丙烯透平壓縮機防喘振故障分析及優(yōu)化改造

宋亮 王登

（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司 遼寧沈陽 110000）

丙烯透平壓縮機屬于離心式壓縮機，是大型化工生產(chǎn)領(lǐng)域中的重要設(shè)備組成，可以發(fā)揮出較好的制冷效果，為化工生產(chǎn)提供足夠的冷量。喘振是壓縮機表現(xiàn)出的一種性能反常的現(xiàn)象，壓力、流量的異常都是其重要組成，容易產(chǎn)生一些類似于喘息的噪音，并且伴有一定振動規(guī)律。喘振現(xiàn)象容易引發(fā)機組的部件損壞問題，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)碰撞和爆炸性事故，會對企業(yè)造成嚴(yán)重的人身和經(jīng)濟損失，因此，必須要對壓縮機的喘振故障做出分析和優(yōu)化，以減少不良影響的發(fā)生。

1 壓縮機喘振現(xiàn)象的發(fā)生

對于丙烯透平壓縮機而言，其流量若持續(xù)減少至某個特定數(shù)值之后，其葉片沖角會受到較大的影響，增加至某一特定的數(shù)值之后，會存在“旋轉(zhuǎn)脫離”的表現(xiàn)［1］。上述現(xiàn)象的發(fā)生會造成較大的脈動現(xiàn)象，也會讓葉片受到周期性作用力的影響，最終引發(fā)葉片振動的問題。

喘振屬于離心式壓縮機的固有故障特性，會對離心式壓縮機的正常運行性能造成一定的影響，容易引發(fā)管網(wǎng)內(nèi)部的周期性振蕩問題，使得壓縮機組的運行處于不夠穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)中。對于壓縮機的喘振現(xiàn)象而言，其發(fā)生與機組的工藝參數(shù)具有密切的關(guān)系，其中的任何一個參數(shù)發(fā)生了改變，都有可能是引發(fā)機組喘振的重要因素。機組出口的流量、溫度和壓力，入口的壓力，導(dǎo)向葉輪的開度及閥門的開通度等因素，都是影響喘振現(xiàn)象的內(nèi)容組成，會對管網(wǎng)流量的變化產(chǎn)生較大影響。普遍而言，管網(wǎng)容量越大，所產(chǎn)生的喘振頻率就會越低，振幅的表現(xiàn)會越大。反之是管網(wǎng)容量越小，所產(chǎn)生的喘振頻率就越高，振幅的表現(xiàn)就越?。?］。由上述內(nèi)容可以明顯看出，壓縮機組出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的主要原因是氣體流量較低，在具體操作中需要對該問題進行關(guān)注。不同壓縮機因受到自身特點的影響會產(chǎn)生不同的喘振曲線圖，圖1為本次研究的喘振曲線圖。

圖1 透平壓縮機喘振原理圖

氣體流量低是造成喘振現(xiàn)象的根本性原因。在具體的操作中，引發(fā)低流量現(xiàn)象發(fā)生的原因比較多，一般可以將其歸納為幾個方面的原因：一是壓縮機的出口壓力處于升高狀態(tài)，此時的輸出管線壓力較輸出壓力要高，這種現(xiàn)象會對出口造成憋壓問題，氣體會重新倒流到壓縮機組當(dāng)中，最終引發(fā)氣體流量偏低的現(xiàn)象；二是入口的流量較規(guī)定值要低，尤其是在開停機的時候，入口本身會有流量過低的表現(xiàn)，閥門若開度較大，就會導(dǎo)致壓縮機入口處的流量處于較低的狀態(tài)當(dāng)中；三是機組的流量指示原件受到了故障問題的影響，導(dǎo)致流量顯示出現(xiàn)了一定的問題［3］。

2 丙烯透平壓縮機喘振問題改造的必要性

本文將某化工企業(yè)的項目作為實例來進行詳細分析，該生產(chǎn)線配置的壓縮機為丙烯壓縮機，通過利用蒸汽透平的方式對設(shè)備的運行產(chǎn)生足夠的驅(qū)動效果，讓設(shè)備在高溫、高壓等特殊的條件下也進入到運行狀態(tài)當(dāng)中。將丙烯作為壓縮機的主要介質(zhì)，采用變轉(zhuǎn)速的方式對其設(shè)計進行調(diào)整，以發(fā)揮丙烯透平壓縮機的真正價值。

本次研究所使用的壓縮組從開工以來表現(xiàn)出了一定的問題。首先，需要對喘振流量的選擇進行關(guān)注。在具體的設(shè)計過程中，需以穩(wěn)定條件的最大喘振流量為依據(jù)，并在正常條件下適當(dāng)?shù)卦黾哟窳髁?，使其達到一定的設(shè)計余量。各企業(yè)在對壓縮機閥門進行選擇時，也需要將其作為標(biāo)準(zhǔn)來選擇。本次所選用的機組在實測中出現(xiàn)了流量偏小的現(xiàn)象，使得壓縮機組的工作點始終都處在喘振區(qū)當(dāng)中，對機組的開啟和停機操作都會產(chǎn)生較大影響，容易帶來一定的風(fēng)險性問題。其次，需要對機組的入口壓力自動控制進行重視。本次研究中自動控制回路因受到喘振影響，無法投入到正常的運行模式當(dāng)中，只能使用完全手動操作的方式對其進行控制，不僅對生產(chǎn)線的工作人員綜合能力提出了較高的要求，同時也對生產(chǎn)現(xiàn)場的控制效果發(fā)揮產(chǎn)生了一定的制約，未能發(fā)揮出丙烯透平壓縮機真正的作用。

