離心壓縮機(jī)防喘振控制方法的研究及應(yīng)用

王園園

摘要：對(duì)離心壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象和傳統(tǒng)的防喘振控制方法進(jìn)行研究，分別采用變?cè)鲆娉?shù)和變積分常數(shù)PID調(diào)節(jié)的方法對(duì)離心壓縮機(jī)防喘振控制進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并討論兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于變?cè)鲆娉?shù)和變積分常數(shù)結(jié)合的PID調(diào)節(jié)離心壓縮機(jī)防喘振的新方法。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明該方法有效地克服了變?cè)鲆娉?shù)法易擾動(dòng)的不足和變?cè)鲆娣e分常數(shù)法易滯后的缺點(diǎn)，提高了離心壓縮機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)性能。

關(guān)鍵詞：離心壓縮機(jī)；防喘振；可編程控制器；增益常數(shù)；積分常數(shù)

在石油、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)中，離心壓縮機(jī)以它平穩(wěn)高效得到了廣泛應(yīng)用，它們?cè)谏a(chǎn)中起著重要作用。喘振現(xiàn)象是離心壓縮機(jī)的固有特性，它在壓機(jī)入口流量低于最小流量時(shí)發(fā)生，輕則造成壓縮機(jī)停機(jī)，中斷生產(chǎn)過程造成經(jīng)濟(jì)損失；重則造成壓縮機(jī)葉片損壞，引起壓縮機(jī)設(shè)備報(bào)廢，造成人員傷害。因此，喘振現(xiàn)象具有嚴(yán)重的破壞性。如何在離心壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中，有效控制和保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，防止喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生，具有重大意義。

1風(fēng)機(jī)的喘振機(jī)理及現(xiàn)象

從壓縮風(fēng)機(jī)特性曲線中可以看出，風(fēng)機(jī)工作特性曲線分成兩個(gè)區(qū)，一個(gè)為穩(wěn)定區(qū)，另一個(gè)為不穩(wěn)定區(qū)。喘振發(fā)生在不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。喘振是系統(tǒng)受的阻力因某種原因升高到一定值時(shí)，工況點(diǎn)從A點(diǎn)突然移到B點(diǎn)，排氣壓力達(dá)到最大值，在葉片上產(chǎn)生脫流現(xiàn)象，工況點(diǎn)又迅速移到負(fù)流量下的C點(diǎn)，然后迅速降到D點(diǎn)再瞬間移到A點(diǎn)，于是壓縮機(jī)的工作狀態(tài)就會(huì)出現(xiàn)周而復(fù)始的循環(huán)，導(dǎo)致壓縮機(jī)無法運(yùn)行在正常工況點(diǎn)。喘振是透平機(jī)械的固有特性，是壓縮機(jī)在低流量的條件下，葉片上產(chǎn)生氣流脫離形成的脈動(dòng)流與出口管網(wǎng)的氣阻之間形成的振蕩現(xiàn)象。氣流脈動(dòng)和機(jī)內(nèi)溫度上升會(huì)危及葉片和軸承的正常工作，壓縮機(jī)內(nèi)的氣流和附屬管網(wǎng)的壓力和流量脈動(dòng)可能發(fā)展成增幅振蕩，形成周期性的氣流倒流和排出氣體壓力時(shí)高時(shí)低的現(xiàn)象，并產(chǎn)生巨大的噪聲和急劇的溫升。流量和壓力的大幅振蕩會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)從正的流量特性躍變到負(fù)的流量特性，使其運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)入逆流工況。由于壓縮機(jī)本身具有喘振、失速的特性，所以在實(shí)際操作中必須采用防喘振控制和安全保護(hù)措施，使壓縮機(jī)工作在穩(wěn)定的工作區(qū)。因此，防喘振控制是壓縮機(jī)正常工作的關(guān)鍵。

