基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的閉式回路試驗系統(tǒng)及應(yīng)用

摘要：介紹了一種基于國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的閉式回路試驗系統(tǒng)及應(yīng)用，建立和應(yīng)用此系統(tǒng)的目的是考核該壓縮機(jī)產(chǎn)品設(shè)計、加工制造質(zhì)量、氣動性能指標(biāo)等是否滿足要求，繪制出氣動性能曲線和喘振線，為現(xiàn)場配套的控制系統(tǒng)提供防喘振依據(jù)及性能參數(shù)設(shè)定依據(jù)。應(yīng)用基于ASME PTC10-1997標(biāo)準(zhǔn)的試驗系統(tǒng)，如采用代氣體在閉式回路試驗系統(tǒng)進(jìn)行試驗，首先計算出待檢測產(chǎn)品馬赫數(shù)和雷諾數(shù)偏差是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，然后取70%Nt、80%Nt、90%Nt、100%Nt和105%Nt轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗，每個工況點待溫度穩(wěn)定后（大約需30分鐘）進(jìn)行記錄。在不超多15分鐘內(nèi)均勻定時讀取4組或更多組讀數(shù)，得出各個轉(zhuǎn)速下的全性能曲線，繪制出最佳性能曲線和喘振線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)考核，得出正確的結(jié)果，滿足合同要求。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)；實驗系統(tǒng)；喘振線

1. 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

ASME PTC10-1997標(biāo)準(zhǔn)【1】規(guī)定有2種試驗型式，Ⅰ型試驗通常不使用，因為它需要使用指定氣體和指定條件，一般來說壓縮機(jī)組在用戶現(xiàn)場運(yùn)行的工作介質(zhì)為原料氣多組份混合氣體，在制造廠進(jìn)行的氣動性能試驗，不具備真實氣體的條件，故不能滿足ASME PTC-10中Ⅰ類試驗的條件，因此選擇Ⅱ型試驗。

在不能滿足ASME PTC-10中Ⅰ類試驗的條件下，ASME PTC-10規(guī)定了Ⅱ類型試驗，Ⅱ型試驗采用相當(dāng)于一個用不同測試氣體（二氧化碳、氮?dú)狻134a、空氣等）的恒速試驗。即試驗氣體和運(yùn)轉(zhuǎn)條件都與設(shè)計不同的試驗，但是必須滿足試驗條件與設(shè)計運(yùn)轉(zhuǎn)條件之間允許的偏差范圍。國內(nèi)通常會采用價格低廉的氮?dú)庾鳛榇脷怏w。

ASME PTC10-1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ⅱ類型試驗，試驗運(yùn)轉(zhuǎn)條件與設(shè)計運(yùn)轉(zhuǎn)條件之間參數(shù)允許偏差值（表1）

試驗條件與設(shè)計條件馬赫數(shù)的偏差范圍【1】規(guī)定如下：

試驗條件與設(shè)計條件雷諾數(shù)的偏差【1】規(guī)定如下：

2. 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1主管網(wǎng)系統(tǒng)級輔助系統(tǒng)

主系統(tǒng)由試驗壓縮機(jī)、變速機(jī)、液力偶合器、進(jìn)、出口管路，進(jìn)口管路上設(shè)置有測量流量的孔板，出口管路上設(shè)置由調(diào)節(jié)流量的閥門、冷卻器、放空閥等，出口氣體經(jīng)冷卻器冷卻后回到壓縮機(jī)進(jìn)口，進(jìn)口管路與出口管路相連，形成一個閉式循環(huán)系統(tǒng)。

