離心式壓縮機(jī)防喘振智能控制系統(tǒng)研究

韓永，林樂，趙惠

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要技術(shù)設(shè)備之一，離心式壓縮機(jī)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)不言而喻。在當(dāng)前工業(yè)節(jié)奏發(fā)展持續(xù)加快的形勢(shì)下，必須客觀審視離心式壓縮機(jī)喘振問題出現(xiàn)的機(jī)理及特性，并通過構(gòu)建性能穩(wěn)定的防喘振智能控制系統(tǒng)，將喘振所造成的不良影響控制在合理范圍內(nèi)。本文就此展開了探討。

1 壓縮機(jī)防喘振機(jī)理及特性分析

離心式壓縮機(jī)是一種常用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備裝置，用來壓縮和傳送工業(yè)生產(chǎn)中的各類氣體。它通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，將中心部位的氣體通過離心力作用為氣體賦予較大離心速度，再通過擴(kuò)壓器將氣體速度能轉(zhuǎn)換成為壓力能。同時(shí)，葉輪的中心部位形成負(fù)壓區(qū)，可將氣體連續(xù)不斷地吸入流道，完成對(duì)氣體的升壓和連續(xù)輸送過程。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，離心式壓縮機(jī)的整體性能得以顯著優(yōu)化提升，所占空間更小，結(jié)構(gòu)樣式更科學(xué)，氣體傳送量更大，運(yùn)行過程更加平穩(wěn)。喘振問題是離心式壓縮機(jī)的固有特性，是壓縮機(jī)工作狀態(tài)失衡失穩(wěn)的具體表象特征，嚴(yán)重情況下會(huì)造成氣體流動(dòng)方向出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)，加快壓縮機(jī)磨損進(jìn)程，縮短壓縮機(jī)使用壽命，因此必須高度重視喘振控制問題。長(zhǎng)期以來，廣大生產(chǎn)性單位在離心式壓縮機(jī)防喘振方面進(jìn)行了大量有益探索，在防喘振智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用方面取得了令人矚目的現(xiàn)實(shí)成就，積累了豐富而寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。盡管如此，隨著離心式壓縮機(jī)應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜與應(yīng)用強(qiáng)度的不斷提高，其防喘振控制系統(tǒng)依舊面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)與考驗(yàn)，創(chuàng)新防喘振智能控制系統(tǒng)應(yīng)用成效，為離心式壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行營(yíng)造良好條件，任重而道遠(yuǎn)。

2 離心式壓縮機(jī)喘振故障原因分析

2.1 壓縮機(jī)葉輪磨損或者黏附物太多

葉輪是離心式壓縮機(jī)的關(guān)鍵組成部分，主要通過自身曲線槽結(jié)構(gòu)和快速旋轉(zhuǎn)來形成強(qiáng)大離心力，其性能好壞直接關(guān)系到壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。由于葉輪通常處于高強(qiáng)度、連續(xù)性的工況狀況中，因此其遭受到的外來應(yīng)力干擾相對(duì)較多，若其磨損程度較高，或黏附了過多雜質(zhì)，則其曲線槽結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)被動(dòng)變化，自身轉(zhuǎn)動(dòng)能力系數(shù)下降，影響離心力的有效形成，打破了離心式壓縮機(jī)的平衡穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，造成喘振。研究表明，葉輪磨損程度越高，或黏附的雜質(zhì)數(shù)量越多，則其喘振問題則越發(fā)突出。

2.2 壓縮機(jī)擴(kuò)壓器腐蝕磨損

與葉輪相類似，擴(kuò)壓器同樣在離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可通過其自身具有的特定曲線腔壁對(duì)內(nèi)部空氣流動(dòng)進(jìn)行再次擴(kuò)壓，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)頻率，保證離心式壓縮機(jī)順利完成工作。在外力的長(zhǎng)期作用下，加之材質(zhì)、強(qiáng)度、環(huán)境、維護(hù)等方面的影響，壓縮機(jī)擴(kuò)壓器同樣會(huì)出現(xiàn)腐蝕磨損問題，使得氣體漩渦問題頻發(fā)，阻礙氣體順利進(jìn)入，并導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)壓，造成喘振。

