壓縮機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

朱巖

摘 要：在石油化工行業(yè)發(fā)展中，壓縮機(jī)的應(yīng)用較為廣泛，其中以離心壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱“壓縮機(jī)”）為典型代表，存在重量小、裝置效率高、油氣污染少、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)等顯著特點(diǎn)，一定程度上解決了工況操作失誤問(wèn)題。但在部分特定工況下，壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象較突出，較易造成機(jī)器無(wú)法正常使用，急需做好壓縮機(jī)防喘振控制，避免更嚴(yán)重的操作事故?；诖耍狙芯拷Y(jié)合壓縮機(jī)使用現(xiàn)狀，著重分析喘振的現(xiàn)象及原理，并針對(duì)具體問(wèn)題提出壓縮機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以期促進(jìn)喘振問(wèn)題研究進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī)；防喘振控制與保護(hù)；喘振點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TH452 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0105-02

Abstract： In the development of petrochemical industry， compressors are widely used， of which centrifugal compressor （short for compressor） is typical representative. Small weight，high efficient， low oil and gas pollution and excellent economic performance are the outstanding features of compressor which could solve operation fault of working condition to some extent. However for part of specific working condition， compressor surge phenomenon is prominent， which could easily caused the machine can not be used normally and compressor anti-surge control should be performed in emergent need to avoid the more serious operation fault. Base on this， this research will combine compressor usage status ， focus on analysis the phenomenon and theory of anti-surge and aim to make design program for compressor control and protection system to promote the progress of anti-surge research.

Keywords： Centrifugal compressor； Anti-surge control and protection； anti-surge point

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，壓縮機(jī)也在不斷地更新?lián)Q代，最新電子設(shè)備管理的壓縮機(jī)漸漸占據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要地位，為社會(huì)生產(chǎn)工作帶來(lái)了便利條件。壓縮機(jī)具有輸送量大、排氣壓力高的優(yōu)勢(shì)，但也存在部分不足缺陷，穩(wěn)定工作的區(qū)域相對(duì)較狹窄，極其容易發(fā)生嚴(yán)重的喘振問(wèn)題，影響了壓縮機(jī)的安全運(yùn)行效益。結(jié)合不同工況下的壓縮機(jī)使用狀態(tài)，嚴(yán)重喘振現(xiàn)象會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)組流動(dòng)波動(dòng)幅度過(guò)大，加劇內(nèi)部零件的磨損程度，甚至可能出現(xiàn)氣體爆炸事故；輕微喘振現(xiàn)象不會(huì)產(chǎn)生機(jī)組損壞問(wèn)題，長(zhǎng)此以往容易形成惡行循環(huán)效應(yīng)。因此，需要做好預(yù)防喘振問(wèn)題的準(zhǔn)備工作，配備相應(yīng)的防喘振控制系統(tǒng)，以提升壓縮機(jī)的安全性、持久性，具有實(shí)際研究意義。

1 壓縮機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

從安全生產(chǎn)角度考慮，壓縮機(jī)作為工業(yè)部門(mén)的關(guān)鍵設(shè)備，過(guò)程控制系統(tǒng)的配備是其必要構(gòu)件，設(shè)有防喘振控制、變工況工作點(diǎn)調(diào)節(jié)、壓力控制等集成功能，以實(shí)現(xiàn)操作便捷、穩(wěn)定可靠的工況狀態(tài)。為有效應(yīng)對(duì)喘振問(wèn)題帶來(lái)的意外事故，著重分析壓縮機(jī)失穩(wěn)現(xiàn)象，用以判斷壓縮機(jī)喘振數(shù)值及系統(tǒng)穩(wěn)定性，定性提出防喘振控制策略。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于壓縮機(jī)防喘振控制的研究，諸多設(shè)計(jì)方案雖已積極參考先進(jìn)控制方法，但在具體工業(yè)應(yīng)用方面并不理想，壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定或輕微喘振現(xiàn)象較明顯，防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在資金與技術(shù)限制，對(duì)此仍需進(jìn)一步深入研究。

2 壓縮機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

結(jié)合壓縮機(jī)防喘振控制的現(xiàn)狀，詳細(xì)分析喘振原理及預(yù)防策略，便于穩(wěn)定機(jī)組安全運(yùn)行。具體如下所示。

