基于T880系統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)自動喘振實(shí)測方法的研究與應(yīng)用

［摘 要］文章根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測壓縮機(jī)喘振對控制系統(tǒng)的要求，重點(diǎn)介紹了基于SIL3 等級的三重冗余容錯（TMR）控制系統(tǒng)T880 系統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)自動進(jìn)行喘振實(shí)測的方法，并成功應(yīng)用于空氣離心壓縮機(jī)設(shè)備，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，最大限度地提高了壓縮機(jī)的運(yùn)行空間，避免能量浪費(fèi)。

［關(guān)鍵詞］喘振；SIL3 ；T880 系統(tǒng)

［中圖分類號］TP27 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0155–03

1 T880系統(tǒng)介紹

T880 控制系統(tǒng)是高端的透平壓縮機(jī)一體化控制系統(tǒng)–CCS（Compressor Control System），該系統(tǒng)通過了TüV Rheinland Industrie Service GmbH 認(rèn)證，滿足IEC 61508 / IEC 61511 中定義的SC3系統(tǒng)能力等級和SIL3安全完整性等級。依據(jù) IEC 61508 / IEC 61511/ IEC 50156-1 中的要求，T880系統(tǒng)可應(yīng)用于要求安全完整性等級為SIL3 及以下的安全相關(guān)應(yīng)用。T880 系統(tǒng)原理架構(gòu)如圖1 所示。

主控單元、I/O、通訊等全部三重冗余，系統(tǒng)保護(hù)部分采用2003 表決機(jī)制，保證系統(tǒng)不間斷運(yùn)行的冗余結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠。

2 喘振實(shí)測對T880控制系統(tǒng)的要求

在喘振實(shí)測過程中，抓住1 個完整的喘振波形需要掃描8 個周期，喘振周期的典型值為300～3 000 ms ；以最嚴(yán)格的300 ms 考慮，300 ms/8=37.5 ms/ 每周期，國際上通常要求40 ms 的掃描執(zhí)行周期。T880 控制系統(tǒng)的控制周期小于40 ms，滿足控制實(shí)時性的要求。喘振事件記錄如圖2 所示。

3 基于T880系統(tǒng)的自動喘振實(shí)測

3.1 預(yù)計(jì)性能曲線及常規(guī)現(xiàn)場喘振實(shí)測缺點(diǎn)

美國石油學(xué)會（API）617 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于石油、化學(xué)和氣體工業(yè)用輸送空氣或氣體的軸流壓縮機(jī)單軸和整體齒輪增速傳動的流程用離心壓縮機(jī)及膨脹機(jī)的最低機(jī)械要求。壓縮機(jī)制造廠會提供符合API617 標(biāo)準(zhǔn)的壓縮機(jī)預(yù)計(jì)性能曲線，此性能曲線一般是由壓縮機(jī)廠負(fù)責(zé)氣體動力學(xué)計(jì)算的工程師利用模型計(jì)算出來的理論性能曲線，控制系統(tǒng)廠家根據(jù)此性能曲線得到壓縮機(jī)的理論喘振線。通常，壓縮機(jī)廠家提供的預(yù)計(jì)性能曲線比壓縮機(jī)實(shí)際到現(xiàn)場安裝后的實(shí)際性能曲線保守，這就導(dǎo)致壓縮機(jī)的安全運(yùn)行空間被壓縮，防喘閥有時無法全關(guān)造成氣體回流或放空，從而造成能源浪費(fèi)。

常規(guī)的現(xiàn)場喘振實(shí)測是通過人工的方式，一邊觀察機(jī)組的運(yùn)行情況，一邊逐漸關(guān)小防喘振閥，當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力上升、入口流量差壓產(chǎn)生突變機(jī)組進(jìn)入實(shí)際的喘振狀態(tài)后，通過人工的方式快速使防喘振電磁閥失電，防喘閥全開，通過查詢歷史趨勢記錄壓縮機(jī)喘振點(diǎn)。若操作人員反應(yīng)不及時，可能會因機(jī)組發(fā)生真實(shí)喘振而造成設(shè)備損壞。

3.2 先進(jìn)的自動喘振實(shí)測

文章以電拖離心式壓縮機(jī)、壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉來調(diào)負(fù)荷的機(jī)組為例，介紹壓縮機(jī)自動喘振實(shí)測方法。

