丙烯壓縮機防喘振控制的實現(xiàn)

李文濤（內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

丙烯壓縮機的規(guī)格、規(guī)模與性能多種多樣，在不同的化工生產(chǎn)環(huán)境中，其功率需求也不同。根據(jù)作者的工作經(jīng)驗與實際接觸，以本廠的丙烯壓縮機為研究對象，進(jìn)一步展開關(guān)于丙烯壓縮機防喘振控制的研究。

該丙烯壓縮機屬于單體類型，其結(jié)構(gòu)水平分開，具有兩段離心壓縮機，在工作中可以分別提供0℃、-40℃兩種冷量級別環(huán)境。設(shè)備應(yīng)用包括五個工藝用戶，利用可編程邏輯控制器（PLC）來實現(xiàn)防喘振控制；控制界面經(jīng)過改造，采取觸摸屏的方式進(jìn)行操作和監(jiān)督，對事故原因分析有很大的直觀作用，生產(chǎn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以上傳到分布式控制系統(tǒng)，便于集中管理。

1 丙烯壓縮機概論

喘振也稱之為“飛動”，是壓縮機性能反常的一種常見表現(xiàn)，其不穩(wěn)定運行的過程中導(dǎo)致壓力、流量的大幅度異常，產(chǎn)生類似劇烈喘息的噪音，并表現(xiàn)出一定規(guī)律的振動。喘振會導(dǎo)致壓縮機的轉(zhuǎn)子和定子部件經(jīng)受交變動應(yīng)力，導(dǎo)致軸承損壞，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)定碰撞和爆炸事故，造成后果惡劣的人身傷害和財產(chǎn)損失。

1.1 丙烯壓縮制冷原理

丙烯（CH2=CHCH3）常溫下為無色氣體，冰點-185.3℃，沸點-47.4℃；制冷作用的實現(xiàn)是在高壓液體的低壓下蒸發(fā)，在等溫條件下從外部吸收高于介質(zhì)的熱量，利用液體氣化的相變特征轉(zhuǎn)移熱量，最終實現(xiàn)制冷的目的。

壓縮機制冷是循環(huán)進(jìn)行的，相對于丙烯壓縮設(shè)備而言，蒸發(fā)器內(nèi)的液體（丙烯）吸收熱量之后變化為氣體狀態(tài)，返回到壓縮機的入口，重新進(jìn)行加壓、液化，當(dāng)壓力達(dá)到一定級別之后再度進(jìn)行凝結(jié)變成液體，從而形成循環(huán)。

1.2 喘振現(xiàn)象出現(xiàn)原因

理論上說，喘振是壓縮機的一個設(shè)計缺陷，作為一種固有現(xiàn)象，產(chǎn)生喘振的原因來源于負(fù)荷降低之后，排氣量小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下對應(yīng)最大壓縮比的體積流量，設(shè)備的機械力性能過大，氣體形成周期性的倒流和排出，而這一時期的內(nèi)部壓力是不穩(wěn)定的；由此產(chǎn)生較大的振動和噪音，這就是喘振現(xiàn)象的表現(xiàn)。

而喘振現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就意味著壓縮機在介質(zhì)運行上出現(xiàn)了漏洞，需要進(jìn)行重新調(diào)整。

1.3 喘振現(xiàn)象控制原理

控制喘振現(xiàn)象就必須從內(nèi)部設(shè)備功能入手，在不同的轉(zhuǎn)速下，壓縮機特有曲線的最高點軌跡是拋物線形狀，理論上稱之為“喘振極限線”；利用數(shù)學(xué)模型將其轉(zhuǎn)化為二折線函數(shù)，進(jìn)而采用放空和打回流的手段，來阻止喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

2 丙烯壓縮機防喘振控制的實現(xiàn)

根據(jù)對本廠丙烯壓縮機的調(diào)試結(jié)果整理數(shù)據(jù)，計算可知，當(dāng)喘振極限線坐標(biāo)下放3%即可實現(xiàn)放空，而在實際的操作中，將放空線縱坐標(biāo)下放5%之后，才進(jìn)入丙烯壓縮機的安全響應(yīng)范圍。

我廠所采購的丙烯壓縮機有兩個段，每段都可以設(shè)置防止喘振控制系統(tǒng)，按照現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)計算，入口差壓變送器測量45%折返點作為喘振線對應(yīng)處。

分析喘振形成的原因，不難發(fā)現(xiàn)要避免這一故障的出現(xiàn)，只要克服壓力在同等條件下，入口流量大于喘振極限即可；如果壓縮機發(fā)生失控現(xiàn)象（控制閥能源中斷），就需要確保完全開放進(jìn)口，引入最大流量。

2.1 入口流量值修訂

入口流量是控制丙烯壓縮機發(fā)生喘振的重要途徑，可以采用差壓閥測量氣體的流量，在溫度、壓力等參數(shù)符合工作條件的狀態(tài)下，確保修訂的值大于喘振極限線。

2.2 喘振給定值獲取

在喘振極限線描繪完成之后，包括折線函數(shù)在內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá)式計算，都可以作為壓力補償?shù)娜肟诓顗褐蹬袛鄻?biāo)準(zhǔn)。為了確保其穩(wěn)定性，一般可以設(shè)定系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)（8%-12%），以滿足防喘振控制器的設(shè)定值域。

