富氣壓縮機(jī)組防喘振系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

劉 娜

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

0 引言

由于用戶工況參數(shù)的改變導(dǎo)致延遲焦化裝置富氣壓縮機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行于小流量下，導(dǎo)致防喘振閥門開啟開度一直在12%～39%，這樣的結(jié)果直接導(dǎo)致用戶嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，對(duì)于此臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了定子等技術(shù)的改造并重新改變防喘振計(jì)算方案設(shè)計(jì)，目的在于能夠使壓縮機(jī)組適應(yīng)現(xiàn)在的小流量運(yùn)行工況，關(guān)閉防喘振閥門運(yùn)行。

1 防喘振閥門開啟原因

原富氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)正常工況為14000Nm3/h，進(jìn)口壓力為0.035MPa（G），進(jìn)口溫度40℃，出口壓力1.4 MPa（G），出口溫度114.3℃，分子量34.2。而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工況流量只有10000Nm3/h，進(jìn)口壓力為0.052 MPa（G），分子量34.903。依據(jù)數(shù)據(jù)來看，流量減少幅度比較大，導(dǎo)致機(jī)組一直位于喘振區(qū)，從而導(dǎo)致防喘振閥門開啟。為了便于說明，根據(jù)原設(shè)計(jì)計(jì)算的防喘振曲線如圖1 和圖2 所示。

本機(jī)組原來配置一臺(tái)防喘振調(diào)節(jié)閥，采用兩段防喘振曲線在TS3000 控制系統(tǒng)中低選輸出4～20mA 信號(hào)控制防喘振閥門。圖中“X”點(diǎn)即為10000 Nm3/h 流量下的工作點(diǎn)，但是由于離心壓縮機(jī)組程序不存在防喘振曲線左面的工作點(diǎn)，也就是在實(shí)際生產(chǎn)中不會(huì)出現(xiàn)此小流量下不打回流的情況出現(xiàn)，由于程序計(jì)算不出防喘振閥門關(guān)閉下10000Nm3/h 流量下的壓縮機(jī)段出口壓力，所以這個(gè)段出口壓力是用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控下的截屏數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)是在打開防喘振閥門時(shí)的出口壓力算得的壓比。

圖1 壓縮機(jī)一段防喘振曲線Fig.1 The one section anti surge curve of compressor

圖2 壓縮機(jī)二段防喘振曲線Fig.2 The two section anti surge curve of compressor

由上圖可看出機(jī)組在10000Nm3/h 流量工況下運(yùn)行，處在喘振線左側(cè)控制系統(tǒng)，必然輸出開閥信號(hào)使防喘振閥門開啟。

2 防喘振系統(tǒng)改造方案

2.1 喘振的定義

在壓縮機(jī)流道中，由于工況改變，流量明顯減少，而出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離失速，形成突變型失速時(shí)，流動(dòng)情況會(huì)大大惡化。這時(shí)工作輪雖仍在旋轉(zhuǎn)，對(duì)氣體作功，但卻不能提高氣體的壓力，于是壓縮機(jī)出口壓力顯著下降。由于壓縮機(jī)總是和管網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合工作的，如果管網(wǎng)容量較大，其反應(yīng)不敏感，這時(shí)管網(wǎng)的壓力并不馬上減低，于是可能出現(xiàn)管網(wǎng)中的壓力反大于壓縮機(jī)出口處壓力的情況。因而管網(wǎng)中的氣體就向壓縮機(jī)倒流。一直到管網(wǎng)中的壓力下降至低于壓縮機(jī)出口壓力而止。這時(shí)倒流停止，氣流又在葉片作用下正向流動(dòng)，壓縮機(jī)又開始向管網(wǎng)供氣，經(jīng)過壓縮機(jī)的流量又增大，壓縮機(jī)恢復(fù)正常工作。但當(dāng)管網(wǎng)中的壓力不斷回升，又回復(fù)到原有水平時(shí)，壓縮機(jī)正常排氣又受到阻礙，流量又下降，系統(tǒng)中的氣體又產(chǎn)生倒流。如此周而復(fù)始，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生了周期性的軸向低頻大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為壓縮機(jī)的“喘振”。

