大型压缩机多回路带抽加气系统防喘振控制

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喘振是离心式压缩机固有特性，喘振的发生轻则会引起压缩机停机，中断工艺生产，使企业蒙受经济损 I失；重则引起压缩机机械变形，甚至引发重大事故造成人员伤亡，所以喘振现象在生产中必须严格杜绝。但是如果压缩机的工作点稍微发生变化，即触发喘振控制，防喘振阀打开，会产生大量的浪费，影响生产效益，所以防喘振控制是要求在保证机组平稳运行的基础上，尽可能减少浪费。

在压缩机流道中，由于工况改变，入口流量明显减小，而出现严重的旋转脱离，形成突变失速，如图1所示，这时压缩机出口压力下降，由于压缩机总是和管网联合工作，如果管网容量足够大，其反应并不明显，但是正常情况出口管网存在阻力，致使管网压力高于压缩机出口压力，气体倒流回压缩机，直到管网压力同压缩机出口压力相同，这时气体不再倒流，压缩机又开始给管网供气，经过压缩机的叶片作用对流体做功，压缩机恢复正常工作。但当管网中压力不断回升，压缩机又恢复到倒流的过程。如此周而复始，这种气流振荡的现 i象就称之为喘振。

产生压缩机喘振的机械内部原因为：当级中流量 i下降，冲角增大时，由于某种原因，如进口气流本身的不均匀性，或加工上的误差而造成各叶片间几何结构的G 矗用觚WVOAr.etyjX.COHI 2013 第7期图1 渐进失速和突变失速微小差异等因素，总会在某-个或几个叶片上最先发生气流脱离现象，形成-个或几个脱离区，即所谓的 脱离团”。当压缩机级在非设计工况下，当级中流量离开设计值，逐渐减小，叶片流道开始出现脱离区，由于工况变化导致叶片通道中产生严重的气流脱离，形成旋转脱离现象，并逐渐增大，压比也逐渐降低，这时级性能突然明显下降，会发生撕裂叶片的现象。

喘振现象产生的过程如图2所示，横坐标Q为压缩机入口流量，纵坐标p为压缩机出口管网压力：压缩机正常运转在工作点1，当入口流量减小逐渐向左移动，出口压力会随之上升，由1点移动到2点，当压缩机出口压力达到2点后，会产生旋转脱离，形成突变型失速，压缩机出口压力迅速下降如图1所示，这时，管网阻力大于压缩机出口压力，气流倒流回压缩机 (图2从2点到3点跳变)，管网中压力下降至与压缩机出口压力相同时停止倒流 (图2中从3点向4点移动)。这时压缩机又开始向管网输送气体，出口压力逐渐升高，当管网压力再次升高至p 时 (图2中2点)，重复前面的运动，如此周而复始地进行，产生气流周期性脉动，这就是喘振发生的过程。

耱通～.洲 工强 石-m 图2 喘振点的压力流量二 产生压缩机喘振的原因发生机组喘振的原因有很多种：1)压缩机转速下降，调速系统出现故障，出口压力下降，管网中高压气体倒流回压缩机引起喘振。

2)压缩机出口异常引起的喘振。在压缩机出口管路上的阀门或管路出现堵塞，影响压缩机排气通道畅通，致使压缩机后续系统压力增高，会导致压缩机组喘振。

3)压缩机入口异常引起的喘振。压缩机入口不畅，致使入口流量减小造成压缩机喘振，如压缩机入口过滤器滤网堵塞，如压缩机入口异物脱落，吸入压缩机进气管，形成节流，致使入口管线堵塞。

4)压缩机组内部或级间异常引起喘振，当压缩机内部或级间出现异样，如隔板断裂，气封磨损脱落，部分碎块堵塞叶轮流道，也可造成喘振。当流道受堵，流道阻力增大，单位容积气体获得的有效能量降低，排气压力降低，当低于压缩机出口管网系统压力时，系统气体倒流从而导致喘振。当段间冷却器或段间分离器阻塞，都会造成压缩机流道阻力增加，导致发生喘振。

5)温度高引起压缩机喘振。压缩机进气温度升高会导致压缩机的喘振流量增大从而引起喘振。

6)气体组分发生变化引起喘振。当压缩机进气相对分子质量减小时，会导致压缩机压比减小，出口压力减小，管网压力大于出口压力产生倒灌，从而引起喘振。

1.离心压缩机防喘振控制方案以乙烯压缩机为例，由于其工艺的特殊性，使得其防喘振控制具备了普通压缩机的代表性和特殊性。乙烯压缩机分为两个缸，每个缸有两段，共有四段。如图3所示，压缩机组还存在抽气、加气，分别在压缩机二段入口、三段入口有加气，而在压缩机三段出口存在-股抽气。

本套压缩机共设置了三路防喘振，分别由压缩机四石油/化I通用机械l I《 M in Pet-oh，urn＆Chemical Industrv I图3 乙烯压缩机流程段出口返回至-段入口，压缩机四段出口返回至压缩机二段加气段，四段出口返回至压缩机三段加气段。另外，在三段出口，还设置了调节阀，为了防止阻塞流量，此阀名称为石墙阀。

压缩机四返-防喘振控制，节流元件在压缩机入口，引入系统的五参数，分别为压缩机-段入I：1的流量、-段入口压力、-段入口温度、-段出171压力和-段出口温度。这样压缩机四返-防喘振控制，实际是防止压缩机1段发生喘振，把出口流量引回入口。