2.3 防喘振控制策略

丙烯壓縮機防喘振控制的實現(xiàn)，主要是通過數(shù)字信號微調(diào)實現(xiàn)的操作，具體方式包括開環(huán)和閉環(huán)作業(yè)。當(dāng)實際工作點接近喘振極限線的過程中，控制器可以給出階梯形操作型號，當(dāng)數(shù)值進(jìn)入8%系數(shù)獲取領(lǐng)域之后，即可快速打開控制閥。

邏輯元件控制器的優(yōu)勢很明顯，根據(jù)階梯幅度可以快速調(diào)整實際需求，也可以結(jié)合自動化控制方式，來滿足正常入口的實際流量調(diào)整，但這種做法目前并沒有普及；同樣，利用積分控制器也可以實現(xiàn)喘振控制需求，但這種控制方式很容易達(dá)到輸出上線，如果打開不及時，喘振發(fā)生的頻率很高。

綜合分析測試，在防喘振控制策略方面，PLC控制的魯棒性最好，同時操作簡單、經(jīng)濟(jì)可靠，能夠有效地節(jié)約運維成本。

3 丙烯壓縮機防喘振控制系統(tǒng)分析

我廠引進(jìn)的丙烯壓縮機大致可劃分為兩個功能部分，其一為汽輪機驅(qū)動的離心式壓縮機系統(tǒng)，其二為丙烯介質(zhì)的熱（冷）循環(huán)系統(tǒng)；以丙烯作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，通過壓縮、放熱、冷凝、節(jié)流、降壓、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)，最終實現(xiàn)制冷效果。

理論上來說，防喘振控制系統(tǒng)應(yīng)該介入這兩部分系統(tǒng)。其中，壓縮機通過汽輪機驅(qū)動，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到一定級別之后，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)離心力擴壓氣流，促使氣體的壓力不斷提高，形成丙烯壓縮機的執(zhí)行動力；其工質(zhì)變化包括氣話制冷循環(huán)，蒸汽升壓，高壓蒸汽冷凝以及高壓液體減壓四個步驟。

整個控制系統(tǒng)主要包括PLC模塊、電源和通訊模塊，采用TRICONTMR控制系統(tǒng)，提高控制的靈敏性，同時確保其較高的安全性；由于通訊總線的均冗余特點，有效地提升了系統(tǒng)的糾錯能力。鑒于三段的客觀設(shè)備需求，該系統(tǒng)有三個完全相同的系統(tǒng)通道架設(shè)，丙烯壓縮機單體系列中除了固有的主機架之外，另外加入兩個輔助的擴展機架。

事實上，丙烯壓縮機的應(yīng)用在企業(yè)內(nèi)部較為便利，PLC模塊與高速局域網(wǎng)之間的貼合度很大，支持多種通訊協(xié)議，形成很好的通訊功能。同時，DCS系統(tǒng)支持通訊功能的數(shù)據(jù)備份，具有實時數(shù)據(jù)處理和歷史數(shù)據(jù)處理的功能，在操作平臺上較為便利地實現(xiàn)流程結(jié)構(gòu)、調(diào)速畫面和防喘振控制結(jié)構(gòu)圖。

在喘振極限線以內(nèi)的區(qū)域中，丙烯壓縮機的動態(tài)性調(diào)節(jié)除了PCL控制器之外，也包括調(diào)節(jié)閥裝置，兩只之間對數(shù)據(jù)的依賴性相同。如果不考慮儀表數(shù)據(jù)因素之外，控制方案的選擇與控制時機的把握是決定性作用的，所以，無論是控制器還是調(diào)節(jié)閥，其操作都不是固定不變的。

從當(dāng)前我國丙烯壓縮機的應(yīng)用實踐來看，控制器功能的發(fā)揮有限，其主要原因是對性能圖分析的能力不足，無法確定極限值參數(shù)的實際影響。此外，還需要合適的算法，針對影響極限值的參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整。如果壓縮機的動態(tài)性性能圖實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，即根據(jù)不同類型的壓縮機需求滿足控制設(shè)計，就能確定測量點和入口的工藝條件。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐加快，現(xiàn)代工業(yè)體系也日趨完善，煤化工產(chǎn)業(yè)、石油化工產(chǎn)業(yè)等項目的安全、穩(wěn)定運行成為企業(yè)最大的訴求。丙烯制冷壓縮機的應(yīng)用中，要充分考慮丙烯原料的特性，結(jié)合機械性能穩(wěn)定的需求，制定出符合企業(yè)實際操作的防喘振措施。開環(huán)和閉環(huán)結(jié)合的控制方式是目前應(yīng)用范圍較廣的措施之一，作者結(jié)合自身的經(jīng)驗和實踐，認(rèn)為做好控制系統(tǒng)的合理設(shè)置是至關(guān)重要的。

總地來說，在社會化大生產(chǎn)的背景下，精細(xì)化操作需求日益普遍，任何一個生產(chǎn)設(shè)備的故障都會導(dǎo)致整體項目的影響，積極研究丙烯壓縮機防喘振技術(shù)具有重要的意義。

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