量大于临界值，机组就会在稳定区域运行而不会发生喘振，当运行工作点接近喘振区域时，需要及时打开防喘振阀，将部分气体打回流，从而保证压缩机稳定运行。传统的喘振控制方法主要有两种：一种是固定极限流量法，另一种是可变极限流量法。二者原理都是让压缩机通过的流量总是大于某一极限流量Q，当流量减小到该值时，打开压缩机防喘振阀门来维持足够的流量。不同的是前者一般选取最大转速下的喘振极限流量值，而后者是根据喘振点的变化轨迹（喘振线），在一定的安全裕度下得到与喘振线平行的一条控制极限线（防喘振线），以控制防喘振阀的启闭。固定极限流量法方案简单，投资少，但流量裕量过大，往往过早启动防喘振系统，增加了能耗。因此对于压缩机进气状态变化较小的情况通常采用可变极限流量法。 二、喘振线确定 中石化金陵分公司运行一部新建成一套轻烃回收装置，其富气压缩机C401采用的是沈阳鼓风机厂制造的2MCL527型两段离心式压缩机，通过杭州汽轮机厂制造的NG32/25型背压式汽轮机驱动，设计采用两段七级压缩，防喘振回流线分别由一段和二段出口返回至一段入口处，一、二两段防喘振控制相互独立，这里重点对一段防喘振策略进行分析探讨。由于装置原料性质波动较大，所以将压缩机的性能曲线转换成不受进气状态影响的通用性能曲线，其形状与原始曲线相似，并确定一条与喘振线平行的控制线来控制防喘振阀的开启，避免压缩机流量低于极限值而进入喘振状态。 预期性能曲线。预期性能曲线是由压缩机厂家提供的一组不同转速下压缩机出口压力与入口流量的关系曲线。压缩机C401有最小、正常、额定三种工况，每种工况下的性能曲线都是在不同的分子量、入口温度、入口压力及转速条件下得到的，一般表示为出口压力与实际入口流量、转速的关系。即： 式中，Pd为出口压力，Qv为压缩机入口体积流量，n为压缩机转速。 如图1所示为富气压缩机C401在正常工况下的性能曲线，随着入口流量的减小，压缩机出口压力不断增加，到达最高点时即得到相应的喘振点，将喘振点平滑地连接起来就得到当前工况下的喘振线。 通用性能曲线。尽管压缩机厂家提供的预期性能曲线能体现喘振特性，但它们只能分别表示一种入口条件。一旦入口温度、压力、分子量发生变化，原来的特性曲线包括喘振线也将随之发生变化，往往导致压缩机的正常工况点的偏移，甚至跑到喘振区。 为了消除入口条件的影响，利用相似原理，将特性曲线中横坐标体积流量Qv改为，转速n改为，纵坐标取出入口压比Pd/Ps，并将式(1)改写为： (2)这样绘出的曲线称为通用性能曲线，在应用时不受进口条件变化的影响[1]。
根据孔板计算公式，可以得到入口流量与孔板差压、气体密度的关系式： (3)再根据理想气体状态方程PV=mRTZ得到气体密度ρs与入口温度Ts、入口压力Ps 的关系式： (4) 另外，我们知道质量流量Qm与体积流量Qv的关系： (5) 根据式(3)、(4)、(5)得到通用性能曲线的横坐标如下： (6) 式中，Qv为压缩机实际入口流量，Qm为入口质量流量，R=8314.29/M，为气体常数， M为工况下气体分子量，Ps为入口压力，Z为压缩系数，K为由孔板尺寸决定的常数， h为孔板差压，Ts为压缩机入口温度，ρs为入口气体工况下的密度。 在实际的防喘振计算过程中，为了简化和更加的直观，横纵坐标分别采用Hx和Pd/Ps绘制压缩机喘振线，其中Hx表示式(6)中h/Ps与(h/Ps)max比值的百分量，而(h/Ps)max表示孔板最大刻度流量时所对应的值，对应于孔板的设计参数，由式(6)得： (7) (8) 其中，Qmmax为孔板最大质量流量，Pc表示孔板设计压力，Tc表示孔板的设计温度，Rc=8314.29/Mc，Mc为设计分子量，Zc为设计压缩系数。 根据式(7)、(8)计算出Hx为： (9) 由于从预期性能曲线得到的是入口当前工况下的体积流量Qv，并且压缩机入口孔板设计规格书给出的刻度流量为标况下的体积流量Qvmaxn，为了方便计算喘振点坐标，可以将式(9)再次变化为： (10) (11) 式中， Qvmaxn为孔板标况下最大体积流量，ρ为标况下密度，P=101.325为绝压常数，T=273.15为标准温度常数，σ可认为是入口流量补偿系数。 已知压缩机一段入口孔板设计参数为Qvmaxn=15000Nm3/h，设计压缩系数Zc=0.98，Tc=313K，Pc=0.178MPa(A),Mc=41.785。根据沈鼓提供的三种工况下的预期性能曲线(如图1)中的喘振点坐标(Pd，Qv)以及每种工况下的入口压力、温度、分子量，可根据式(10)、(11)求得通用性能曲线中喘振点的坐标(Pd/Ps,Hx)，见表1～表3。 