輸氣管道離心壓縮機(jī)喘振線現(xiàn)場測定方法

黃忠勝

（國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司，烏魯木齊 830011）

0 引言

離心式壓縮機(jī)具有運(yùn)行效率高、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代石油化工行業(yè)[1]。離心式壓縮機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力的動力設(shè)備，它的主要工作部件是葉輪和擴(kuò)壓器，通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪和流通面積逐漸增大擴(kuò)壓器，實現(xiàn)氣體增壓[2]。隨著天然氣領(lǐng)域的不斷發(fā)展，離心式壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于天然氣壓氣站中。例如，西氣東輸沿線的壓氣站就使用了大量的RR壓縮機(jī)、GE壓縮機(jī)[3]。近年來，輸氣管道離心壓縮機(jī)多次發(fā)生喘振故障，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行。喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，壓縮機(jī)低流量的表征[4]。喘振現(xiàn)象是離心壓縮機(jī)工作在小流量時的不穩(wěn)定流動狀態(tài)，它的出現(xiàn)輕則使壓縮機(jī)停機(jī)，中斷生產(chǎn)過程，造成經(jīng)濟(jì)損失；重則造成壓縮機(jī)葉片損壞，導(dǎo)致壓縮機(jī)設(shè)備報廢，甚至造成人員傷害。因此，喘振現(xiàn)象在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格杜絕[5]。

輸氣管道離心壓縮機(jī)經(jīng)過長期運(yùn)行，因輸送介質(zhì)、運(yùn)行工況、工作環(huán)境等變化影響，其工作性能曲線可能會發(fā)生變化。若喘振極限線及防喘振保護(hù)曲線未進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)異常波動時，會引起壓縮機(jī)關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生超限報警、聯(lián)鎖保護(hù)或發(fā)生跳機(jī)事件，甚至造成壓縮機(jī)喘振故障。喘振極限線，是指壓縮機(jī)特性曲線最高點(diǎn)連接起來形成的曲線。將喘振極限曲線右移，即得到防喘振保護(hù)曲線[6]。以下將喘振極限線簡稱喘振線，防喘振保護(hù)曲線簡稱控制線。喘振線作為壓縮機(jī)防喘控制的關(guān)鍵參數(shù)曲線，會在壓縮機(jī)投產(chǎn)時進(jìn)行現(xiàn)場測試驗證，如果喘振線測試不準(zhǔn)確，或壓縮機(jī)長期運(yùn)行后工作性能曲線發(fā)生變化，而未相應(yīng)調(diào)整喘振線，則會影響壓縮機(jī)安全和性能。為驗證壓縮機(jī)喘振線的準(zhǔn)確性，確保壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行，針對西氣東輸一線四道班壓氣站1＃RR壓縮機(jī)組多次發(fā)生振動高高報警跳機(jī)事件，開展喘振線現(xiàn)場測定工作，根據(jù)測試結(jié)果對壓縮機(jī)原喘振線進(jìn)行修正及優(yōu)化，形成新的喘振線和控制線。

1 RR壓縮機(jī)組防喘振控制

1.1 防喘控制功能

壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的采集，如壓縮機(jī)及驅(qū)動機(jī)的各項運(yùn)行參數(shù)，包括壓力、溫度、流量、振動、位移和轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)；控制系統(tǒng)則包含壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)、壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速條件控制系統(tǒng)、潤滑油壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、干氣密封調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)等[7]。

RR壓縮機(jī)防喘控制在過程控制系統(tǒng)UCP中實現(xiàn)。防喘控制程序采用梯形圖語言編寫，喘振線、喘振相關(guān)報警點(diǎn)和操作員下發(fā)命令等通過HMI上的Intouch軟件實現(xiàn)[8]。RR壓縮機(jī)組防喘控制分為手動控制、自動控制和手動/自動等同控制3種模式。當(dāng)防喘控制處于手動控制模式時，防喘閥開度來自HMI上的輸入值；自動控制模式主要依據(jù)流量波動和防喘閥閥位開度變化，通過PID防喘控制器計算實時流量與控制設(shè)定值的偏差，從而調(diào)節(jié)防喘閥的開度；手動/自動等同控制，可實現(xiàn)手動與自動控制模式優(yōu)先級選擇和無擾動切換。

