淺談?wù)羝麎嚎s機(jī)防喘振控制方式

黃光明 饒 佳 鐘志輝

（中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南長沙，410004）

蒸汽壓縮機(jī)是制鹽或廢水處理蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)（MVR）中的大型增壓關(guān)鍵設(shè)備，作用是將低壓或低溫蒸汽加熱升溫，以達(dá)到工藝所需的壓力和溫度的要求。蒸汽壓縮機(jī)整體主要由壓縮系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和密封系統(tǒng)4 個基本單元組成[1-2]。蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過分離器去除蒸汽中的部分液體，然后再進(jìn)入壓縮機(jī)。由于蒸汽壓縮機(jī)工況區(qū)較窄，容易出現(xiàn)液擊、頻繁喘振、振動值超過極限導(dǎo)致跳車等連鎖保護(hù)和自動控制問題。為此，本文通過控制蒸汽壓縮機(jī)出口壓力和溫度等工藝參數(shù)、設(shè)置防喘振預(yù)警控制程序及喘振畫面報警等措施，以及增加回流管線等方式，在蒸汽壓縮機(jī)喘振情況出現(xiàn)時，DCS通過喘振預(yù)警程序及喘振畫面報警等方式提前發(fā)出喘振信號，當(dāng)喘振信號出現(xiàn)時，能自動開啟喘振閥門或手動開啟喘振閥門，以避免蒸汽壓縮機(jī)出現(xiàn)液擊和喘振等現(xiàn)象。

1 蒸汽壓縮機(jī)及其控制檢測系統(tǒng)的基本組成

蒸汽壓縮機(jī)主要由蒸汽壓縮機(jī)本體、高壓電機(jī)、潤滑油齒輪箱、油加熱器、油過濾器和油冷卻器等組成。本文以浙江某硫酸銨二期項目（以下稱本項目）為例，對蒸汽壓縮機(jī)的控制回路、保護(hù)措施及檢測點詳細(xì)情況進(jìn)行論述。本項目共有3臺（兩種不同類型）蒸汽壓縮機(jī)，蒸汽壓縮機(jī)入口流量分別為90 t/h、112 t/h、4 t/h，主要為MVR 系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程所需的蒸汽，蒸汽壓縮機(jī)工藝流程圖如圖1所示。具體如下：

（1）由蒸汽系統(tǒng)組成的回路控制。由入口蒸汽溫度、出口蒸汽溫度、入口蒸汽壓力、出口蒸汽壓力組成的控制檢測回路。

圖1 蒸汽壓縮機(jī)工藝流程圖

（2）由軸位移、軸振動和軸承溫度等檢測點組成的壓縮機(jī)機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)。

（3）由壓縮機(jī)潤滑油壓力開關(guān)、壓力變送器和過濾器壓差開關(guān)組成的防止?jié)櫥蛪毫^低，損壞壓縮機(jī)組的潤滑油壓力檢測報警和連鎖控制保護(hù)系統(tǒng)。

（4）由壓縮機(jī)油箱溫度測點、供油溫度測點、油加熱器組成的潤滑油油溫檢測和保護(hù)系統(tǒng)。

（5）由回流管線上的防喘閥門（回流閥門）構(gòu)成的防喘振控制回路及手動放空閥構(gòu)成的降低出口管線壓力緩解壓縮機(jī)喘振的措施。

2 蒸汽壓縮機(jī)喘振原因和控制方式

2.1 蒸汽壓縮機(jī)防喘振方式

蒸汽壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，當(dāng)入口流量減少到極限流量時，蒸汽壓縮機(jī)就會產(chǎn)生喘振狀況，為了防止喘振狀況發(fā)生，通常有兩種控制方式，其一是打開排空閥門，降低出口管道的壓力，緩解蒸汽壓縮機(jī)喘振，但并不能增加入口流量，不能真正解決蒸汽壓縮機(jī)喘振問題；其二是打開回流管線上的防喘閥門，使出口管道的蒸汽回流，這樣既可以降低管道的壓力，又可以增加蒸汽壓縮機(jī)入口的流量；既解決了喘振問題，又避免了蒸汽的浪費(fèi)。