压缩机四返二的防喘振控$1Jn图4所示，由于二段节流元件测量为二段加气段流量，认为压缩机各段没有泄漏，或者泄漏量很微猩以忽略，这样，压缩机的出171流量和人口流量是相等的，所以压缩机二段的入口流量可以看做二段加气段流量与-段入口流量相加的和，这样将两段的流量叠加后作为防喘振计算的参数，才能使用。防喘振四返二的应用，实际是为了防止压缩机二段发生喘振设置。由于所有的流量测量元件需要-定长度的直管段，可得到-个可靠、精确的流量数值，如果设置过多的流量测量元件，势必需要很长的直管，考虑到空间和价格的问题，只在压缩机入口位置设置了流量测量元件，通过流量的叠加换算，来计算防喘振。

图4 压缩机四返三防喘振控制如图4所示压缩机四返三的防喘振控制，这个阀门的控制实际是由两部分防喘振控制组成，第-部分是由三段入171流量、压力、温度，三段出口压力、温度，由于三段入口流量是三段加气段的流量，而实际的三段入口流量需要通过-段入口流量与二段入口加气段流量和三段加气段流量之和。为了防止压缩机三段喘振，将四段出I：1流量引回至三段加气段入171。而压缩机四段的防喘振控制，由于三段出口有抽气，四段入口流量就不能2013 ty用jx co誓rn l：l h，I 第7期 wmv. . 伽 石油/化I通用机械l 6'M f，I Petroleum＆Chemical lndusm用三段入口流量，而使用四段出口流量。两条防喘振控制同时控制四返三防喘振阀门，两条喘振线系统中做低选，哪条方案先动作了，就以此方案来控制防喘振阀门的开度。但是如果三段抽气流量过大，四段会发生喘振，由于整套装置流程的设计，这股抽气量的最大量是- 定的，也就是说不会出现喘振现象，但是在特殊工况的时候，会出现抽气量减小，或者为零，这样压缩机四段的入口流量超过压缩机入口的饱和流量，这样会造成压缩机四段滞止。阻塞同样会对机组的结构造成破坏，所以就在压缩机三段出口设置了-台石墙阀，意思就是防止压缩机滞止。压缩机三段出口压力对此阀门进行PID调节，确保四段的流量正常。

2.防喘振控制算法 j防喘振计算主要是靠理论计算，压缩机的喘振线也可以现场实测，-般是先通过理论计算得出。喘振线 i的计算是防喘振控制的关键，根据理论计算中发生喘振的压缩机入口流量差压，入Yl出口的压力比，再分别利用公式就可以得到喘振线，如图5所示 (图中，P为压缩机入口压力， 为压缩机出口压力， 为孔板差压)。

图5 防喘振曲线(1)最大质量流量 式中 O-psrMMm a w/(R ) (1)最大流量；压缩机设计入口压力 (绝压A)；设计相对分子质量；尺- - 单位常数；- - 压缩机设计入口温度z-- 压缩机压缩比。

(2)密度PPMWp /(R z)式中 M - 相对分子质量；S4 年糊'IPa 11 107 1 0 103G fMPa 356 28 263101 5 102 100 102 5h/kPa 2.3 97 64 1 39入口压力协) lo. 1 o. 1 o. 1 .出口压力 1 o. 1 0.321 l 0. 1 0。

入口温度，℃ l- .I- 1- I- .入口差压 f f 1. f 1. f 。

42二段入口实际的质量流量，再将质量流量转换为体积流量，计算喘振线可得出喘振线公式。根据式 (4)很容易导出：aMm R (p ) (5)将-段入口的质量流量M，和二段加气入口的质量流量M： 叠加后得到二段入I：I实际质量流量 ，将带入式 (5)中，可以求得Q 。再按照-段的做法即可求得二段的喘振线，如图6所示，即防喘振Y0.125 9x1和)，0.049 6x2.581 5叠加生成的折线。三段喘振线算法与二段的相同，需要将-段入口流量、二段加气流量、三段加气流量叠加后得到三段入口流量。

h/p，图6 压缩机防喘振线将计算后的防喘振线输入到防喘振控制其中即可实现对机组的防喘振控制。防喘振控制拈对喘振有三层安全保护。第-层安全保护是当操作点超过组态的控制线时打开再循环阀的控制拈∝制线应有-定的喘振裕度，该裕度撒于操作点趋向喘振条件的速度。第二层保护线位于喘振极限线和喘振控制线之间。当压缩机的操作点超过此线后，防喘振控制拈应按-定的增量提高自己的输出，从而避免压缩机喘振。增量的大小撒于操作点趋向喘振的速度。防喘振控制拈输出的增量按-个可组态的量衰减。第三层保护线位于喘振极限线的左边。如果压缩机的操作点越过了此线的左侧，控制拈假设压缩机出现喘振，并因此将前两重安全保护的初始裕度提高到-个预先确定的可组态的水平。

而且防喘振控制拈能够通过测量和识别预先规定的喘振信号检测到实际的喘振。当检测到预先规定数量的喘振，压缩机通过位于系统内硬连接的压缩机跳车回路跳车。为了保证防喘振阀门的快速释放，防喘振的-个处理周期大约为lOOms，从而避免喘振的发生。防喘振石油/化I通用机械l 、GM hi Petl oleum＆Chemical lH(1lsto"I阀在压缩机起动和停车的过程中，除了作为防喘振阀功能，还起到卸载负荷，防喘振控制的时序图如图7所示。

开始压缩机起动前准备防喘振电磁阀失电防喘振阀全开机组加载防喘振电磁阀带电复压缩机起动前准备防喘振阀慢关防喘振阀投入自压缩机组运行压缩机组卸载防喘振阀全开压缩机组停车防喘振电磁阀失电图7 防喘振控制时序结束三、结语针对压缩机发生喘振的原因而设计的压缩机防喘振曲线，可实现防喘振保护，是整套压缩机控制中的难点和重点、为今后的压缩机控制做出了很好的技术储备。