PID防喘控制器由比例控制器、積分控制器、微分控制器3部分組成，PID防喘控制器對控制設(shè)定值與實時流量值的偏差分別進(jìn)行比例、積分和微分計算，將3部分計算值相加得出防喘閥輸出控制量。

1.2 防喘特性曲線

RR壓縮機(jī)工作特性曲線由橫坐標(biāo)流量和縱坐標(biāo)壓比組成。橫坐標(biāo)值由安裝在壓縮機(jī)入口的孔板流量計測量所得流量（差壓值）與壓縮機(jī)入口壓力值之比計算后得出，縱坐標(biāo)值是壓縮機(jī)的出口壓力（絕壓）與入口壓力（絕壓）的比值。

RR壓縮機(jī)防喘振特性曲線與壓縮機(jī)工作特性曲線的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)保持一致，橫坐標(biāo)軸為入口流量參數(shù)，縱坐標(biāo)軸為壓比參數(shù)。RR壓縮機(jī)的防喘特性曲線由喘振線、失敗設(shè)定線、報警設(shè)定線、比例積分控制器設(shè)定線、安全設(shè)定線、微分控制器設(shè)定線和阻塞線組成。

喘振線的建立是基于壓比和入口流量的喘振點(diǎn)，一般將通過喘振測試得出的6個喘振點(diǎn)進(jìn)行連線即為喘振線。喘振線的縱坐標(biāo)壓比不變，將橫坐標(biāo)流量值分別擴(kuò)大2%、6%、8%、20%和40%，則分別得到緊急停車線（失敗設(shè)定線）、報警設(shè)定線、防喘閥快開線（比例積分控制器設(shè)定線）、防喘控制線（安全設(shè)定線）、微分設(shè)定線（微分控制器設(shè)定線）。

RR壓縮機(jī)防喘振特性曲線如圖1。

圖1 RR壓縮機(jī)的防喘特性曲線Fig.1 Anti-surge characteristic curve of RR compressor

2 喘振點(diǎn)測試方法

2.1 喘振點(diǎn)判斷方法

離心壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，當(dāng)負(fù)荷低于某一定值時，氣體的正常輸送遭到破壞，氣體的排除量時多時少，忽進(jìn)忽出，發(fā)生強(qiáng)烈震蕩，并發(fā)出如同咆哮病人“喘氣”的噪聲。此時可看到氣體出口壓力表、流量表的指示大幅波動。隨之，機(jī)身本體帶動周圍管網(wǎng)一起震動，壓縮機(jī)會發(fā)出周期性間斷的吼聲[9]。

根據(jù)壓縮機(jī)喘振發(fā)生原理和現(xiàn)象，壓縮機(jī)工作點(diǎn)接近喘振區(qū)時，如果出現(xiàn)以下任意一項則認(rèn)為即將發(fā)生喘振：

1）壓縮機(jī)入口和出口管線內(nèi)出現(xiàn)異常低頻脈動聲音。

2）壓縮機(jī)振動參數(shù)明顯上升，當(dāng)振動參數(shù)幅值超過35um時，判定發(fā)生喘振。

3）壓縮機(jī)入口壓力值出現(xiàn)明顯波動。

4）壓縮機(jī)的出口壓力最初先升高，繼而急劇下降，并呈周期性大幅波動[10]。

5）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速周期性大幅波動。

2.2 喘振點(diǎn)測試前準(zhǔn)備

1）測試基于壓力越站流程進(jìn)行，測試前站內(nèi)所有壓縮機(jī)組均已停機(jī)，測試啟機(jī)前應(yīng)進(jìn)行壓縮機(jī)組本體設(shè)備檢查，確保壓縮機(jī)組本體設(shè)備工作正常。