2.2 兩種方式結(jié)合的防喘振方式實例

本項目使用了兩種方式結(jié)合的防喘振方式，如圖2 所示。具體為：①手動打開排空閥門，將蒸汽放空，降低出口壓力，避免了喘振帶來的損壞；②在回流管道上安裝防喘振閥門，目的是當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)入口流量接近喘振的最小流量時，開啟防喘閥門，使流量回流，增加入口流量，從而可以防止蒸汽壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振狀況。

圖2 本項目的防喘振方式

2.3 蒸汽壓縮機(jī)性能曲線及防喘振自動控制

2.3.1 蒸汽壓縮機(jī)性能曲線

（1）蒸汽壓縮機(jī)的性能曲線可形象地表示壓縮機(jī)的特性，見圖3。圖3 中Pd為壓縮機(jī)出口壓力；PS為壓縮機(jī)入口壓力；qV為壓縮機(jī)入口蒸汽流量。從圖3可以看出，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，蒸汽壓縮機(jī)的壓力與流量成反比；當(dāng)流量達(dá)到某一值時，蒸汽壓縮機(jī)的效率最高，當(dāng)流量大于或者小于這一點時，蒸汽壓縮機(jī)效率下降，一般將此點設(shè)計為工況點；當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)入口流量小于下限流量及喘振流量時，蒸汽壓縮機(jī)將會發(fā)生喘振；當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)入口流量大于上限流量時，蒸汽壓縮機(jī)會發(fā)生阻塞，因此蒸汽壓縮機(jī)正常開機(jī)狀況下需要避開此工況。

圖3 蒸汽壓縮機(jī)性能曲線示意圖

圖4 本項目壓縮機(jī)性能曲線

（2）本項目蒸汽壓縮機(jī)的性能曲線見圖4。

2.3.2 使用防喘閥門及回流閥門防止喘振的原理和作用

圖5 為蒸汽壓縮機(jī)防喘振過程示意圖。圖6 為本項目蒸汽壓縮機(jī)喘振時DCS報警畫面。

從圖5 可以看出，當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)在A點工作時，入口流量大于防喘振的最小流量，此時關(guān)閉防喘閥門；當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)入口流量減小至安全流量B點時，此時開啟防喘閥門；考慮到DCS 控制系統(tǒng)和防喘閥門的響應(yīng)時間和閥門開關(guān)的動作執(zhí)行時間，當(dāng)移到C點時，打開防喘閥門，此時蒸汽壓縮機(jī)的入口流量逐漸增大，出口壓力逐漸降低，當(dāng)進(jìn)入D點時，避免了蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域，這是壓縮機(jī)防喘振的基本原理。在本項目中，通過蒸汽壓縮機(jī)的性能曲線，推算出防喘振計算公式。在不同轉(zhuǎn)速下，用流量和壓力的比值計算出喘振預(yù)警點，當(dāng)比值小于這一值時，喘振程序判定蒸汽壓縮機(jī)正常運(yùn)行，DCS 畫面不報警，喘振閥門關(guān)閉；當(dāng)比值大于這一值時，喘振程序判定蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域，DCS畫面報警提示操作人員進(jìn)入喘振狀態(tài)，需要注意開啟防喘閥門，此時如果防喘閥門未開啟，現(xiàn)場就會聽到蒸汽壓縮機(jī)的喘振聲音，蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀況。