2.1 壓縮機(jī)的喘振機(jī)理及影響因素

在壓縮機(jī)機(jī)組開(kāi)車、停車或生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整期間，喘振現(xiàn)象的易發(fā)率較高，源于吸入流量、壓力比及轉(zhuǎn)速的頻繁變化，進(jìn)而造成原料量的大幅度變動(dòng)，極易出現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行工況事故。面對(duì)不同工況運(yùn)行情況，影響壓縮機(jī)喘振的主要因素有：一是當(dāng)吸入流量低于警戒線，保持壓縮比與轉(zhuǎn)速不變，直接造成機(jī)組運(yùn)行曲線轉(zhuǎn)變位置，使得工況點(diǎn)逐漸移至喘振區(qū)域；二是在壓縮比與吸入流量穩(wěn)定不變狀態(tài)下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大，接近喘振臨界點(diǎn)的概率也就越大，則需及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速及返回線開(kāi)度；三是壓縮機(jī)排出口管網(wǎng)壓力過(guò)高引起的喘振現(xiàn)象，吸入流量與轉(zhuǎn)速不變，氣體壓縮比不斷升高，加快運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)速度；四是隨著壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度的升高，夏季發(fā)生喘振現(xiàn)象的概率更大，源于氣體密度縮減對(duì)其產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)理影響，難以確保壓縮機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行。

2.2 壓縮機(jī)喘振點(diǎn)判斷

為有效應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象，需要準(zhǔn)確判斷喘振點(diǎn)的變化，用以保障壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。首先，依據(jù)壓縮機(jī)振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果，若檢測(cè)振幅信號(hào)過(guò)大，則需做好防喘振控制措施；其次，結(jié)合壓縮機(jī)入出口壓力檢測(cè)情況，判斷壓力值是否大幅度波動(dòng)，準(zhǔn)確判斷喘振問(wèn)題，并準(zhǔn)備相對(duì)應(yīng)的預(yù)防辦法；最后，當(dāng)壓縮機(jī)入口與出口存在異常脈動(dòng)聲頻，立即做好打開(kāi)防喘振閥門(mén)的準(zhǔn)備。endprint

2.3 壓縮機(jī)防喘振的控制

針對(duì)壓縮機(jī)喘振問(wèn)題，采用喘振主動(dòng)控制技術(shù)與常規(guī)操作方法，明確喘振現(xiàn)象的影響因素，并及時(shí)判斷喘振點(diǎn)，做好預(yù)防應(yīng)對(duì)工作。

2.3.1 喘振主動(dòng)控制技術(shù)

壓縮機(jī)喘振主動(dòng)控制以PID模式為主，配備執(zhí)行機(jī)構(gòu)（節(jié)流閥、放氣閥、回流閥等），并采用防喘振控制系統(tǒng)，達(dá)到協(xié)調(diào)防喘振回路與機(jī)組運(yùn)行控制的目的，直接抑制喘振引起的氣流不穩(wěn)定狀況。在日常生產(chǎn)與操作中，防喘振控制器作為壓縮機(jī)喘振主動(dòng)控制技術(shù)的重要設(shè)備，通過(guò)使用規(guī)定算式或輸入數(shù)值來(lái)計(jì)算操作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)增加穩(wěn)定裕度喘振線比較分析，以此保護(hù)壓縮機(jī)不發(fā)生喘振現(xiàn)象。具體內(nèi)容如下：

一是控制防喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)。在特定條件下，維持設(shè)定點(diǎn)與操作點(diǎn)處于固定數(shù)值范圍，即裕度不超出5%。設(shè)定點(diǎn)的操作主要用于追蹤壓縮機(jī)壓力控制輸出情況，通過(guò)限定喘振控制線的盤(pán)旋速率，做出喘振現(xiàn)象發(fā)生前預(yù)先動(dòng)作的判斷，以緩解喘振問(wèn)題帶來(lái)的機(jī)組運(yùn)行故障。

二是保證防喘振控制器的喘振超馳功能。防喘振控制器的喘振超馳功能體現(xiàn)在確保防喘振閥及時(shí)打開(kāi)的作用，也是常規(guī)PID模式的補(bǔ)充說(shuō)明，避免動(dòng)作過(guò)慢引起的喘振問(wèn)題。當(dāng)超馳功能作用區(qū)間位于喘振線的2%裕度范圍內(nèi)時(shí)，或操作點(diǎn)快速向喘振線移動(dòng)時(shí)，及時(shí)打開(kāi)防喘振閥門(mén)，起到及時(shí)規(guī)避喘振發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2.3.2 喘振常規(guī)操作方法

首先，采取“部分同流”辦法，降低喘振問(wèn)題發(fā)生概率。在實(shí)際操作中，要求壓縮機(jī)的返同流量大于喘振點(diǎn)流量與流入流量之差，即是滿足流量大于喘振點(diǎn)流量的運(yùn)行需求。這種方法用于判斷喘振點(diǎn)可取得良好效果，具有與低負(fù)荷生產(chǎn)相互協(xié)調(diào)的特點(diǎn)。