2防喘振的控制原理

防喘振控制的目的就是要始終保證工況點(diǎn)運(yùn)行在防喘振線以下的安全區(qū)域內(nèi)。從喘振的形成過程可以看出，在一定的排氣壓力下，防止壓縮機(jī)流量過小就能避免喘振發(fā)生。降低系統(tǒng)阻力是避免喘振的一項(xiàng)重要措施，然而工藝管網(wǎng)的阻力是一定的，所以實(shí)際中采用降低排氣壓力（放空）來增大壓縮機(jī)流量，消除喘振。根據(jù)這一要求防喘振閥通常選為氣關(guān)閥，并且要求快開慢關(guān)，快開速度約2s，慢關(guān)要求10s。防喘振控制就是利用這一原理，來設(shè)置防喘振線，防止喘振的發(fā)生。因喘振是一個(gè)迅速產(chǎn)生的過程，從最大流量到反向流動(dòng)只需0。04s，又因喘振受機(jī)組本身因素和管網(wǎng)壓力等因素的影響，其過程復(fù)雜難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以喘振線無法準(zhǔn)確地計(jì)算和檢測(cè)。工程實(shí)際中常利用實(shí)測(cè)法得到喘振線。因出口流量是壓縮機(jī)入口壓差（喉部壓差）的函數(shù)f（$p），而實(shí)際中采用的方法是實(shí)測(cè)出壓縮機(jī)喉部壓差$p與排氣壓力p的函數(shù)關(guān)系，得出壓縮機(jī)的特性曲線和喘振曲線，即在不同的喉部壓差下，測(cè)量對(duì)應(yīng)的喘振壓力，將測(cè)量的點(diǎn)用折線連接即可繪出橫坐標(biāo)為喉部差壓，縱坐標(biāo)為排氣壓力的曲線，稱為該機(jī)組的喘振線。為了安全實(shí)際中將喘振線縱坐標(biāo)參數(shù)下移3%作為喘振裕度（即放空線），工況點(diǎn)在放空線以下，放空閥關(guān)閉，如果工況點(diǎn)在放空線以上，放空閥全開來防止喘振。實(shí)測(cè)喘振線縱坐標(biāo)參數(shù)下移8%得到該機(jī)組的防喘振線，當(dāng)出口壓力到達(dá)防喘振線時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)防喘振閥放風(fēng)，降低出口壓力防止喘振發(fā)生。因離心壓縮機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下性能線為近似的平行線，因而離心壓縮機(jī)的喘振線可近似地簡(jiǎn)化為二折線函數(shù)。實(shí)測(cè)點(diǎn)的選擇根據(jù)入口調(diào)節(jié)閥的線性，通常選壓差變送器44%處的點(diǎn)作為喘振點(diǎn)的一個(gè)重要的測(cè)試點(diǎn)。

3防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1喘振線的計(jì)算

喘振線是設(shè)計(jì)防喘振控制系統(tǒng)的依據(jù)，喘振線的計(jì)算是設(shè)置防喘振線控制的關(guān)鍵。喘振線的計(jì)算是根據(jù)實(shí)測(cè)喘振點(diǎn)的出口壓力和壓縮機(jī)喉部差壓的關(guān)系，利用兩點(diǎn)法分別計(jì)算出各段喘振線的斜率k1和k2，然后結(jié)合截距法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的截距b1和b2，再分別利用直線公式得到該機(jī)組的喘振線。

3.2防喘振線的計(jì)算

防喘振線的計(jì)算如圖1所示，控制系統(tǒng)采集當(dāng)前的喉部壓差$p，經(jīng)入口溫度t和設(shè)計(jì)溫度td轉(zhuǎn)化為絕對(duì)溫度的補(bǔ)償后得到$p1，再根據(jù)當(dāng)前喉部壓差所處的位置來選取對(duì)應(yīng)的斜率和截距k1、b1或k2、b2。該斜率k乘以當(dāng)前壓縮機(jī)的喉部差壓，加上截距b再乘以0。92的系數(shù)，就得到當(dāng)前點(diǎn)的計(jì)算出口壓力p1。因而，每一個(gè)工況點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算所得到的防喘振點(diǎn)，這些防喘振點(diǎn)的連線就形成防喘振線。防喘振調(diào)節(jié)就是將當(dāng)前點(diǎn)的計(jì)算出口壓力p1作為PID調(diào)節(jié)的設(shè)定值SP1，當(dāng)前點(diǎn)的實(shí)際出口壓力p作為檢測(cè)值PV1，經(jīng)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)來控制防喘振閥開度的大小，達(dá)到預(yù)防喘振的效果。防喘振線是一個(gè)動(dòng)態(tài)折線，隨著壓縮機(jī)喉部壓差的變化而動(dòng)態(tài)的變化，其調(diào)節(jié)過程也是一個(gè)動(dòng)態(tài)折線的響應(yīng)過程。