圖5 蒸汽壓縮機(jī)防喘振過程示意圖

圖6 蒸汽壓縮機(jī)喘振時DCS報警畫面

3 幾種不同蒸汽壓縮機(jī)控制程序和防喘振信號判斷計算公式

在蒸汽壓縮機(jī)程序中防喘振控制程序是核心，設(shè)計好蒸汽壓縮機(jī)防喘振計算公式，是預(yù)防壓縮機(jī)喘振的關(guān)鍵節(jié)點，在防喘振控制程序中有幾個關(guān)鍵要素必須考慮：①安全下限值是壓縮機(jī)防喘振控制的關(guān)鍵參數(shù)之一，是防喘閥門開關(guān)的重要依據(jù)。通常，可以采用固定極限流量和可變極限流量設(shè)置壓縮機(jī)入口流量的安全下限值，如圖7 所示。圖7 中Pd為壓縮機(jī)出口壓力；PS為壓縮機(jī)入口壓力；qV為壓縮機(jī)發(fā)生喘振時的最大入口流量；S1為針對防喘振線1 的安全裕度值；S2為針對防喘振線2 的安全裕度值。②蒸汽壓縮機(jī)防喘振必須選用調(diào)節(jié)閥門，且為彈簧開啟的調(diào)節(jié)閥門，調(diào)節(jié)閥閥體性能為線性閥體。另外，在正常情況下，DCS 給出4 mA 信號對應(yīng)0 開度，但防喘閥門需設(shè)置為4 mA信號對應(yīng)100%開度。

3.1 蒸汽壓縮機(jī)壓力自動調(diào)節(jié)和防喘振控制程序

3.1.1 防喘振控制

圖7 固定極限流量和可變極限流量示意圖

當(dāng)管網(wǎng)阻力波動或蒸汽壓縮機(jī)流量調(diào)小時，會出現(xiàn)整個蒸汽壓縮機(jī)管網(wǎng)周期性的震蕩現(xiàn)象，壓力和流量都在發(fā)生脈動并發(fā)生異響噪音，即發(fā)生了喘振，整個機(jī)組會遭嚴(yán)重破壞，因此嚴(yán)禁蒸汽壓縮機(jī)在喘振區(qū)域運(yùn)行。為了防止喘振發(fā)生，本機(jī)組設(shè)有防喘振控制系統(tǒng)，要求控制系統(tǒng)在喘振發(fā)生時能自行開啟放空閥門，消除系統(tǒng)喘振。防喘振控制回路主要由進(jìn)出口壓力變送器、調(diào)節(jié)器、放空調(diào)節(jié)閥門組成。

3.1.2 自動調(diào)節(jié)控制

蒸汽壓縮機(jī)自動出口壓力顯示值與出口壓力設(shè)定值有偏差時，自動調(diào)節(jié)蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行頻率。DCS系統(tǒng)通過出口壓力顯示值和出口壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)PID 蒸汽壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率，當(dāng)實際出口壓力小于設(shè)定壓力時，自動改變頻率信號，將頻率增大，自動調(diào)節(jié)蒸汽壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況。

3.2 蒸汽壓縮機(jī)開停機(jī)程序和邏輯連鎖

3.2.1 蒸汽壓縮機(jī)開機(jī)前準(zhǔn)備工作

（1）確認(rèn)油箱油位是否正常。

（2）潤滑油油溫是否大于15℃。

（3）潤滑油泵是否開啟，油壓是否正常。

（4）防喘閥門是否全開啟。

（5）軸承溫度是否小于15℃。

待這些條件都需滿足后，才能啟動壓縮機(jī)。

3.2.2 蒸汽壓縮機(jī)停機(jī)前準(zhǔn)備工作

（1）關(guān)閉主電機(jī)前首先開啟防喘閥門。

（2）主油泵自動停機(jī)，輔助油泵自動啟動。

（3）本項目壓縮機(jī)邏輯連鎖圖見圖8。

3.3 蒸汽壓縮機(jī)防喘振計算公式和判定程序

本項目有兩種不同類別的壓縮機(jī)，即有兩種不同的防喘振控制方式。一種是根據(jù)防喘振計算公式來組態(tài)防喘振判定程序，當(dāng)計算結(jié)果在某一臨界值時，防喘閥門自動開啟，同時出現(xiàn)報警信號。另一種是無防喘振計算公式，只提供了蒸汽壓縮機(jī)的特性曲線，要想實現(xiàn)防喘振自動控制，必須根據(jù)蒸汽壓縮機(jī)特性曲線來推導(dǎo)出防喘振判定程序，以此實現(xiàn)防喘閥門的自動控制。當(dāng)喘振信號出現(xiàn)時，DCS畫面出現(xiàn)紅色閃爍的報警信號，給操作人員以提示。

