固定轉(zhuǎn)速離心壓縮機的喘振控制系統(tǒng)

余世玲

（北京溫菲爾德石油技術(shù)開發(fā)有限公司 基建處，北京100016）

1 概述

對于固定轉(zhuǎn)速離心壓縮機（簡稱壓縮機）流量、壓力關(guān)系見圖1。當(dāng)流量降至Q1，操作點移至S1，壓縮機發(fā)生喘振工況，葉輪和擴散器開始出現(xiàn)倒流，出口壓力降低，噪音和振動發(fā)生，壓縮機失去維持穩(wěn)定操作的能力。嚴重的喘振可能導(dǎo)致壓縮機機械密封、軸承及葉輪的損壞，造成不可挽回的經(jīng)濟損失。對于離心式壓縮機，啟動、停車、以及入口介質(zhì)的壓力、溫度、比熱、摩爾質(zhì)量和壓縮系數(shù)等任何參數(shù)發(fā)生變化，都可能使壓縮機操作點到達S1，引起壓縮機的喘振。在喘振系統(tǒng)設(shè)計時，通常通過設(shè)定喘振控制點S2（圖1）和喘振實際發(fā)生點之間的安全余量來為喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供反應(yīng)、調(diào)節(jié)時間。

圖1 離心壓縮機的性能曲線

通過打開喘振控制回流閥，調(diào)節(jié)壓縮機入口流量，避免壓縮機因流量太小使操作點到達S1，因喘振工況對壓縮機造成損壞。

2 壓縮機的喘振控制工藝流程

喘振控制的工藝流程通常有熱氣、冷氣循環(huán)流程以及冷氣加熱氣旁通循環(huán)流程。

2.1 熱氣循環(huán)流程

圖2為熱氣循環(huán)流程。熱氣循環(huán)流程是指當(dāng)壓縮機的操作點達到S2時，為防止壓縮機操作點接近或達到S1（圖1），從壓縮機出口止回閥的上游（盡可能靠近壓縮機出口）將壓縮機出口氣體通過喘振控制調(diào)節(jié)閥循環(huán)到壓縮機入口，增大壓縮機流量以避免喘振工況的發(fā)生。熱氣循環(huán)流程中出口管道的體積較小，有利于提高壓縮機喘振系統(tǒng)的反應(yīng)速度；較小的出口管道系統(tǒng)體積有利于快速降低出口管道系統(tǒng)的壓力，在壓縮機緊急停車時，有利于控制喘振。但其系統(tǒng)容積較小，壓縮機啟動過程中容易由于壓縮機出口氣體過熱而引起壓縮機喘振。

圖2 熱氣循環(huán)流程

2.2 冷氣循環(huán)流程

圖3為冷氣循環(huán)流程。冷氣循環(huán)流程是指當(dāng)通過壓縮機的操作點達到S2時，為防止壓縮機操作點接近或達到S1，從壓縮機出口冷卻器或分離罐的下游將壓縮機出口氣體通過喘振控制調(diào)節(jié)閥循環(huán)到壓縮機入口，增大壓縮機流量以避免喘振工況的發(fā)生。相對于熱氣循環(huán)系統(tǒng)，冷氣循環(huán)系統(tǒng)流程使壓縮機出口管道系統(tǒng)有較大的容積，由于較大的管路系統(tǒng)體積，系統(tǒng)各參數(shù)的變化相對較慢（主要為壓力、溫度參數(shù)），喘振系統(tǒng)獲得變化的工藝信號的時間相對較長，在一定程度上降低了壓縮機喘振系統(tǒng)的反應(yīng)速度，不利于在壓縮機緊急停車時喘振的控制。但在壓縮機啟動過程中，在一定程度上延長了啟動時的循環(huán)時間，降低了對壓縮機啟動時間的限制要求。

圖3 冷氣循環(huán)流程

2.3 熱氣旁通循環(huán)流程

圖4為熱氣旁通循環(huán)流程。熱氣旁通回路是指系統(tǒng)中考慮了熱氣循環(huán)的同時也考慮了冷氣循環(huán)，整個系統(tǒng)以熱氣循環(huán)為主，冷氣循環(huán)為輔的一種氣體循環(huán)調(diào)節(jié)模式。熱氣旁通流程在一定程度上兼顧了冷氣和熱氣循環(huán)的優(yōu)點，克服了熱氣循環(huán)和冷氣循環(huán)系統(tǒng)的不足。在熱氣旁通循環(huán)系統(tǒng)中，冷氣回路的閥門推薦選用調(diào)節(jié)型，而熱氣回路的閥門推薦選用快開型，冷氣調(diào)節(jié)閥推薦獨立于熱氣調(diào)節(jié)閥的計算口徑。