2） 對壓縮機(jī)回流管路空冷器進(jìn)行啟停測試，在整個測試期間空冷器全部處于運(yùn)行狀態(tài)，以保證工藝氣體溫度的穩(wěn)定。

3） 在壓縮機(jī)防喘閥快開回路中串入防喘閥快開手動開關(guān)，對防喘閥進(jìn)行手動開關(guān)測試，驗證手動開關(guān)能迅速開關(guān)防喘閥，確保防喘閥定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作滿足測試要求。

4）在壓縮機(jī)振動監(jiān)測SYSTEM 1系統(tǒng)上，組態(tài)需要監(jiān)測的振動和軸位移數(shù)據(jù)趨勢圖，檢查確認(rèn)趨勢刷新和顯示正常。在便攜計算機(jī)上安裝在線壓縮機(jī)組控制程序，用LOGIX5000編程軟件組態(tài)快速趨勢，趨勢參數(shù)選取壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、入口壓力、出口壓力、入口差壓（流量）、壓比、防喘閥開度命令等。

2.3 喘振點(diǎn)測試過程

1） 將要測試的壓縮機(jī)組正常啟動至怠速，檢查運(yùn)行參數(shù)，確認(rèn)各項參數(shù)在正常范圍內(nèi)。

2）將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速手動調(diào)整到準(zhǔn)備測試的轉(zhuǎn)速值，檢查壓縮機(jī)組各項參數(shù)均正常。

3）在線修改防喘控制程序，屏蔽防喘控制程序中的防喘自動控制切換功能、防喘閥速開功能、防喘控制失敗停車功能。

4）待壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸關(guān)小防喘閥開度，進(jìn)行喘振點(diǎn)測試。在壓縮機(jī)組HMI上手動輸入喘振閥關(guān)度數(shù)值，每次關(guān)1%～2%，關(guān)閥的速度一定要慢，以防止流量突變導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域。關(guān)閥過程中實時監(jiān)視SYSTEM 1系統(tǒng)及LOGIX5000的趨勢數(shù)據(jù)，現(xiàn)場安排人員監(jiān)聽壓縮機(jī)組管線內(nèi)的氣流聲是否出現(xiàn)異常。當(dāng)任何一喘振跡象出現(xiàn)時，通過快開手動開關(guān)快速打開防喘振閥，此點(diǎn)測試結(jié)束。

5）測出喘振點(diǎn)后，將相應(yīng)LOGIX5000中的趨勢暫停，查看并對比LOGIX5000和SYSTEM1中的數(shù)據(jù)趨勢，選出喘振點(diǎn)的數(shù)值并記錄，對喘振點(diǎn)趨勢進(jìn)行截圖保存，將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出保存。

6）當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)測試完成后，全開防喘閥，調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速至下一測試轉(zhuǎn)速值，待運(yùn)行穩(wěn)定后，再重復(fù)第4）和第5）測試步驟，進(jìn)行下一喘振點(diǎn)測試。

依次調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速至3120rpm、3600rpm、4200rpm、4800rpm（為安全起見，5040rpm轉(zhuǎn)速下喘振點(diǎn)不做測試），通過監(jiān)控壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力、軸承振動以及管線氣流聲等，測得壓縮機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的喘振流量、壓比等參數(shù)。

3 喘振點(diǎn)分析及選取

對壓縮機(jī)3120rpm、3600rpm、4200rpm、4800rpm 4個不同轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)測試后，通過對測試過程中接近喘振點(diǎn)時的數(shù)據(jù)趨勢進(jìn)行分析，可見壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、入口流量參數(shù)明顯出現(xiàn)波動，壓縮機(jī)振動參數(shù)幅值明顯升高。選取參數(shù)即將出現(xiàn)波動時的流量和壓比作為該轉(zhuǎn)速下新測喘振點(diǎn)的參數(shù)，4個不同轉(zhuǎn)速下新測喘振點(diǎn)的參數(shù)見表1。