3.3.1 防喘振控制方式一

防喘振控制方式一是利用防喘振計算公式組態(tài)的喘振判定程序，見表1。

圖8 本項目蒸汽壓縮機(jī)的邏輯連鎖圖

3.3.2 防喘振控制方式二

防喘振控制方式二是利用特性曲線推導(dǎo)出防喘振的判定程序。

利用額定轉(zhuǎn)速不同，進(jìn)行分段計算；利用壓力和流量確定防喘振邊界線，確定邊界線的斜率為K0、K1、K2、K3、K4、K5，并將其與正常運(yùn)行工況的斜率進(jìn)行比較。當(dāng)邊界線的斜率大于正常工況斜率，判斷為喘振；邊界線的斜率小于正常工況斜率，為正常（未喘振）。

（1）蒸汽壓縮機(jī)喘振判斷：根據(jù)廠商提供的性能曲線推出計算公式為：出口壓力/出口流量=K0。

（2）當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)實際轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速的0.8倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K0，則判斷進(jìn)入喘振區(qū)域，防喘閥門自動開啟。

（3）當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)實際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的0.8倍，小于額定轉(zhuǎn)速的0.85 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K1，則判斷進(jìn)入喘振區(qū)域，防喘閥門自動開啟。

（4）當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)實際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的0.85倍，小于額定轉(zhuǎn)速的0.9 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K2，則判斷進(jìn)入喘振區(qū)域，防喘閥門自動開啟。

（5）當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)實際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的0.9倍，小于額定轉(zhuǎn)速的0.95 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K3，則判斷進(jìn)入喘振區(qū)域，防喘閥門自動開啟。

（6）當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)實際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的0.95倍，小于額定轉(zhuǎn)速的1.0 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K4，則判斷進(jìn)入喘振區(qū)域，防喘閥門自動開啟。

（7）當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)實際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的1.0倍，小于額定轉(zhuǎn)速的1.05 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K5，則判斷進(jìn)入喘振區(qū)域，防喘閥門自動開啟。

3.4 蒸汽壓縮機(jī)防喘振報警畫面

為使操作人員不依靠耳朵聽壓縮機(jī)喘振時發(fā)出的噪音來判斷是否已發(fā)生喘振，在操作畫面上進(jìn)行報警設(shè)置，蒸汽壓縮機(jī)防喘振報警畫面見圖9。通過計算P1與P2值進(jìn)行比較，當(dāng)P1＜P2時，通過計算判斷出蒸汽壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振報警，DCS出現(xiàn)紅色閃爍報警畫面，同時出現(xiàn)紅色閃爍字體“壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域，請打開防喘閥門”，給操作人員提示，起到預(yù)警作用。通過設(shè)置喘振預(yù)警，在喘振發(fā)生前，操作人員提前開啟防喘閥門或?qū)⒎来y門打到自動模式（自動開啟），避免了因工藝參數(shù)變化引起的壓縮機(jī)喘振，起到了預(yù)警作用。

以上實例說明，若使蒸汽壓縮機(jī)的控制穩(wěn)定，防喘振預(yù)警系統(tǒng)很重要。本項目調(diào)試過程中，在3臺蒸汽壓縮機(jī)中的1臺壓縮機(jī)未提供防喘公式和控制邏輯的情況下，通過蒸汽壓縮機(jī)性能曲線推導(dǎo)出防喘控制程序和預(yù)警公式，達(dá)到了提前預(yù)警和穩(wěn)定控制蒸汽壓縮機(jī)的目的。

表1 防喘振控制方式一

圖9 蒸汽壓縮機(jī)防喘振報警畫面

4 結(jié)論

在DCS 上通過控制蒸汽壓縮機(jī)出口壓力、溫度，設(shè)置防喘振預(yù)警控制程序及喘振畫面報警等措施，以及增加回流管線等方式，在壓縮機(jī)喘振出現(xiàn)時，DCS通過喘振預(yù)警程序及喘振報警畫面等方式發(fā)出信號，當(dāng)喘振信號出現(xiàn)時能自動開啟喘振閥，或者手動開啟喘振閥等方式，避免了壓縮機(jī)喘振和液擊等情況的出現(xiàn)。實踐證明，該方法達(dá)到了提前預(yù)警和壓縮機(jī)控制穩(wěn)定的目的。