丙烯透平壓縮機(jī)組防喘振控制優(yōu)化改造方案解析

劉亞鵬(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

丙烯壓縮機(jī)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，可以創(chuàng)造出相對(duì)較好的制冷成績，具體是外供足夠多的冷氣量[1]。在全自動(dòng)化控制下，丙烯壓縮機(jī)組的投用率相對(duì)較低，防喘振回流閥開度偏大、能耗量較大，應(yīng)盡早進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造。

1 喘振現(xiàn)象的原理

喘振為渦輪壓縮機(jī)運(yùn)行階段的獨(dú)有現(xiàn)象(如圖1所示)，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力抵達(dá)一定值時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)會(huì)由D點(diǎn)順著性能曲線提升至A，以上過程的特點(diǎn)是流量降低，壓力上升。此時(shí)出口壓力高于壓縮機(jī)的最大壓縮能力，壓縮機(jī)形成了負(fù)流量，實(shí)質(zhì)上就是發(fā)生了倒流問題，從A 點(diǎn)開始至B點(diǎn)。倒流抵達(dá)一定程度時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力跌落下降，B→C又復(fù)原至正向流動(dòng)C→D，以上這種氣流在壓縮機(jī)內(nèi)往復(fù)流動(dòng)的現(xiàn)象被叫做喘振。壓縮機(jī)本體劇烈振動(dòng)和喘振現(xiàn)象相伴隨，在這樣的工況下能夠觀察到氣體的出口壓力和流量示值出現(xiàn)明顯波動(dòng)，機(jī)身也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，且會(huì)對(duì)出口管道、廠房振動(dòng)過程起到一定驅(qū)動(dòng)作用，壓縮機(jī)會(huì)對(duì)外傳送出周期性間斷式的吼響聲。若不能盡早采用相應(yīng)措施處理，則會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害。

圖1 喘振原理圖

喘振現(xiàn)象的發(fā)生和壓縮機(jī)的功率存在相關(guān)性，不同功率之下壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)有區(qū)別，若能選擇不同功率之下的幾個(gè)典型喘振點(diǎn)，連接成曲線，便能順利地獲得喘振曲線[2]。

2 機(jī)組常見問題及改造難點(diǎn)

2.1 問題

本文以某化工企業(yè)化學(xué)品項(xiàng)目為實(shí)例進(jìn)行分析，其內(nèi)配置的丙烯壓縮機(jī)利用了蒸汽透平方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在高溫、高壓特殊條件下，迅速將蒸汽整合到汽輪機(jī)中，利用其對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行過程起到驅(qū)動(dòng)作用。丙烯作為壓縮機(jī)的壓縮介質(zhì)。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段利用變轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行調(diào)整， 2018年通過適度控制一二段防喘閥距控制線開度，收到節(jié)約蒸汽64 058 t的效果，凈化氣年單耗平均由2017年度的0.396 0 t/kNm3下降到2018年度的0.309 2 t/kNm3，環(huán)比下降0.086 8 t/kNm3，在提升經(jīng)濟(jì)效益方面有一定的收獲。在驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)過程中，抽凝式汽輪機(jī)起到主導(dǎo)性作用，筆者所在單位2019年5月7日壓縮機(jī)組一、二段分離器溫度控制投用自控回路經(jīng)24 h觀察運(yùn)行無異常后，8日壓縮機(jī)一、二段防喘振控制擇機(jī)投用半自動(dòng)模式。投入自動(dòng)控制模式經(jīng)一個(gè)多月跟蹤運(yùn)行，在裝置生產(chǎn)負(fù)荷穩(wěn)定狀況下，壓縮機(jī)的半自動(dòng)運(yùn)行方式可適度簡少中控和現(xiàn)場操作工作量。

壓縮機(jī)組自開工以來，入口壓力自動(dòng)控制回路無法正常投用半自動(dòng)模式，僅能人工調(diào)控，對(duì)操作人員的實(shí)踐能力提出較高要求，現(xiàn)場控制效果整體偏差。壓縮機(jī)的防喘振閥門無法正常閉合，張開度過大，以致壓縮機(jī)能耗量長期較高。實(shí)測發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)機(jī)組一、二段的防喘振閥門開度分別約15%、18%，這是造成裝置能耗高的主要原因。沒有實(shí)測得到壓縮機(jī)喘振線，因?yàn)樯婕啊⑸a(chǎn)制造等方面存在偏差，導(dǎo)致壓縮機(jī)實(shí)際喘振線和理論預(yù)測喘振線之間形成較大差異，僅利用理論喘振線很難達(dá)到精準(zhǔn)與適度的防喘振維護(hù)。

