離心式壓縮機防喘振控制解析

嚴盛超，范振華

（蘭州石化機電儀運維中心，甘肅蘭州 730060）

0 引言

離心式壓縮機具有重量輕、易損件少、輸送氣體無油氣污染、供氣均勻等優(yōu)點，在石油化工生產裝置中得到廣泛應用。但是離心式壓縮機在一些特定工況下會發(fā)生喘振，使壓縮機不能正常工作，嚴重時甚至會損壞壓縮機的機體，造成嚴重的生產事故。為此，離心式壓縮機在運行過程中需要有相應的防喘振控制方案。本文介紹蘭州石化汽油加氫裝置離心式壓縮機的喘振原因及防喘振控制原理，并對壓縮機的防喘振控制算法進行解析。

1 離心式壓縮機的喘振

1.1 喘振現象及原因

喘振是離心式壓縮機本身的固有特性。造成喘振的原因是壓縮機入口壓力或流量突然降低，壓縮機內的氣體由于流量發(fā)生變化而出現嚴重的旋轉脫離，形成突變失速。這時葉輪不能有效提高氣體的壓力，導致壓縮機出口壓力降低，小于管網壓力，從而使氣體由管網向壓縮機倒流；當壓縮機出口壓力高于管網壓力時，壓縮機又開始排出氣體。如此反復，氣流在系統(tǒng)中產生周期性的振蕩，機身也隨之發(fā)生劇烈的振動，導致壓縮機喘振的發(fā)生。由于這種循環(huán)過程極為迅速，因此壓縮機的喘振也被稱為“飛動”。

1.2 離心式壓縮機的特性曲線

離心式壓縮機的特性曲線通常是指壓縮機的壓縮比（出口絕對壓力Pd與入口絕對壓力Ps的比值）與入口氣體體積流量Q 之間的關系曲線（圖1）。每條曲線在不同的轉速（n1、n2、n3）下都有一個最高點，連接每個最高點而形成的曲線a 即為壓縮機的喘振曲線，也稱為喘振極限線。曲線左側為喘振區(qū)，如果壓縮機的工作點在該區(qū)域內，則會發(fā)生喘振現象。為保障壓縮機的安全運行，壓縮機的實際工作點距離喘振曲線應留有一定的裕度，一般在喘振曲線右面再做一條與之近似平行的曲線b，即壓縮機的安全操作線。

圖1 離心式壓縮機特性曲線

壓縮機特性曲線是壓縮機防喘振控制的重要原始數據之一，其準確性直接影響到防喘振控制方案的實際應用效果。生產廠家根據壓縮機的性能在控制系統(tǒng)內做出相應喘振曲線和安全操作線，并將壓縮機的工作點反映到操作畫面上，這樣操作人員就能實時監(jiān)測到壓縮機的工作狀況（圖2）。

圖2 操作畫面中的防喘振曲線

圖2 中，縱坐標壓縮比為Pd/Ps（即壓縮機的出口壓力與入口壓力之比）；橫坐標為H/Ps，H 為壓縮機的入口流量孔板所測得的差壓值，通過與壓縮機入口壓力的比值計算，經過數學模型的轉換，可以理解為壓縮機的入口流量。

1.3 防喘振控制原理

通常情況下，壓縮機發(fā)生喘振是因為負荷減小，使被輸送氣體的流量小于該工況下特性曲線喘振點的流量所致。因此，只要在必要時采用部分回流的方法，使壓縮機的入口流量既符合工藝生產要求，又滿足流量大于最小極限值（喘振點流量）的需要，這就是防喘振控制的原理。本文介紹的防喘振控制方法是可變極限流量法，即為了減少壓縮機的能量消耗，在壓縮機負荷有可能經常波動的場合，采用調節(jié)轉速的方法來保證壓縮機的負荷滿足工藝生產的要求。在不同轉速下，壓縮機的喘振極限流量是一個變量，它隨轉速的下降而變小。采用不同喘振點流量作為控制依據，使壓縮機在不同轉速下運行時，其入口流量均不小于該轉速下的喘振點流量，這種方法叫做可變極限流量防喘振控制。該方法主要是運用隨動系統(tǒng)，將不同工況下的壓縮機喘振曲線經數學模型自動轉化成為防喘振控制器的給定值，使壓縮機的工作點始終保持在安全操作區(qū)域內。這種控制方式不僅安全而且節(jié)約能源，是當前運用比較廣泛的一種方法。

2 防喘振控制算法

本文介紹的防喘振控制是采用TRICON 系統(tǒng)廠家提供的算法進行邏輯編寫，通過采集壓縮機入口差壓、入口壓力、入口溫度、出口壓力等數據，利用該系統(tǒng)內特有的功能塊實現了壓縮機的防喘振控制。

2.1 流量計算

根據壓縮機廠家提供的孔板流量計規(guī)格書，入口溫度和入口壓力等數據，計算出補償后的壓縮機入口流量值。該循環(huán)氫壓縮機的入口流量計算公式為：

2.2 壓縮機的工況選擇

根據工藝流程的需要，系統(tǒng)內將該壓縮機的工況分為6 種，分別為：氮氣工況、額定工況、SHU 硫化初期/末期工況、HDS 硫化初期/末期工況。在裝置的正常運行中，壓縮機運行選擇額定工況。工況確定后，壓縮機工作點橫坐標的計算方法、壓力比選取點和喘振線選取點（即壓縮機的喘振曲線）就確定下來了。

2.3 工作點橫坐標的計算

確定選擇額定工況后，壓縮機工作點的橫坐標計算方法就確定了。由上述內容可知，工作點的橫坐標與當前壓縮機的入口流量有對應關系，可以理解為壓縮機入口流量的計算，其計算公式為：