圖1 防喘振線的計(jì)算模塊

3.3防喘振控制系統(tǒng)

防喘振控制系統(tǒng)是通過西門子S7-300可編程控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)的。將設(shè)定值和檢測(cè)值各自除以其對(duì)應(yīng)的量程（定標(biāo)）后，經(jīng)PID處理完成自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)快開慢關(guān)的功能，系統(tǒng)采用變?cè)鲆娉?shù)和變積分常數(shù)結(jié)合的PID調(diào)節(jié)方法。當(dāng)設(shè)定值壓力SP1大于等于出口壓力PV1時(shí)，將增益常數(shù)K3和積分常數(shù)K5輸入PID，當(dāng)設(shè)定值壓力SP1小于出口壓力PV1時(shí)，將增益常數(shù)K4和積分常數(shù)K6輸入PID。當(dāng)壓縮機(jī)組處于正常的工作情況時(shí)，防喘振閥處于關(guān)閉狀態(tài)。若壓縮機(jī)工作點(diǎn)接近防喘振線時(shí)，控制系統(tǒng)將根據(jù)其計(jì)算的當(dāng)前設(shè)定值和測(cè)量值的偏差來自動(dòng)調(diào)節(jié)防喘振閥進(jìn)行放風(fēng)，以降低壓縮機(jī)的出口壓力，使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線，保證機(jī)組工況點(diǎn)不至于到達(dá)喘振點(diǎn)。若自動(dòng)調(diào)節(jié)還不能消除喘振，當(dāng)排氣壓力升至放空線（0.97SP1）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)給一個(gè)值0，防喘振閥全開，進(jìn)行放空，并設(shè)置出口壓力過高聯(lián)鎖停機(jī)信號(hào)，以便在確實(shí)發(fā)生喘振的情況下執(zhí)行放空和停機(jī)聯(lián)鎖，確保機(jī)組絕對(duì)安全。壓縮機(jī)的入口設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，對(duì)風(fēng)壓的調(diào)節(jié)通常是通過調(diào)整入口閥的開度來實(shí)現(xiàn)的。若需要小風(fēng)壓調(diào)節(jié)時(shí)，也可以通過人為手動(dòng)給定值來調(diào)節(jié)防喘振閥的開度，調(diào)節(jié)出口風(fēng)壓，且手動(dòng)值自動(dòng)跟蹤PID的調(diào)節(jié)輸出MV。在自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出值MV和手動(dòng)給定值之間設(shè)有低選功能模塊手動(dòng)值的給定始終受到自動(dòng)值的跟蹤和保護(hù)，若手動(dòng)值大于自動(dòng)調(diào)節(jié)的輸出，系統(tǒng)自動(dòng)選擇自動(dòng)值輸出。這一功能有效地防止了誤操作，保證了系統(tǒng)的安全性。

4結(jié)論

本文結(jié)合離心壓縮機(jī)喘振的特點(diǎn)和工藝實(shí)際要求，在可靠地保護(hù)壓縮機(jī)安全性能的前提下，利用變?cè)鲆娉?shù)和變積分常數(shù)相結(jié)合的PID調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)離心壓縮機(jī)的防喘振控制。改變了傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的固有模式，使調(diào)節(jié)更加靈活、方便，提高了離心壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是一種較為完善的離心壓縮機(jī)喘振控制方法。仿真結(jié)果也表明此方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，尤其在實(shí)現(xiàn)防喘振的快開慢關(guān)功能中發(fā)揮了重要的作用，達(dá)到了預(yù)期的目的。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：天津聯(lián)維乙烯工程有限公司）