2.3 葉輪與擴(kuò)壓器之間的間隙變化

離心式壓縮機(jī)是一種專業(yè)性與特殊性較強(qiáng)的工業(yè)設(shè)備，對(duì)零部件之間的配合精度具有較高要求。通常情況下，應(yīng)根據(jù)離心式壓縮機(jī)的性能、工況、運(yùn)行要求等因素，在葉輪與擴(kuò)壓器之間設(shè)定合理間隙，以滿足壓縮機(jī)內(nèi)部空氣流通需求。部分離心式壓縮機(jī)在葉輪與擴(kuò)壓器之間所設(shè)置的間隙大小尺寸不科學(xué)，對(duì)內(nèi)部氣體的流動(dòng)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，間隙過大容易造成泄氣、漏氣、串氣，而間隙過小則容易導(dǎo)致氣體流量降低，無法形成特定壓縮效果，輸出壓力喪失基礎(chǔ)保障，進(jìn)而形成喘振。

2.4 壓縮機(jī)進(jìn)氣口溫度變化

離心式壓縮機(jī)進(jìn)氣口溫度的變化屬于典型的客觀因素。在既有技術(shù)條件下，離心式壓縮機(jī)需在特定溫度與特定大氣壓下完成氣體壓縮全過程，但實(shí)際上進(jìn)氣口溫度隨時(shí)處于變化之中，因此這種相對(duì)理想的狀態(tài)是難以達(dá)到的。當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)氣口溫度升高，則其工藝氣體密度隨之降低，氣流量減少，阻礙著壓縮機(jī)內(nèi)部壓力的有序輸出，導(dǎo)致喘振。這也直接證明了離心式壓縮機(jī)在溫度相對(duì)較高的環(huán)境中比低溫環(huán)境更容易出現(xiàn)喘振。

3 離心式壓縮機(jī)防喘振智能控制系統(tǒng)研究

3.1 智能控制系統(tǒng)功能需求分析

由于離心式壓縮機(jī)處于連續(xù)性工況運(yùn)行狀態(tài)，因此在防喘振智能控制系統(tǒng)應(yīng)用中必須建立適用的數(shù)學(xué)模型，以精準(zhǔn)獲取壓縮機(jī)喘振點(diǎn)，并在部分情況下確保防喘振閥能夠有效達(dá)到全開狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)整氣體氣流調(diào)節(jié)作用。為提高防喘振智能控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需增設(shè)適配增益功能，有效調(diào)節(jié)閥門啟閉速率。壓縮機(jī)防喘振的工作區(qū)域相對(duì)較小，這意味著必須對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行智能管控，通過優(yōu)化調(diào)整工作點(diǎn)與防喘振工作區(qū)域的相對(duì)位置，降低智能控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的執(zhí)行偏差。此外，比例超馳同樣是智能控制系統(tǒng)需要具備的重要功能之一，在控制器控制作用微弱的情況下，相對(duì)獨(dú)立地調(diào)控防喘振閥。

3.2 防喘振控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以離心式壓縮機(jī)的各項(xiàng)基本性能參數(shù)為基礎(chǔ)，測(cè)定其運(yùn)行特性曲線，獲取喘振工況狀態(tài)下的各類數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，得到離心式壓縮機(jī)喘振點(diǎn)。根據(jù)離心式壓縮機(jī)可能導(dǎo)致喘振的諸多要素，形成喘振點(diǎn)控制區(qū)域，滿足其防喘振的各項(xiàng)功能需求。對(duì)部分相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)工作模塊進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行線性優(yōu)化調(diào)整，提高防喘振智能控制過程中的針對(duì)性和有效性。在此過程中，需精準(zhǔn)掌握壓縮機(jī)出入口壓力的絕對(duì)值，在空氣流通量恒定狀態(tài)下，建立線性方程，防止壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)容易出現(xiàn)的間斷性喘振問題。