3.2.1 喘振實(shí)測準(zhǔn)備

新增兩個臨時的監(jiān)控及動作回路，即出口壓力監(jiān)控及防喘振電磁閥操作按鈕，用于在自動程序有意外故障時，緊急人為判斷機(jī)組是否發(fā)生喘振，應(yīng)急操作快速打開防喘振閥。新回路需要的工具設(shè)備見表1。

從現(xiàn)場試驗(yàn)機(jī)組排汽側(cè)就地壓力表引出，采用軟管接至操作間內(nèi)高精度壓力儀表。在防喘振電磁閥配電的回路上，串接一個開關(guān)式按鈕，可直接控制防喘閥快開。新增回路示意如圖3 所示。

將機(jī)組從工藝流程裝置中完全隔離出來，可防止喘振試驗(yàn)對工藝造成意外的損失及危害。對機(jī)組周圍設(shè)置警戒安全帶，實(shí)測期間非測試人員不得入內(nèi)。

3.2.2 喘振實(shí)測前靜態(tài)試驗(yàn)

拉閥試驗(yàn)：通過壓縮機(jī)程序仿真模式，與現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)動測試壓縮機(jī)的入口導(dǎo)葉、防喘振閥控制情況。對導(dǎo)葉及防喘振閥進(jìn)行現(xiàn)場拉閥，以保護(hù)控制指令與現(xiàn)場動作反饋一致，且導(dǎo)葉、防喘振閥門控制精度達(dá)到自動控制的要求。

電磁閥控制回路：靜態(tài)情況下測試防喘振閥電磁閥控制回路，將防喘振控制器切換至停車試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，將輸出閥位關(guān)至80%。分別通過軟件的緊急快開、新增的輔操臺緊急卸載按鈕給電磁閥失電。觀察防喘振閥全開、反饋100%。

儀表量程核驗(yàn)：通過手操器連接儀表變送器，核對儀表設(shè)定量程與控制系統(tǒng)組態(tài)量程是否一致。

自動喘振實(shí)測邏輯測試：采用壓縮機(jī)模型測試喘振自動測試程序的正確性，通過壓縮機(jī)主機(jī)廠的機(jī)組性能參數(shù)配置壓縮機(jī)模型，喘振控制程序預(yù)置一條直線的喘振曲線。運(yùn)行壓縮機(jī)模型與程序聯(lián)動，通過手動將導(dǎo)葉開到35°，將喘振控制投入自動加載直至運(yùn)行點(diǎn)控制到喘振控制線SCL 上，防喘振控制進(jìn)入自動運(yùn)行。激活自動測試按鈕，觀察喘振控制斜率調(diào)節(jié)因子自動變化，喘振線SLL 及控制線SCL 緩慢抬起、防喘振閥緩慢關(guān)閉。在此期間通過壓縮機(jī)模型的2 號喘振閥模擬管道過程阻尼變化，造成機(jī)組喘振現(xiàn)象。觀察喘振測試程序激活喘振控制的快開響應(yīng)功能，防喘振閥被打開一定安全裕度的同時，斜率調(diào)節(jié)因子恢復(fù)到測試前穩(wěn)態(tài)時的數(shù)據(jù)。通過趨勢記錄軟件記錄壓縮機(jī)的入口壓力、溫度流量差壓、出口壓力、溫度等參數(shù)。

3.2.3 自動喘振實(shí)測方法

測試采用壓縮機(jī)與工藝隔離防喘振閥放空的方式，機(jī)組在定速情況下入口導(dǎo)葉由低到高，依次分別在30°、40°、50°、60°角度下進(jìn)行喘振實(shí)測。具體步驟如下。

（1）通過性能控制器將壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉逐漸開到30°，期間保持防喘振閥全開，壓縮機(jī)出口全關(guān)。

（2）需對防喘振控制器的斜率調(diào)節(jié)因子KSLL 的增減步幅進(jìn)行設(shè)置（通常設(shè)置為初始值的1%～2%）。

（3）調(diào)整防喘振控制器的閥門快開線，在保證不誤動的情況下盡量靠近防喘振控制線SCL，設(shè)置閥門快開FOL 響應(yīng)強(qiáng)度（通常設(shè)置為60%）。