圖4 熱氣旁通循環(huán)流程

3 壓縮機的喘振控制工況

壓縮機喘振控制工況通常可分為啟動工況（發(fā)生在壓縮機啟動過程中）、正常工藝操作工況和緊急停車工況。

3.1 啟動工況

在壓縮機啟動的過程中，出口閥門關(guān)閉，氣體在出口截斷閥和入口截斷閥之間循環(huán)。直至喘振控制調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，壓縮機達到額定轉(zhuǎn)速，出口閥門開啟，上游系統(tǒng)開始持續(xù)進氣，壓縮機進入正常操作狀態(tài)。在壓縮機啟動過程中，由于整個系統(tǒng)處于密閉循環(huán)狀態(tài)，所有功率消耗大部分用于加熱系統(tǒng)內(nèi)的氣體，出口氣體過熱引起壓縮機的喘振是在啟動過程中存在的關(guān)鍵問題。

解決壓縮機出口氣體過熱通常有3種方法：減少啟動時間以減少氣體的循環(huán)時間、增大循環(huán)回路中氣體的體積、增加冷卻氣體循環(huán)量。

針對解決出口氣體過熱問題的幾種方法和各種控制流程的優(yōu)缺點，對于小功率壓縮機，由于其啟動時間要求較短，熱氣循環(huán)工藝流程是較合理的選擇。對于大功率壓縮機的啟動工況，由于啟動時間較長，需要較長時間密閉循環(huán)氣體以使壓縮機達到額定轉(zhuǎn)速，為避免在循環(huán)過程中由于出口氣體過熱而引起壓縮機喘振，進而造成停車，冷氣循環(huán)系統(tǒng)是較合理的選擇。

3.2 正常工藝操作工況

正常工藝操作和緊急停車的控制與啟動有比較明顯的區(qū)別，正常工藝操作情況下，壓縮機的喘振主要是由于壓縮機入口介質(zhì)的組分、流量、壓力等工藝參數(shù)發(fā)生變化引起的，壓縮機的喘振曲線決定了喘振系統(tǒng)的工作性能。如果喘振曲線較平，說明該喘振系統(tǒng)對揚程的變化很敏感；較陡的喘振曲線說明該喘振控制系統(tǒng)對流量變化較敏感。在正常工藝控制過程中，壓縮機的喘振系統(tǒng)控制應(yīng)該滿足壓縮機的操作范圍要求。所以喘振系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)該考慮所有可能的工藝操作條件，避免壓縮機在正常要求的工況范圍內(nèi)出現(xiàn)喘振［1］。

正常工藝操作過程中的控制，關(guān)鍵問題是如何正確、合理地避免壓縮機操作點越過控制喘振設(shè)定的控制點和喘振實際發(fā)生點之間的安全余量區(qū)域（從S2到S1的區(qū)域，通常為10%左右（圖1），如果壓縮機喘振控制性能較差，可能達到15%～20%）。由于壓縮機喘振發(fā)生非?？欤瑩?jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，喘振一旦發(fā)生，通過壓縮機的流量會在0.05s內(nèi)降低，在2s內(nèi)開始出現(xiàn)倒流［2］，喘振控制點和實際喘振點之間的安全余量是為了保證喘振控制系統(tǒng)有足夠的反應(yīng)時間，避免實際的喘振發(fā)生，正常操作過程中的控制喘振調(diào)節(jié)閥獲得的信號以及閥門的反應(yīng)速度也應(yīng)該和啟動、緊急關(guān)斷有所區(qū)別，在正常工藝操作控制中，喘振調(diào)節(jié)閥獲得的應(yīng)是低增益值的信號［1］，對閥門的反應(yīng)速度并沒有特別嚴格的要求。

3.3 緊急停車工況（ESD）

當(dāng)因工廠停電或者其他工藝操作安全原因，導(dǎo)致壓縮機系統(tǒng)在沒有任何控制、調(diào)節(jié)的情況下停車時，如何快速降低壓縮機出口系統(tǒng)壓力是緊急停車的關(guān)鍵問題。要求喘振控制系統(tǒng)有更快的反應(yīng)速度，喘振控制調(diào)節(jié)閥快速自動全開，提供足夠的回流流量。由于熱氣循環(huán)系統(tǒng)（圖2）出口體積較小，反應(yīng)速度較快，所以針對緊急停車工況而言，熱氣循環(huán)流程是有利的。