表1 4個不同測試轉(zhuǎn)速下選取的新測喘振點(diǎn)參數(shù)Table 1 Parameters of the newly measured surge point selected under four different test speeds

4 新測喘振點(diǎn)與原喘振線對比分析

將新測喘振點(diǎn)的壓比參數(shù)分別為1.189、1.252、1.338、1.435時的流量與原喘振線上對應(yīng)的流量進(jìn)行對比，并計算兩者流量差百分比分別為5.8%、3.6%、7.6%、1.73%，發(fā)現(xiàn)4個新測喘振點(diǎn)較原喘振線向右有一定的偏移，偏移量從1.73%～7.6%不等，平均偏移量為4.68%。該平均偏移量比原設(shè)定的緊急停車線與喘振線之間2%偏移量大2.68%，說明實際喘振點(diǎn)已偏離原喘振線，也找出當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)異常波動時會發(fā)生壓縮機(jī)關(guān)鍵參數(shù)超限報警、聯(lián)鎖保護(hù)或跳機(jī)事件的原因。

5 原喘振線和原控制線的修正

根據(jù)測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可知，壓縮機(jī)在3120rpm、3600rpm、4200rpm和4800rpm轉(zhuǎn)速下的新測喘振點(diǎn)流量相比原喘振線上對應(yīng)的流量均向右偏移。從安全運(yùn)行角度出發(fā)，原喘振線須根據(jù)新測喘振點(diǎn)進(jìn)行修正，新喘振線由原喘振線右移得到，右移百分比按照7.6%+2%的原則計算。其中7.6%為實新測喘振點(diǎn)與原喘振線對應(yīng)的最大流量差百分比，2%為預(yù)留的安全裕度，即原喘振線向右平移9.6%為新喘振線。同理，原控制線向右平移9.6%為新控制線。

選取原喘振線上6個喘振點(diǎn)（0,1）、（0.0143,1.2043）、（0.0241,1.3201）、（0.0371,1.4418）、（0.0478,1.5606）、（0.065,1.68）為參照點(diǎn)，計算對應(yīng)的修正喘振線、控制線坐標(biāo)數(shù)值見表2。

表2 原喘振線、控制線坐標(biāo)和修正喘振線、控制線坐標(biāo)數(shù)值Table 2 The coordinates of the original surge line and control line and the coordinates of the corrected surge line and control line

根據(jù)表2中坐標(biāo)數(shù)值，可繪制原喘振線、原控制線、修正后喘振線和修正后控制線。將4個新測喘振點(diǎn)的流量和壓比數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)數(shù)值（0.014，1.189）、（0.019，1.252）、（0.028，1.338）、（0.037，1.435），可繪制新測喘振線。

原喘振線、新測喘振線、修正后喘振線、原控制線、修正后控制線如圖2。

圖2 修正前后的喘振線和控制線Fig.2 Surge line and control line before and after correction

最后，將修正后的喘振線和控制線的X軸、Y軸坐標(biāo)參數(shù)寫入壓縮機(jī)組UCP控制程序中，從而實現(xiàn)RR壓縮機(jī)喘振線和控制線的修正和優(yōu)化。

6 結(jié)束語

西氣東輸一線四道班壓氣站1#RR壓縮機(jī)通過現(xiàn)場測試喘振線，驗證了原喘振線已存在偏差，從而多次造成壓縮機(jī)組因喘振問題跳機(jī)。通過現(xiàn)場測定、修正和優(yōu)化喘振線、控制線后，壓縮機(jī)工作點(diǎn)能保持在新的喘振控制線附近平穩(wěn)運(yùn)行，其振動、轉(zhuǎn)速、入口流量、進(jìn)出口壓力等參數(shù)均正常，壓縮機(jī)運(yùn)行小流量工況下的安全性得到提升。本文以RR壓縮機(jī)喘振線現(xiàn)場測試及修正為例，闡述的喘振線現(xiàn)場測試、修正、優(yōu)化方法，可供輸氣管道離心式壓縮機(jī)現(xiàn)場測定喘振線時借鑒應(yīng)用。