表1 最小工况 喘振点转速 r/minQv m3/hPd/PsHx 1972444613.6920.82 21026547624.323.72 31080551254.9627.47 41134558555.7435.86 注：最小工况对应的入口条件为：M=43.611，Ps=0.178MPa(A)，Ts=313K，Z=1 表2 正常工况 喘振点转速 r/minQv m3/hPd/PsHx 1993245623.6520.84 21048348804.2623.84 31103552754.9227.86 41158759005.6834.85 注：正常工况对应的入口条件为：M=41.785，Ps=0.1779MPa(A)，Ts=313K，Z=1 表3 额定工况 喘振点转速 r/minQv m3/hPd/PsHx 11009446093.8421.27 21065550094.4625.12 31121653495.1528.64 41177762555.9839.17 注：额定工况对应的入口条件为：M=41.785，Ps=0.1779MPa(A)，Ts=313K，Z=1 喘振线、防喘振线及下移线。根据表1～3的数据，可以绘制出压缩机一段缸在三种工况下的喘振线，如图2所示，分别取三条折线中最靠右边的一组相关点并按顺序连接起来，即得到通用性能曲线下压缩机的喘振线。喘振线右边为工作区，左边为喘振区，防喘振的目的就是防止压缩机进入喘振区，因此将喘振线向右平移一小段距离作为压缩机的防喘振线，这一小段距离就是喘振的基本裕度b，本设计为10个单位。为了更进一步保护压缩机运行在工作区，这里设计了一条初始状态与防喘振线完全重合的防喘振下移线，当喘振检测程序检测到一次喘振时，该折线会向右平移一小段距离c，本设计为2个单位。防喘振下移线与喘振线之间距离即基本裕度与额外裕度之和，称为总裕度b＇，该总裕度有一个上限值（本设计为20），达到上限以后，防喘振下移线便不再平移，通过HMI画面上设置的喘振复位按钮可以将防喘振下移线恢复到初始位置。总裕度与基本裕度、额外裕度之间的关系为： b＇=b+N×c（N≤5，为检测到的喘振次数） 对于类似循环氢压缩机这样的机组，工况稳定，曲线平坦，工作范围宽，实际上还可以将喘振线简化为一条直线，这样组态起来更加容易，控制精度也能达到满意的效果。 图2 三种工况下的喘振线 三、防喘振控制方案的实现 本项目SIS采用Trusted公司ICS三重化冗余容错控制系统，其防喘振控制基于三重模块冗余容错结构的控制器，设计的防喘振控制过程是由数个模块组合而成的，每一模块通过计算程序模块实现自己的功能，如操作点计算、折现计算及喘振检测等，功能模块关系结构如图3所示。 图3 防喘振控制功能图 操作点计算。通用性能曲线中横坐标与入口流量大小相关，为了通过防喘振PID回路控制防喘振阀保证压缩机的入口流量，控制程序必须计算出当前状态下位于同一水平线上的三个点：即工作点、喘振点以及防喘振点。首先根据当前工作状态下的入口流量Qm、入口压力Ps、出口压力Pd、入口温度Ts以及一些设计参数通过式(10)计算出当前工作点的坐标（x1,y1）。喘振线是由上述图2中靠最右边的一组相关点顺序连接起来的多段折线，根据这组点的坐标可以作出其分段函数y=f(x)，将工作点的纵坐标y1代入，即可计算出当前状态下的喘振点坐标（x2,y1），再加上总裕度b＇，可得到当前防喘振点坐标（x3,y1），x3=x2+b＇，如图4所示。在该项目SIS系统中，上述计算过程主要由操作点计算模块opcalc和折线计算模块table5实现。 图4 工作点、喘振点及防喘振点 喘振检测。压缩机喘振检测功能通过图3中的margin模块实现，它根据两个条件来判断喘振是否发生，其一是当前操作点是否在防喘振下移线的左边，即上述x1 防喘振控制器。防喘振PID控制器具有常规PID调节功能，将当前操作点横坐标x1作PV，将与其对应的防喘振下移线上的防喘振点横坐标x3作为控制器的给定SP，计算二者偏差值DV=SP-PV作为控制器的输入，进行比例积分运算调节。工作点在安全区域内工作时，调节器的比例度和积分时间可由操作人员手动输入进行整定，当工作点移动到防喘振下移线左边时，程序强制控制器的比例度为一个较小的设定值，以提高输出的反应灵敏度，增强控制作用。 防喘振阀动作控制。防喘振阀的控制有手动、自动、半自动三种方式，在自动控制模式下，防喘振阀的开度完全由防喘振控制器的输出决定，操作人员无法开启或关闭防喘振阀，同时手动输入阀门开度值将自动跟踪控制器的输出，以便无扰动切换到手动模式；当切换至手动模式时，防喘振阀开度完全由操作人员手动给出，不管工作点处于压缩机性能图上的何种位置，自动控制程序都无法打开喘振阀，此模式一般仅用于工程设计测试或现场仪表故障维修；第三种半自动模式是通过一个maxr模块比较控制器自动输出值与操作人员手动给定值的大小，将较大的一个作为整个调节器程序的输出控制防喘振阀。 在防喘振控制器输出送到防喘振阀之前 ，设计了一个RampRate模块，限制防喘振阀的开关速率，实现阀门快开慢关的功能要求。 通过一段时期的调试和运行，目前轻烃回收装置富气压缩机运行情况良好。考虑到轻烃吸收装置原料的复杂性与波动性较大等特点，该防喘振控制系统有效地补偿了压缩机进口条件的变化，提高了控制的安全性、精确性，降低了能耗。 参 考 文 献 [1]李江平.相似原理在压缩机防喘振控制中的应用.大氮肥.1997 [2]张成宝.离心式压缩机的喘振分析与控制[J].压缩机技术.2003.06 [3]孙绪刚.循环氢压缩机防喘振设计分析.技术纵横.2006.02 [4]黄钟岳,王晓放.透平式压缩机[M].北京:化学工业出版社.2004