輔助系統(tǒng)包括液氮儲罐、液氮泵、蒸發(fā)器、氣體壓縮機(jī)、高壓儲氣罐、補(bǔ)加氣調(diào)節(jié)裝置等。

監(jiān)控系統(tǒng)包括PLC控制器（下位機(jī)），操作站、工程師站。

2.2測量參數(shù)及測點布置

氣動性能測量參數(shù)：進(jìn)、出口壓力，進(jìn)、出口溫度，流量（孔板壓差），上游壓力，上游溫度，轉(zhuǎn)速和平衡氣管流量、上游壓力、上游溫度測量等。測點位置在ASME-PTC10標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定。進(jìn)、出氣試驗管路上應(yīng)分別設(shè)有供測量靜壓和溫度的測量孔。在管路指定的同一截面壁上，沿圓周方向均布鉆4個孔。測溫孔與測靜壓的孔等距錯開45°。測量時如截面測點出現(xiàn)問題盡可能采取措施進(jìn)行排除，實在無法排除時每一截面力爭保證3個測點。氣體溫度采用Pt100鉑電阻測量。壓力可用精密壓力表或壓力變送器測量。流量由孔板、差壓計測定。功率采用熱平衡法確定，輻射損失可用機(jī)殼表面積計算方法確定，轉(zhuǎn)速可采用磁電脈沖式轉(zhuǎn)速表或便攜式數(shù)字轉(zhuǎn)速表測量。

2.3監(jiān)控系統(tǒng)【3】

2.3.1功能模塊

下位機(jī)功能主要分為四個模塊：（1） 裝置ESD：包括機(jī)組的啟車停車、報警聯(lián)鎖、報警記錄、油泵的控制。此模塊按照機(jī)組的不同做了劃分，一個機(jī)組占一個程序塊。（2） 調(diào)速模塊：壓縮機(jī)的原動機(jī)有汽輪機(jī)和電機(jī)兩種，汽輪機(jī)采用調(diào)速器調(diào)速，電機(jī)一般采用變頻調(diào)速。此模塊可用于調(diào)速，也可用于恒速使用。（3）SOE模塊：能夠?qū)⒀b置發(fā)生的各種事件按時間順序記錄下來，精確到毫秒級。

2.3.2安全系統(tǒng)

三個安全等級：（1） 操作員：只能對下位機(jī)的邏輯進(jìn)行在線監(jiān)測；（2） 調(diào)試工程師：可以對系統(tǒng)內(nèi)部點進(jìn)行強(qiáng)制，可以對程序進(jìn)行部分下裝，不能中止系統(tǒng)運(yùn)行。（3） 系統(tǒng)工程師：具有最高權(quán)限，可以對程序進(jìn)行全部下裝，可以停止控制器。上位機(jī)也分三個安全等級：（1） 操作員：對系統(tǒng)進(jìn)行最基本的操作，如開關(guān)閥、各種查詢、監(jiān)控。（2） 裝置工程師：可以進(jìn)行聯(lián)鎖切除。（3） 儀表工程師：可以修改報警、聯(lián)鎖參數(shù)、PID參數(shù)等

2.3.3軟件功能【4】

采用組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，首先利用I/O驅(qū)動取得數(shù)據(jù)送入PDB中并在畫面上顯示；能在畫面上手工輸入一些設(shè)定值及控制器參數(shù)；報警及操作記錄存入數(shù)據(jù)庫已備查詢；一些重要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫用于歷史趨勢瀏覽以及生成報表等。