3 丙烯透平壓縮機防喘振的改造難點

3.1 改造難點

在對本次研究所選用的丙烯壓縮機的控制系統(tǒng)進行分析后，得出一定的問題，具體如下。（1）對壓縮機的基本情況進行觀察可知，所選用的防喘振控制閥及其流量不符合最大防喘振流量的數(shù)值，使得機組工作點始終處在喘振區(qū)，影響了開停機的正常運行。（2）對壓縮機的喘振線情況進行關(guān)注可知，它無法針對實際工況與設(shè)計工況之間的偏差問題發(fā)揮出應(yīng)用的補償性作用。（3）對選用的機組實際情況進行觀察可知，喘振線精度不足，并未達到設(shè)計要求的相關(guān)水平。（4）整個壓縮機組都采用手工操作的控制方式，無法發(fā)揮出良好的控制效果。（5）該壓縮機組采用的是簡單的PID串級控制，未能對喘振控制器與速度之間的耦合進行綜合考慮，易對機組性能產(chǎn)生較大影響。上述的問題導(dǎo)致丙烯透平壓縮機組的防喘振閥一直處在開啟狀態(tài)當(dāng)中。

3.2 改造思路

以原有的丙烯透平壓縮機防喘振系統(tǒng)為主要的依據(jù)，從技術(shù)層面對其進行優(yōu)化設(shè)計和改造，以期獲得更好的防喘振控制效果。首先，要對出口和入口的流量進行關(guān)注，這是壓縮機出現(xiàn)喘振問題最先需要關(guān)注的問題，合理選擇防喘振控制閥及其流量是非常重要的內(nèi)容，需要加強對其的關(guān)注。其次，需對現(xiàn)場的喘振試驗進行關(guān)注，對先進的計算分析方法進行利用，以完成實測防喘振線的計算和繪制，借助此種方式來提升實測防喘振控制的有效性。最后，需要對壓縮機的性能提升進行關(guān)注，自動化和智能化是需要重點關(guān)注的問題，尤其是在面對復(fù)雜回路的時候，解耦控制是非常重要的思路，此種方式可以減少不必要的人力資源浪費和其他控制性問題。

4 丙烯透平壓縮機防喘振優(yōu)化改造

4.1 防喘振原理

流量和壓力變化會對壓縮機的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，可能會表現(xiàn)出喘振現(xiàn)象。為了對該現(xiàn)象的發(fā)生實施合理控制，保證處于運行狀態(tài)的機組工作點不會出現(xiàn)接近喘振點的現(xiàn)象，防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計是一項極為重要的工作。此種系統(tǒng)需具備強大的計算能力，當(dāng)壓縮機組運行狀態(tài)點出現(xiàn)接近喘振線的現(xiàn)象時，防喘振系統(tǒng)進入到自動運行狀態(tài)之后，會將閥門處于開啟狀態(tài)，以此促進機組再循環(huán)量的增大，讓壓縮機組進入到正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)當(dāng)中［4］。

圖2為防喘振控制的原理圖，由此可以看出，對機組的氣體流量做減少處理時，曲線2（機組運行過程曲線）會沿著曲線1（機組本身的特性）朝著左上方的方向進行移動，并且會逐漸到達曲線4（喘振曲線）的區(qū)域當(dāng)中。想要保證機組對喘振區(qū)的合理規(guī)避，需要對管網(wǎng)中的氣體流量做出增大處理，采用自動化的閥門開啟方式，讓機組的進口循環(huán)量得以提升，就可讓機組的運行狀態(tài)達到曲線3（平穩(wěn)運行）的狀態(tài)當(dāng)中，實現(xiàn)機組的穩(wěn)定運行。

圖2 透平壓縮機組防喘振控制圖

在對防喘振流量進行確定時，需要將最大閥門系數(shù)下的喘振流量數(shù)據(jù)作為主要的參考依據(jù)，并且在設(shè)計時需要留出一定的設(shè)計余量，避免出現(xiàn)實測流量偏小的現(xiàn)象，盡可能地讓機組的工作點遠離喘振曲線，避免在機組開啟和停機的時候出現(xiàn)較大的運行風(fēng)險。