3.3 系統(tǒng)功能初步設(shè)計(jì)

首先按照離心式壓縮機(jī)壓力與溫度等各項(xiàng)額定參數(shù)，在選定數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立空氣流量與壓力存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的坐標(biāo)系，為坐標(biāo)系中橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)分別賦予不同數(shù)值，精準(zhǔn)反映二者之間的相互影響關(guān)系與邏輯關(guān)系。其次在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行控制線設(shè)計(jì)，主要包括離心式壓縮機(jī)徘徊線、防喘振線、比例控制線、快開線等，盡管不同的控制線具有不同的指導(dǎo)意義，所形成的細(xì)部設(shè)計(jì)價(jià)值有所差異，但可在多種智能控制方式下優(yōu)化離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，將可能出現(xiàn)的各種喘振現(xiàn)象消除在萌芽階段，形成多重智能性功能保護(hù)。

3.4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

為提高離心式壓縮機(jī)防喘振智能控制系統(tǒng)運(yùn)行效果，必須對(duì)各項(xiàng)組成程序進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)具體功能做出有效說明與標(biāo)注。在特定程序塊開發(fā)軟件平臺(tái)中，可將智能控制系統(tǒng)細(xì)化分為：喘振線函數(shù)，用于通過壓縮機(jī)壓比獲取喘振點(diǎn)；電磁閥啟閉模塊，用于向電磁閥發(fā)出啟閉信號(hào)，根據(jù)壓縮機(jī)工況條件，控制電磁閥的隨時(shí)啟閉；工作點(diǎn)顏色模塊，用于控制工作點(diǎn)顏色，根據(jù)不同顏色的定義，協(xié)調(diào)實(shí)際偏置與總安全偏置的關(guān)系；徘徊點(diǎn)計(jì)算模塊，用于實(shí)現(xiàn)喘振控制設(shè)定點(diǎn)的徘徊功能；自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊，為智能控制系統(tǒng)提供自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，完成適配增益與不對(duì)稱響應(yīng)；重矯正模塊，用于喘振發(fā)生后對(duì)安全偏置進(jìn)行重新矯正。此外，還有總安全偏置模塊、喘振超馳模塊、喘振PID 模塊等，實(shí)現(xiàn)各自相應(yīng)功能。

3.5 智能防喘振控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

調(diào)試運(yùn)行環(huán)節(jié)是離心式壓縮機(jī)防喘振智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，主要目的在于查找發(fā)現(xiàn)存在于系統(tǒng)內(nèi)部的薄弱之處，找準(zhǔn)容易出現(xiàn)運(yùn)行故障的具體點(diǎn)位，并采取特定技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)化與強(qiáng)化。通常情況下，防喘振智能控制系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行平臺(tái)可采用AB ControlLogix平臺(tái)，其穩(wěn)定性好，運(yùn)行速度快，運(yùn)算效率高，可在更短的時(shí)間內(nèi)完成更多調(diào)試任務(wù)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)主循環(huán)控制回路的定向掃描控制。

4 結(jié)語

綜上所述，受技術(shù)方法、行為理念、管理模式等方面的影響，離心式壓縮機(jī)防喘振智能控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程依舊存在著諸多方面的缺陷與不足，制約著離心式壓縮機(jī)整體應(yīng)用性能的優(yōu)化提升。因此，技術(shù)人員應(yīng)該從離心式壓縮機(jī)的客觀實(shí)際應(yīng)用環(huán)境與需求出發(fā)，充分遵循防喘振智能控制系統(tǒng)的基本應(yīng)用規(guī)律，創(chuàng)新思維方法，強(qiáng)化技術(shù)措施，切實(shí)優(yōu)化離心式壓縮機(jī)應(yīng)用條件，將喘振造成的不良影響降到最低，為保障工業(yè)生產(chǎn)順利有序進(jìn)行奠定基礎(chǔ)，為促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航。