2.2 防喘振系統(tǒng)改造方案的建立

由于喘振會(huì)造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂，密封及軸承損壞等非常嚴(yán)重的后果，經(jīng)我公司工藝專家對(duì)本體重新核算比較，給出了一個(gè)最大限度節(jié)約成本的方案，改變部分定子元件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工況的穩(wěn)定運(yùn)行。儀表方面通過TS3000 控制系統(tǒng)將壓縮機(jī)性能曲線由Pd-Qs 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至Pd/Ps-h/Ps%坐標(biāo)平面。發(fā)生喘振時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整喘振控制線安全邊界，喘振發(fā)生一次，喘振控制線向右調(diào)整一次安全邊界。當(dāng)實(shí)際操作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振控制線時(shí)，浮動(dòng)設(shè)定點(diǎn)將按一定速率跟蹤操作點(diǎn)，并使它們之間保持一個(gè)固定距離，當(dāng)流量突然減小，實(shí)際操作點(diǎn)突然向喘振區(qū)移動(dòng)并越過浮動(dòng)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，防喘振閥門快速按流量變化的程度打開。在防喘振控制系統(tǒng)中，防喘振控制基本方法仍然采用最小流量限控制，但是針對(duì)不同的情形采用不同的對(duì)策，加之先進(jìn)的軟件系統(tǒng)和可靠硬件配置。依據(jù)性能曲線設(shè)置喘振線SCL,它相對(duì)喘振線SL 留有一定的防喘安全裕度，當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)緩慢移動(dòng)到SCL 線時(shí)，控制器開啟防喘振調(diào)節(jié)閥，回流一部分氣體，防止喘振的發(fā)生。在喘振線SL 和SCL 之間設(shè)一條快開閥控制線RAMP。當(dāng)以上回路仍未能止住運(yùn)行工況點(diǎn)的移動(dòng)時(shí)，控制器向防喘振調(diào)節(jié)閥發(fā)出開啟的階躍信號(hào)，將閥門全開。

控制系統(tǒng)防喘振計(jì)算與Pd，Ps，Ts，Td，h 有關(guān)，對(duì)高橋公司的富氣機(jī)組原現(xiàn)場(chǎng)儀表及防喘振閥門，流量計(jì)等根據(jù)現(xiàn)有工況及預(yù)計(jì)工況進(jìn)行核算。由于機(jī)組壓力溫度變化較小而且在當(dāng)初設(shè)計(jì)儀表時(shí)已經(jīng)留有余量，所以現(xiàn)場(chǎng)的壓力變送器及鉑熱電阻等可以利舊處理。經(jīng)核算由于流量減少過多按現(xiàn)在的10000Nm3/h 正常流量計(jì)算出的刻度流量?jī)H為12500Nm3/h，原正常流量下14000Nm3/h計(jì)算出的刻度流量為20000Nm3/h，若按原節(jié)流元件勢(shì)必會(huì)影響測(cè)量精度，所以節(jié)流元件需更換?，F(xiàn)場(chǎng)工況流量減少，防喘振流量也減少，如果用原來的防喘振閥門，在防喘振流量下閥門開度不理想，又由于機(jī)組為改造機(jī)組，改造原則要求做到克服原來的缺點(diǎn),盡可能地適應(yīng)原來的系統(tǒng)，讓新系統(tǒng)與其它相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)最好是無縫連接。由于管道陳舊所以綜合考慮在不改變閥體尺寸的情況下改變了閥門的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)最新的性能曲線計(jì)算出的防喘振曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 改造后壓縮機(jī)一段防喘振曲線Fig.3 The one section anti surge curve of compressor after reconstruction

Fig.4 改造后壓縮機(jī)二段防喘振曲線Fig.4 The two section anti surge curve of compressor after reconstruction

3 結(jié)束語(yǔ)

改造之后的壓縮機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn)都位于喘振線的右側(cè)，在壓縮機(jī)正常工作范圍內(nèi)。改造保證了壓縮機(jī)組的完整性，只更換其中一小部分元件和控制系統(tǒng)參數(shù)更新便實(shí)現(xiàn)了防喘振閥門關(guān)閉的目的，達(dá)到了預(yù)期的效果有效地節(jié)約了能源。

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[2]黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]郭宏，王艷.透平-壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)(ITCC)[J].控制工程，2003，7（10 增刊）：165.