4.2 實測防喘振控制

對于多數(shù)的制造廠家而言，在開展設(shè)計工作時，大都會留有一定的設(shè)計余量，無法對喘振線的精準(zhǔn)性做到完全的保證，因此，都主動為買家提供一套理論測算喘振線，將其作為實測過程中的內(nèi)容參考，避免理論喘振線與實測喘振線出現(xiàn)較大的偏差性問題［5］。除此之外，設(shè)備在出廠之前無法實現(xiàn)工藝氣配比等參數(shù)的制定，使其基本不具備獲得實測喘振線的機會，因此，需要提供一定參考。機組設(shè)備在啟用的過程中，可以將理論喘振線參考內(nèi)容作為依據(jù)，利用其來分析不同轉(zhuǎn)速下的喘振線，便于后續(xù)做出較為精準(zhǔn)的實測喘振線勾畫，滿足壓縮機的實際需求，同時，為壓縮機的自動化發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

4.2.1 臨界喘振點

將以往的實踐經(jīng)驗作為依據(jù)可看出，當(dāng)壓縮機處于正常運行狀態(tài)時，防喘振閥門的工作點處于遠離喘振區(qū)的狀態(tài)，但是在開啟、停機或不正常的工況下啟動防喘振閥門，依舊不會對整個工作的運行流程產(chǎn)生較大影響。

4.2.2 喘振點

對于需要開展準(zhǔn)確測試喘振點的機組而言，想要提升測試的精準(zhǔn)度，需注意到機械儀表此時所存在的延時性問題。一般要在判斷出口壓力表數(shù)值的基礎(chǔ)上，利用人耳對其聲音的變化進行細致傾聽。由此可發(fā)現(xiàn)，機組在喘振即將發(fā)生時，會表現(xiàn)為明顯的聲音改變，而這種改變早于儀表參數(shù)數(shù)值的變化。利用此種方式來展開測試，可以更早地發(fā)現(xiàn)喘振點的位置，并且具有更強的精準(zhǔn)性。在開展喘振點測試時，一般是對以往速度周圍的3～5 個速度進行合理選取，如80%、85%、95%、100%，利用區(qū)間的速度來開展實測喘振測試的工作。將選取好的喘振點與實測的數(shù)據(jù)作為主要的依據(jù)，對喘振曲線進行修正，做好防喘振流量的合理設(shè)置，能夠在很大程度上提升機組運行的安全性和穩(wěn)定性。

4.3 解耦控制

據(jù)相關(guān)研究可發(fā)現(xiàn)，壓縮機內(nèi)部的不同防喘振控制回路與性能控制回路之間具有不同的耦合關(guān)聯(lián)系，這種聯(lián)系使得整個控制關(guān)系都受到了較大影響。若對耦合關(guān)系中的一個單個回路做出調(diào)整，其周邊的回路也會受到較為明顯的影響。若二者之間不具備解耦控制的關(guān)系，調(diào)整其中的單個回路，會對部分控制系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生較大影響，使其無法順利地進入到自動運轉(zhuǎn)的狀態(tài)當(dāng)中?？傮w而言，回路之間所形成的相互作用會一定程度上加大轉(zhuǎn)速調(diào)整的難度。

為對不同回路之間相互耦合擾動問題進行解離處理，需要相關(guān)的操作人員在對系統(tǒng)進行應(yīng)用時，將閥門調(diào)整到手動狀態(tài)當(dāng)中，并且要對其開度進行適當(dāng)擴大，以此種方式來實現(xiàn)壓縮機工作點與喘振線之間的距離控制，讓機組運行工作點盡可能處于遠離喘振區(qū)的狀態(tài)當(dāng)中［6］。上述方法雖然可以發(fā)揮出解除部分干擾的作用，但是其能耗量較大。因此，需要對更高級別的解耦控制算法進行關(guān)注，可通過設(shè)置機組入口壓力控制器的方式，將防喘振閥門和轉(zhuǎn)速的控制轉(zhuǎn)變?yōu)樘厥獾姆殖炭刂?，并且該分程點處于可變狀態(tài)當(dāng)中，一般是以壓縮機工作點在喘振圖的位置為依據(jù)來進行變化。當(dāng)壓力控制器的輸出值處于50%～100%的區(qū)間時，動態(tài)分程點的左右會出現(xiàn)徘徊區(qū)，當(dāng)壓力控制器輸出值處于大于動態(tài)分程點2%的狀態(tài)時，壓縮機會有轉(zhuǎn)速提高的表現(xiàn)。當(dāng)壓力控制器的輸出值減少到小于分程點2%的狀態(tài)時，壓縮機的回流閥呈現(xiàn)出開啟狀態(tài)，能夠減少手動調(diào)控所產(chǎn)生的系統(tǒng)不穩(wěn)定性和能耗過高的問題，讓整個系統(tǒng)都平穩(wěn)地過渡到穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)中。

5 結(jié)語

綜上所述，丙烯透平壓縮機的穩(wěn)定運行對整個生產(chǎn)過程都具有重要作用。本次研究對原有的入口流量和氣閥開度進行合理控制，做好壓縮機的流量喘曲線的整合，能夠?qū)嚎s機工作點進入到喘振區(qū)的問題進行合理的規(guī)避。對上述防喘振優(yōu)化措施進行應(yīng)用之后，不僅能夠更好地實現(xiàn)節(jié)能性目標(biāo)，為企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益，還能在不出現(xiàn)喘振故障的基礎(chǔ)上，讓壓縮機設(shè)備朝著更加智能化的方向發(fā)展。