2.3.4監(jiān)控畫面：

開車條件畫面：有開車條件和盤車條件，條件中當(dāng)各條件的實時值滿足設(shè)定值時，狀態(tài)燈變綠。當(dāng)所有條件的狀態(tài)燈都變綠時，允許啟動燈會變亮，系統(tǒng)允許機(jī)組啟動。該畫面中可以對盤車電磁閥進(jìn)行控制。畫面右上角是登錄控件。點擊登錄按鈕后，彈出對話框，輸入正確的用戶名和密碼，會得到權(quán)限，顯示在按鈕下方。注銷點擊注銷按鈕。圖中是系統(tǒng)開車之前允許啟動的界面狀態(tài)。工藝流程畫面：包括壓縮機(jī)氣路畫面，油路畫面，原動機(jī)畫面，軸系監(jiān)測畫面，干氣密封畫面。進(jìn)入工藝流程畫面中可完整地看到機(jī)組本體的運(yùn)行情況，并且顯示有測點的數(shù)據(jù)。在工藝流程各個畫面，先點擊測點，再點擊畫面上方頁眉中的趨勢按鈕，就會彈出單點的實時趨勢，從實時趨勢可以切換到歷史趨勢。報警、聯(lián)鎖畫面：起車后各參數(shù)必須保證在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，一旦超出正常值，就會產(chǎn)生報警或者聯(lián)鎖。為了操作人員能及時了解產(chǎn)生故障的原因，上位機(jī)設(shè)計了報警、聯(lián)鎖畫面。在這兩幅畫面中可以方便的查找到產(chǎn)生報警或聯(lián)鎖的監(jiān)測點，并且能夠查詢到測點的狀態(tài)信息，包括當(dāng)前測量值， 報警設(shè)定值，聯(lián)鎖設(shè)定值。各測點的報警值、聯(lián)鎖值均可進(jìn)行新的設(shè)定。通過點擊“聯(lián)鎖畫面”中的“聯(lián)鎖記憶”按鈕能夠進(jìn)入機(jī)組的聯(lián)鎖記憶畫面，準(zhǔn)確地得到聯(lián)鎖時的數(shù)據(jù)。（4）調(diào)速畫面：用于壓縮機(jī)組啟動升速，當(dāng)系統(tǒng)需要啟動時打開“開車條件”畫面，再打開“調(diào)速畫面”，在中控室開車按“啟動”按鈕（按一下即可），即進(jìn)入暖機(jī)模式，，當(dāng)按下升速按鈕后，轉(zhuǎn)速設(shè)定點值為暖機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到臨界區(qū)內(nèi)，將自動高速通過，不受手動影響，此時模式為“加速”，轉(zhuǎn)速設(shè)定點為最小工作轉(zhuǎn)速。若要做超速試驗，應(yīng)在運(yùn)行模式下，先按允許超速（一次），再一直按住“超速試驗”按鈕，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到聯(lián)鎖值時，即發(fā)生電子跳閘，超速試驗完成。

3.系統(tǒng)應(yīng)用程序

3.1確定試驗方案

3.1.1比較試驗條件和設(shè)計條件比容比、馬赫數(shù)和雷諾數(shù)，是否符合ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相似條件。比如：

通過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和機(jī)組的設(shè)計參數(shù)做出試驗條件與設(shè)計條件下馬赫數(shù)的差、雷諾數(shù)的比范圍如表4：

根據(jù)以上計算結(jié)果分析， 該壓縮機(jī)以氮?dú)鉃榇脷怏w的熱力性能試驗，滿足ASME PTC10標(biāo)準(zhǔn)的相似條件；試驗壓力和溫度不超過壓縮機(jī)最大允許的壓力和溫度。試驗的轉(zhuǎn)速不超過壓縮機(jī)安全運(yùn)行轉(zhuǎn)速。在此條件下的性能試驗，將會得到可靠的試驗結(jié)果。

3.1.2當(dāng)量轉(zhuǎn)速【2】的確定：

3.1.3根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布置測點，選擇必測參數(shù)。

3.2啟車前必要準(zhǔn)備

試驗用儀器儀表試驗之前，經(jīng)計量部門檢定，保證在合格有效期內(nèi)，從而保證測量數(shù)據(jù)的真實可靠。所用儀表應(yīng)編制唯一編號，并且在測試時與采集系統(tǒng)一一對應(yīng)。

3.2.1向回路充入代用氣

液氮由液氮槽車送入液氮儲氣罐，液氮儲氣罐中液氮經(jīng)液氮泵輸送到蒸發(fā)器中，經(jīng)蒸發(fā)器充入高壓儲氣罐中，再由高壓儲氣罐經(jīng)自動補(bǔ)加氣調(diào)節(jié)裝置送入閉式試驗管路中。