2.2 改造難點(diǎn)

Triconex TS3000是本壓縮機(jī)主機(jī)采用的控制系統(tǒng)，控制方案執(zhí)行時(shí)暴露出如下問題：

(1)喘振線無法有效補(bǔ)償真實(shí)工況和設(shè)計(jì)工況之間的偏差；

(2)喘振線的精準(zhǔn)程度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)水平；

(3)利用人工手調(diào)的方式管理、控制機(jī)組狀態(tài)；

(4)利用極簡易的PID串級(jí)形式調(diào)節(jié)、控制壓縮機(jī)的運(yùn)行性能，但是以上過程中并沒有深刻解讀速度和喘振控制器之間的耦合性，以致設(shè)備性能無法正常啟動(dòng)應(yīng)用。

在以上種種因素的作用下，導(dǎo)致壓縮機(jī)機(jī)組防喘閥始終處于開啟狀態(tài)。

3 防喘振控制優(yōu)化改造

3.1 實(shí)測防喘振控制

多數(shù)制造廠家在售賣壓縮機(jī)時(shí)會(huì)主動(dòng)為買家提供一套設(shè)備理論測算喘振線，因?yàn)樵O(shè)計(jì)院或廠家均持有一定設(shè)計(jì)余量，沒有做到毫無保留的提供喘振線，并且在設(shè)備出廠以前，在無法制定工藝氣配比參數(shù)等因素的作用下，基本上無法獲得實(shí)測喘振線。但是如果能在設(shè)備啟用環(huán)節(jié)中利用不同轉(zhuǎn)速測得喘振線，則就能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)喘振線精準(zhǔn)勾畫。較好地滿足了壓縮機(jī)工藝投用的實(shí)際需求，這樣也能較整體地顯現(xiàn)出壓縮機(jī)的真實(shí)狀態(tài)。

在這種工況下，參照理論喘振線進(jìn)行調(diào)控不能防控發(fā)生壓縮機(jī)喘振，存在著較多的風(fēng)險(xiǎn)因素。也可以用以上觀點(diǎn)去解釋部分防喘振控制即便是使用很長時(shí)間也不能達(dá)到智能化控制水平問題。因而，防喘振控制過程中，獲得實(shí)測喘振線是重要內(nèi)容之一?；趯?shí)測喘振線，從而達(dá)到自動(dòng)化壓線控制，不單純是在壓縮機(jī)負(fù)荷較高、工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線的工況下使用，即便是在低負(fù)荷之下或者開工早期運(yùn)轉(zhuǎn)波動(dòng)性較大時(shí)也能控制，即便是在低負(fù)荷工況中，或者啟動(dòng)早期運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)變動(dòng)較大時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化投運(yùn)，采用加強(qiáng)壓線管控的形式，一方面能減少能源、資源的耗損量，另一方面較顯著地拓展了壓縮機(jī)本體的操作時(shí)間。

3.1.1 臨界喘振點(diǎn)

參照既往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，壓縮機(jī)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)防喘振閥后工作點(diǎn)位會(huì)整體遠(yuǎn)離喘振區(qū)域，但在啟、?；虍惓９r下，啟動(dòng)防喘振閥基本不會(huì)干擾正常工藝的操作過程。

3.1.2 喘振點(diǎn)

為了能精準(zhǔn)檢出喘振點(diǎn)的機(jī)組，多依賴觀測出口壓力表盤值去做出相應(yīng)判斷，以上這種類型的儀表延時(shí)反應(yīng)遲緩。如果能利用人耳認(rèn)真傾聽聲音的變化，當(dāng)即將發(fā)生喘振現(xiàn)象時(shí)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)聲音會(huì)出現(xiàn)明顯的改變，這種改變早于參數(shù)數(shù)值的變化，從而精準(zhǔn)、快速地探測到喘振點(diǎn)。通常會(huì)應(yīng)用過往局部速度值周邊的3～5個(gè)速度開展喘振實(shí)測活動(dòng)，分別是75%，80%，85%，95%，100%。