2.4 喘振線和喘振點

壓縮機的工況確定后，邏輯內部會利用預先選取的6 個喘振線點在上位畫面中自動計算出防喘振曲線，并將6 個喘振線點和6 個壓力比代入喘振線計算功能塊SRG_LINE 相應的管腳，通過5 部分線性插值算法和壓縮機正常運行時的壓力比計算出對應的喘振點位置（圖3）。

由圖3 可知，在計算壓力比r1PART_1 時，需要將現場壓力測量儀表所檢測的壓力轉換成絕對壓力。確定壓力比后，喘振線計算功能塊會根據線性的關系計算出當前壓力比所對應的喘振點位置r1SRG_PT_1（也可理解為當前壓力比下的流量極限值）。壓縮機工作點橫坐標r1Hx_1 與r1SRG_PT_1 的差值r1MARGIN_1（當前安全裕度）即為工作點距離喘振點的裕量（圖2 中工作點與喘振線之間的水平距離）。

2.5 喘振線修正

為保障壓縮機的安全運行，一般在喘振線右側的安全區(qū)域內會再做一條安全操作線，也稱為初始控制線。其的計算方法是在喘振線的基礎上加一個安全操作裕度（即初始控制線=喘振線+安全操作裕度）。邏輯中安全操作裕度是通過功能塊SAFETY_MAR 計算而來（圖4），安全操作裕度=裕度常量（此處為8）+比例安全裕度×喘振點的橫坐標。邏輯中比例安全裕度PROP_MAR 設為0，由此可知：初始控制線=喘振線+8，即初始控制線距離喘振線的裕度為8。

圖4 喘振線修正計算

若當前裕度r1MARGIN_1≤-1 時，系統(tǒng)認為壓縮機發(fā)生喘振，此時需要對喘振線進行修正。即當發(fā)生喘振時，通過功能塊RECAL1_1 產生一個重新校準偏差加到安全操作裕度上，得到整體安全操作裕度r1TOT_SAFETY_1。喘振發(fā)生后，上位操作畫面中會出現一條黃線（實際控制線），表示壓縮機的安全運行區(qū)域再度向右偏移。在不進行復位的情況下，壓縮機的工作點需要控制在黃線右側，才能使其安全工作。實際控制線=喘振線+整體安全裕度。

喘振發(fā)生時，喘振標記位f1INSUR_1 置為1，重新校準偏差再原有的基礎上加2，喘振計數器和重新校準計數各計1；若當前裕度r1MARGIN_1≥1 時，表示喘振恢復。在不進行喘振復位的情況下，喘振計數器最多累計10 次，重新校準偏差最多累加至20。此時壓縮機仍然可以運行，只是控制條件變得更加嚴格而已。

2.6 盤旋點與防喘振控制器

功能塊SP_HOVER02 的作用是使防喘振控制器PID_SUG_1的給定值追蹤壓縮機的當前安全裕度r1MARGIN_1。給定值r1SRG_SP_1=當前裕度-kHOV_INC（此處為5），如果實際裕度小于整體安全裕度，或實際裕度減5 后小于整體安全裕度，則給定值等于整體安全裕度。實際裕度增大，即工作點往右移動，遠離喘振線，給定值會立即增加；若當前裕度減小，即工作點往左移動，靠近喘振線，則給定值會根據模塊設置的速率緩慢變小，這里速率設為3，速率越小則變化越慢。

防喘振控制器的作用方式為反作用，當實際裕度大于給定值時，防喘振閥關閉。只有在當前裕度小于整體安全裕度（這時給定值為整體安全裕度）以及當前裕度小于給定值的時候，才會打開喘振閥。此外還可以由上位畫面對控制器的比例系數及積分時間進行設置，使防喘振控制的效果達到最佳。

2.7 超馳調節(jié)與快開功能

在壓縮機運行過程中，若當前安全裕度低于整體安全裕度的1%時，功能塊DUMP_SOL 的輸出f1DUMP_1為1，參與到邏輯運算當中，使喘振電磁閥失電，防喘振閥打開；若當前安全裕度恢復至大于整體安全裕度的值時，功能塊輸出恢復為0，喘振電磁閥得電。

作為常規(guī)PID 喘振控制算法的補充，TRICON 系統(tǒng)的防喘振算法中還有包含喘振超馳調節(jié)功能。利用功能塊SRG_OVRD_03，對防喘振閥實施及時有效的控制。此功能塊將會按操作點移動至作用區(qū)內的比例來打開喘振閥。

2.8 防喘振控制高選功能

壓縮機在正常運行時有自動、半自動、手動三種模式。不同的模式下，防喘振控制的輸出不同。在自動模式下，壓縮機防喘振的輸出是r1SRG_CON_1（防喘振控制器輸出）、r1SRG_OVRD_1（喘振超馳）、r1PROC_OVRD_1（過程超馳）三者之間的最高值；在半自動模式下，壓縮機防喘振的輸出是以上三者與e1MAN_OVRD_1（手動輸出）之間的最高值，半自動模式下，除了自動輸出外，還可以由操作人員手動輸出防喘振閥的閥位控制信號；在手動模式下，壓縮機防喘振的輸出等于上位畫面的手動輸出值。

3 結束語

該裝置自投運以來，循環(huán)氫壓縮機的防喘振控制方案效果極佳，確保了壓縮機的安全平穩(wěn)運行。在實際工作中，了解離心式壓縮機的喘振原理和防喘振控制方案，有助于維護人員在壓縮機發(fā)生喘振時能夠迅速判斷出問題所在，確保生產裝置的長周期平穩(wěn)運行。