3.2.2置換氣體：

在氣體充入系統(tǒng)前必須去除閉式回路中的空氣，將管路中充入試驗氣體至0.2MPa放掉，進(jìn)行2次氣體置換，以保證試驗氣體純度達(dá)到98%以上。機(jī)組靜態(tài)時向閉式回路充入氮?dú)?，檢查各法蘭連接處，測試管線等不得有漏氣現(xiàn)象。達(dá)到試驗壓力后，啟動壓縮機(jī)，并逐漸緩慢調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速達(dá)到中的試驗轉(zhuǎn)速，此時出口閥全開。試驗前和試驗期間用氣相色譜分析儀進(jìn)行管路取樣成分分析。

3.3進(jìn)入試驗狀態(tài)

確認(rèn)機(jī)組正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘后，經(jīng)檢查證明機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和測量儀表正常后，進(jìn)入氣動性能試驗，整個試驗過程通過自動補(bǔ)氣裝置維持進(jìn)口壓力在試驗條件的壓力，通過冷卻器水量調(diào)節(jié)進(jìn)口氮?dú)鈿怏w溫度滿足試驗條件。入口壓力由補(bǔ)氣調(diào)節(jié)裝置根據(jù)設(shè)定的壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。所有操作過程需非常緩慢進(jìn)行，并同時觀察振動情況，若機(jī)組出現(xiàn)喘振現(xiàn)象則立刻停止壓力調(diào)節(jié)，迅速打開出口閥，在性能試驗全過程中，注意觀察所有機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的測試數(shù)據(jù)保證機(jī)組平穩(wěn)正常運(yùn)行。

3.3.1調(diào)節(jié)和記錄

在進(jìn)口壓力恒定的條件下，用出口閥來調(diào)節(jié)工況，工況點包括滯止流量點、設(shè)計點和喘振點等五個工況。每個工況點待溫度穩(wěn)定后（大約需30分鐘）進(jìn)行記錄。在不超多15分鐘內(nèi)均勻定時讀取4組或更多組讀數(shù)基礎(chǔ)上，溫度的穩(wěn)定性是指溫度的跳升不超過溫升的0.5%。

3.3.2喘振測試取樣原則

最小流量工況為喘振工況，要經(jīng)過至少兩次重復(fù)驗證.在上述測試中，為確定其喘振線，在保證機(jī)組安全正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在70%Nt、80%Nt、90%Nt、100%Nt和105%Nt情況下，進(jìn)行喘振線的測試。

3.3.3試驗完成

試驗完畢將出口調(diào)節(jié)閥門打開，并緩慢打開放空閥，壓力降至0.05MPa可停車。喘振流量工況測量是根據(jù)轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度等基本保持一定，逐漸減小流量時，所產(chǎn)生的壓力不穩(wěn)定或脈動來確定的。測量的可靠性應(yīng)由讀數(shù)的可重復(fù)性所證明。

3.4考核

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)滿足以下條件

1、在規(guī)定的運(yùn)行點能量頭和流量應(yīng)該為零或非負(fù)偏差，而在該點的功率不超過設(shè)計預(yù)期軸功率的104%。

2、分段能量頭-流量特性曲線從額定點到預(yù)計喘振點是連續(xù)上升的。

此案例考核結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.結(jié)束語

基于國際標(biāo)準(zhǔn)的試驗系統(tǒng)是考核出口產(chǎn)品設(shè)計、加工制造質(zhì)量、氣動性能指標(biāo)的必要設(shè)施。產(chǎn)品越多的走向國際市場，基于國際標(biāo)準(zhǔn)的試驗系統(tǒng)就應(yīng)該越多的建立并應(yīng)用于出廠前性能測試過程。消化掌握并貫徹應(yīng)用新標(biāo)準(zhǔn)，建立符合標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗系統(tǒng)是裝備制造行業(yè)共同的而且是永恒的任務(wù)，在學(xué)習(xí)、應(yīng)用、改進(jìn)、完善中提高，是獲得國際先進(jìn)水平的唯一途徑。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司）

作者簡介：毛靚華（1978.02.10），性別：女；籍貫：河北盧龍；民族：漢；學(xué)歷：本科，學(xué)士；職稱：高級工程師；職務(wù)：儀控設(shè)計室主任；研究方向：大中型機(jī)械控制及故障診斷技術(shù)。