3.2 解耦控制

過去有研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)內(nèi)不同防喘振控制回路、控制回路與性能控制回路之間都會(huì)生成程度不一的耦合關(guān)聯(lián)性，調(diào)整其內(nèi)單個(gè)回路，會(huì)對(duì)周邊回路形成即時(shí)、明顯的影響，如果不具有解耦控制關(guān)系，則也容易造成部分控制系統(tǒng)不能順利投入自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

如果進(jìn)氣調(diào)速閥門的張開度明顯擴(kuò)張時(shí)，進(jìn)氣量隨之增加，會(huì)誘導(dǎo)壓縮機(jī)組更快速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)提供給壓縮機(jī)組出力變大。如果張開度增加的是抽氣閥，在這樣的工況下設(shè)備轉(zhuǎn)速會(huì)降低，為壓縮機(jī)組提供的出力值也下降。結(jié)合以上分析情況，回路之間形成的相互作用影響，轉(zhuǎn)速調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定水平的難度相應(yīng)提高，因?yàn)樗⒉皇窃趬嚎s機(jī)滿負(fù)荷狀態(tài)下發(fā)生改變的，是更為顯著的。

為了能完全解離不同回路之間的相互耦合擾動(dòng)，應(yīng)用控制系統(tǒng)時(shí)操作人員僅需將閥門調(diào)整到手動(dòng)，且通過人為適度開大，使壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)和喘振控制線相距更遠(yuǎn)一些。以上這種方法盡管可以解除掉部分干擾，但導(dǎo)致能耗量增加。則需要應(yīng)用級(jí)別更高的解耦控制算法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)段運(yùn)行狀況監(jiān)測、調(diào)控的同步性，真正實(shí)現(xiàn)了全智能化的調(diào)控。

3.3 無關(guān)坐標(biāo)系算法

主要是通過計(jì)算確定喘振極限線SLL和氣體分子量MW、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口氣體比熱比Ks與口氣體壓縮因子Zs之間無關(guān)，且只和壓縮機(jī)組本體的內(nèi)部機(jī)械構(gòu)造相關(guān)?？梢曰跓o關(guān)坐標(biāo)系算法獲得為歸一化的喘振極限線。

簡化壓頭計(jì)算：

精簡流量平方計(jì)算：

式中：Pd、Ps分別為壓縮機(jī)出口、入口壓力(進(jìn)出口壓差比)；Td、Ts分別為壓縮機(jī)出口、入口溫度(進(jìn)出口體積質(zhì)量比)。

從本質(zhì)上分析，防喘振控制算法是以無關(guān)坐標(biāo)系的5條測算和控制曲線為基礎(chǔ)，參照了閉環(huán)式主PI控制與開環(huán)階梯保護(hù)響應(yīng)，確保了壓縮機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)階段不管是面對(duì)單次遲緩的降負(fù)荷過程擾亂，還是面對(duì)因工藝裝置反常工況引起的強(qiáng)烈擾動(dòng)，均能十分迅速、精準(zhǔn)地增加壓縮機(jī)的流量，確保壓縮機(jī)設(shè)備一致在安全區(qū)域內(nèi)運(yùn)作。并且，因?yàn)閼?yīng)用了高端的、精準(zhǔn)的以無關(guān)坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的防喘振控制算法，能使用壓縮機(jī)的回流流量始終維持在最低水平，這是減少設(shè)備能耗量的重要基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以原有原進(jìn)氣閥開度喘振曲線為基礎(chǔ)上，整合進(jìn)透平壓縮機(jī)出口流量喘振曲線，能較好地解除伴隨氣溫升高透平空壓機(jī)出口流量喘振曲線逐漸右移的情況，規(guī)避了壓縮機(jī)容易進(jìn)到喘振區(qū)的問題。通過執(zhí)行以上防喘振控制優(yōu)化措施后，節(jié)省8.5 MPa高壓蒸汽3 t/h，創(chuàng)造了較多的經(jīng)濟(jì)效益；于3 910～4 876 r/min范圍中選擇了5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，依次測出了各區(qū)段的喘振點(diǎn)，進(jìn)而生成了實(shí)測喘振線；防喘振實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化調(diào)控，能在確保不出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的基礎(chǔ)上使控制線智能運(yùn)轉(zhuǎn)。