其次，為避免出現(xiàn)壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象，通過(guò)安裝溫度、壓力、流量檢測(cè)儀表，用于壓縮機(jī)氣體入口流量及出口壓力的喘振輸出數(shù)值判斷。此外，在壓縮機(jī)的入出口位置，設(shè)置的溫度、壓力儀表，可以起到及時(shí)檢測(cè)與報(bào)警的作用。該方法可在出現(xiàn)喘振后立即報(bào)警，便于直觀地檢查與監(jiān)督壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性。

再者，設(shè)置防喘振回路。在壓縮機(jī)的出口附近，設(shè)置防喘振打回流回路，并將其壓力值設(shè)定為壓縮機(jī)允許限定條件下的最低工況點(diǎn)，判斷入口流量值變化情況。當(dāng)入口流量值低于設(shè)定值時(shí)，達(dá)到最低工況點(diǎn)限定要求，設(shè)置防喘振回路自動(dòng)打開(kāi)，從而改變壓縮機(jī)出口氣體流動(dòng)，使得出口氣體流動(dòng)值與壓力值相協(xié)調(diào)。

最后，注重壓縮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，及時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)壓縮機(jī)有發(fā)生喘振現(xiàn)象的傾向時(shí)，對(duì)比壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，分析防喘振曲線與系統(tǒng)入口流量、壓力的變化，準(zhǔn)確判斷防喘振點(diǎn)，并對(duì)此做出適當(dāng)調(diào)整，可起到遠(yuǎn)離防喘振區(qū)域的目的。

3.4 壓縮機(jī)喘振保護(hù)系統(tǒng)的部件選擇

在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)喘振保護(hù)系統(tǒng)方案中，首要考慮的是保護(hù)系統(tǒng)的主要部件，了解各部件的基本功能與參數(shù)設(shè)置，用以判斷喘振現(xiàn)象的突發(fā)情況。具體措施如圖2。

一是主要功能型部件的選擇。入口流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等作為喘振保護(hù)系統(tǒng)的功能型部件，使用者需要掌握基本用途，并分情況定期使用部件。當(dāng)壓縮機(jī)處于快速喘振反應(yīng)階段時(shí)，可利用入口流量計(jì)或出口壓力儀表來(lái)判斷喘振控制系統(tǒng)的工藝信號(hào)，應(yīng)選擇響應(yīng)時(shí)間快的儀表，以滿足防喘振保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度要求；流量計(jì)主要有文丘里、插入式流量計(jì)和孔板等幾種類型。當(dāng)壓縮機(jī)的入口壓力較小時(shí)，文丘里和插入式流量計(jì)的使用可準(zhǔn)確指出壓縮機(jī)入口流量的計(jì)量數(shù)值，避免了孔板流量計(jì)設(shè)備的壓降失誤問(wèn)題；當(dāng)入口壓力較高時(shí)，可使用孔板流量計(jì)。當(dāng)壓縮機(jī)壓力接近0.1MPa時(shí)，應(yīng)選用絕對(duì)壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)壓力值的高低情況；另外，壓力和溫度信號(hào)的檢測(cè)還主要應(yīng)用于壓縮機(jī)流量校正，即對(duì)流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，在壓縮機(jī)入出口安裝溫度傳感器（推薦智能型溫度傳感器），了解壓縮機(jī)工藝系統(tǒng)的溫度變化，便于加快喘振現(xiàn)象測(cè)量速度。

二是防喘振控制調(diào)節(jié)閥的選擇。在壓縮機(jī)防喘振的保護(hù)過(guò)程中，利用線性、等百分比的調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)控喘振狀態(tài)，判斷CV值的大小，確保喘振控制閥門(mén)的開(kāi)度。一般情況下，等百分比調(diào)節(jié)閥的使用更加廣泛，用于喘振控制的概率也更高。

三是止回閥的選擇。壓縮機(jī)的止回閥一般推薦無(wú)沖擊式類型，為預(yù)防喘振現(xiàn)象做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，壓縮機(jī)作為工業(yè)領(lǐng)域重要機(jī)械設(shè)備，有效解決喘振問(wèn)題是其必要措施，具有實(shí)際意義。在壓縮機(jī)應(yīng)用過(guò)程中，明確壓縮機(jī)的喘振機(jī)理及影響因素，做好壓縮機(jī)喘振點(diǎn)的判斷，并利用喘振控制技術(shù)與常規(guī)操作方法，科學(xué)選擇壓縮機(jī)喘振保護(hù)系統(tǒng)的主要部件，以完善喘振控制及保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。為避免壓縮機(jī)運(yùn)行安全事件，關(guān)于防喘振的研究仍需不斷努力，通過(guò)更加合理化的控制策略，提升壓縮機(jī)的使用效率。

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