（4）將防喘振電磁閥帶電，防喘振控制器投入自動加載模式。防喘振閥在加載程序控制下自動緩慢關(guān)閉，直至運(yùn)行點(diǎn)觸碰防喘振控制線SCL。防喘振控制器啟動切換到自動運(yùn)行模式，運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定在防喘振控制線SCL 上。

（5）點(diǎn)擊防喘振自動測試按鈕，壓縮機(jī)防喘振控制器的斜率調(diào)節(jié)因子自動變化，逐漸緩慢地抬高防喘振線SLL 和防喘振控制線SCL。防喘振閥在自動程序的控制下緩慢關(guān)閉，直至壓縮機(jī)壓力上升、入口流量差壓產(chǎn)生突變，機(jī)組進(jìn)入實(shí)際的喘振狀態(tài)。

（6）機(jī)組進(jìn)入喘振后程序自動迅速觸發(fā)喘振保護(hù)功能，觸發(fā)閥門快開FOL 響應(yīng)，使防喘振閥快速大開度打開，將機(jī)組脫離喘振狀態(tài)，斜率調(diào)節(jié)因子自動恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的安全位置。

（7）通過查詢歷史趨勢，記錄喘振發(fā)生時的參數(shù)變化。

（8）提高壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉到40°，再重復(fù)（5）～（7）的步驟，記錄入口導(dǎo)葉在40°時喘振發(fā)生的參數(shù)。同理再依次進(jìn)行壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉為50°和60°時喘振發(fā)生的參數(shù)。

在自動喘振實(shí)測期間，出現(xiàn)以下幾種情況則需通過人為干預(yù)方式終止測試。

（1）防喘閥的實(shí)際開度與反饋不一致且偏差大于5%。

（2）壓縮機(jī)入口和出口有異常低頻脈動聲音且自動實(shí)測程序執(zhí)行異常。

（3）觀察壓縮機(jī)出口高精度壓力表值出現(xiàn)明顯波動且自動程序執(zhí)行異常。

（4）觀察機(jī)組HMI 和振動監(jiān)測系統(tǒng)壓縮機(jī)驅(qū)動端和非驅(qū)動端振動，以及軸向位移的圖像和趨勢，若振幅信號有微小的突變，表示機(jī)組可能開始喘振且自動測試程序執(zhí)行異常。

3.2.4 自動喘振實(shí)測注意事項(xiàng)

喘振控制程序的斜率調(diào)節(jié)因子變化的速度一定要慢且平穩(wěn)，以防止流量突變導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域，同時，需密切注意壓縮機(jī)的振動參數(shù)及流量、壓力波動情況。

每測完一個角度，都需要將防喘閥全開，檢查斜率調(diào)節(jié)因子是否恢復(fù)到安全位置，保證足夠的安全裕度再進(jìn)行升壓。

整個測試過程中要密切關(guān)注排氣溫度值、級間冷卻器的投運(yùn)情況，避免因排氣溫度過高影響測試結(jié)果。

在機(jī)組大導(dǎo)葉角的防喘振測試過程中，對于防喘閥FOL 響應(yīng)開度應(yīng)根據(jù)防喘振裕量合理控制，要密切關(guān)注電流和電機(jī)功率情況，防止過載。

如果在測試過程中出現(xiàn)喘振閥門卡死，自動調(diào)節(jié)無法調(diào)節(jié)，則通過手動方式使電磁閥失電打開，如果電磁閥失電后喘振閥依舊卡死，則需通過手動方式緊急停機(jī)。

3.2.5 自動喘振實(shí)測應(yīng)用

自動喘振實(shí)測方法已成功應(yīng)用于多套離心壓縮機(jī)，表2 為EIA100–4 空壓機(jī)的防喘振實(shí)測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

T880 控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于壓縮機(jī)喘振實(shí)測中，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)防喘振點(diǎn)的自動實(shí)測，減少了人工進(jìn)行實(shí)測操作的工作量，同時實(shí)測過程中的自動保護(hù)極大地降低了實(shí)測過程中出現(xiàn)真實(shí)喘振而人工來不及卸載壓縮機(jī)造成設(shè)備損壞等嚴(yán)重事故的風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

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