綜合上面對啟動、正常工藝控制和緊急停車幾種工況下喘振發(fā)生和控制的描述，對于大功率壓縮機，推薦選用熱氣旁通循環(huán)流程（圖4）；而對于功率較小的壓縮機，推薦選用熱氣循環(huán)流程（圖2）。

4 喘振控制系統(tǒng)的主要部件及選擇

4.1 喘振控制模型

喘振控制主要包括控制最小流量、控制最大壓力、控制壓縮比與實際流量的關(guān)系。喘振控制模型通常采用壓縮比與實際流量的關(guān)系。這個模型的優(yōu)點在于能夠提供準確的喘振預(yù)測，同時氣體組分的變換對喘振線的形狀和位置幾乎沒有什么影響，這樣就能維持喘振控制點和實際喘振點之間的安全余量在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，避免操作過程中因氣體組分發(fā)生變化使操作越過喘振安全余量區(qū)而導(dǎo)致喘振發(fā)生。

4.2 主要部件

（1）進口流量計、進／出口壓力儀表、溫度表。主要用于提供喘振控制系統(tǒng)的工藝信號。由于現(xiàn)場將根據(jù)儀表系統(tǒng)對壓縮機實際喘振線進行進一步的調(diào)整和驗證，并使喘振控制線與之相適應(yīng)，因此對流量、溫度和壓力儀表的精度并沒有特別嚴格的要求。但是由于喘振發(fā)生的速度非?？?，為使喘振控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度滿足喘振調(diào)節(jié)的要求，所有流量、溫度和壓力儀表需要較高的取樣頻率；另外，喘振信號采集儀表的重復(fù)性是選擇儀表的一個重要依據(jù)?；谛盘柌杉l率的要求，不推薦使用智能型流量和壓力儀表（采樣頻率較低）［2］。

入口流量計。文丘里流量計和孔板流量計通常用于壓縮機入口流量的計量；由于孔板流量計壓降較大，當(dāng)壓縮機吸入壓力較低（小于0.3MPa）時，通常不采用孔板流量計。

壓力傳感器。由于表壓傳感器更通用且比絕壓傳感器容易標(biāo)定，在壓力高于0.15MPa時，推薦選用表壓傳感器；當(dāng)壓力低于0.15MPa，推薦選用絕壓傳感器［2］。

對于高吸入壓力、低壓縮比的壓縮機，推薦采用壓縮機進、出口差壓作為喘振信號的輸入，同時仍然需要安裝入口壓力傳感器。

溫度傳感器。溫度信號并不是喘振基本信號，但溫度信號的輸入可以用于介質(zhì)摩爾質(zhì)量變化時的流量校正，所以通常要求進、出口安裝溫度傳感器，并將信號送入喘振控制器。由于工藝系統(tǒng)的溫度變化較慢，溫度傳感器的反應(yīng)速度并不是一個主要因素，因此可以使用智能型溫度傳感器。

（2）喘振控制調(diào)節(jié)閥。線性或者等百分比調(diào)節(jié)閥通常用作喘振控制調(diào)節(jié)閥。但是由于等百分比調(diào)節(jié)閥在低CV值時比線性調(diào)節(jié)閥有更好的穩(wěn)定性，所以在選擇喘振控制調(diào)節(jié)閥時，推薦使用等百分比調(diào)節(jié)閥［2］。

（3）止回閥。壓縮機出口止回閥推薦采用緩閉式止回閥。

5 結(jié)束語

離心式壓縮機的喘振系統(tǒng)工藝設(shè)計應(yīng)該根據(jù)離心式壓縮機的功率等自身特點，結(jié)合工藝要求的操作范圍、操作介質(zhì)的特性、管路系統(tǒng)的特點，綜合考慮啟動、正常工藝控制和緊急停車等不同工況，選擇合理的喘振工藝控制系統(tǒng)，避免因喘振造成壓縮機軸承、葉輪、機械密封等機械部件的損壞，造成不可挽回的經(jīng)濟損失。

［1］BRUN K，NORED M G.Application guideline for centrifugal compressor surge control systems［M］.Release Version 4.3.Texas：Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute，2008：9-30.

［2］MCMIUAN G K.Centrifugal and axial compressor control［M］.North Carolina：Instrument Society of America，1983：33-42.