愛華網(wǎng)???? 離心式壓縮機目前廣泛應(yīng)用于石油化工等行業(yè)，其安全可靠運行對工業(yè)生產(chǎn)有著非常重要的意義。在各種各樣的機組控制中，防喘振控制是最重要也是最復(fù)雜的控制之一，其控制的優(yōu)劣直接影響機組的安全運行和低負(fù)荷下的能耗。在金陵分公司輕烴回收項目中，采用壓縮機防喘振控制和機組安全保護控制相結(jié)合的方案，有效提高了機組運行效率和安全保護要求，通過對該機組防喘振控制策略和方案的分析探討將有助于更進一步了解壓縮機運行狀況以及為今后系統(tǒng)程序移植提供指導(dǎo)意義。 一、壓縮機喘振危害及防范 在壓縮機運行過程中，如果其吸入流量減少到一定值，一旦壓縮比下降，排氣管線中氣體壓力高于壓縮機出口壓力，被壓縮過的氣體很快倒流回壓縮機，待管線壓力下降后，氣體流動方向又反過來。此時，其入口流量和出口壓力周期性低頻率大幅度波動，如此周而復(fù)始，引起壓縮機強烈的氣流波動，這種現(xiàn)象就叫壓縮機的喘振。壓縮機發(fā)生喘振時，隨著氣體流量周期性的大幅波動，機身也會劇烈振動，并帶動出口管道、廠房框架震動，壓縮機會發(fā)出周期性響聲。如不及時采取措施加以控制，會導(dǎo)致壓縮機的級間密封及軸封的破壞，加劇軸承的磨損，嚴(yán)重時會引起動靜部件的摩擦與碰撞，損壞壓縮機，甚至引起嚴(yán)重的事故。因此喘振是影響壓縮機組穩(wěn)定運行的主要因素。 由喘振現(xiàn)象發(fā)生的機理可知，只要保證壓縮機吸入流量大于臨界值，機組就會在穩(wěn)定區(qū)域運行而不會發(fā)生喘振，當(dāng)運行工作點接近喘振區(qū)域時，需要及時打開防喘振閥，將部分氣體打回流，從而保證壓縮機穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的喘振控制方法主要有兩種：一種是固定極限流量法，另一種是可變極限流量法。二者原理都是讓壓縮機通過的流量總是大于某一極限流量Q，當(dāng)流量減小到該值時，打開壓縮機防喘振閥門來維持足夠的流量。不同的是前者一般選取最大轉(zhuǎn)速下的喘振極限流量值，而后者是根據(jù)喘振點的變化軌跡（喘振線），在一定的安全裕度下得到與喘振線平行的一條控制極限線（防喘振線），以控制防喘振閥的啟閉。固定極限流量法方案簡單，投資少，但流量裕量過大，往往過早啟動防喘振系統(tǒng)，增加了能耗。因此對于壓縮機進氣狀態(tài)變化較小的情況通常采用可變極限流量法。 二、喘振線確定 中石化金陵分公司運行一部新建成一套輕烴回收裝置，其富氣壓縮機C401采用的是沈陽鼓風(fēng)機廠制造的2MCL527型兩段離心式壓縮機，通過杭州汽輪機廠制造的NG32/25型背壓式汽輪機驅(qū)動，設(shè)計采用兩段七級壓縮，防喘振回流線分別由一段和二段出口返回至一段入口處，一、二兩段防喘振控制相互獨立，這里重點對一段防喘振策略進行分析探討。由于裝置原料性質(zhì)波動較大，所以將壓縮機的性能曲線轉(zhuǎn)換成不受進氣狀態(tài)影響的通用性能曲線，其形狀與原始曲線相似，并確定一條與喘振線平行的控制線來控制防喘振閥的開啟，避免壓縮機流量低于極限值而進入喘振狀態(tài)。 預(yù)期性能曲線。預(yù)期性能曲線是由壓縮機廠家提供的一組不同轉(zhuǎn)速下壓縮機出口壓力與入口流量的關(guān)系曲線。壓縮機C401有最小、正常、額定三種工況，每種工況下的性能曲線都是在不同的分子量、入口溫度、入口壓力及轉(zhuǎn)速條件下得到的，一般表示為出口壓力與實際入口流量、轉(zhuǎn)速的關(guān)系。即： 式中，Pd為出口壓力，Qv為壓縮機入口體積流量，n為壓縮機轉(zhuǎn)速。 如圖1所示為富氣壓縮機C401在正常工況下的性能曲線，隨著入口流量的減小，壓縮機出口壓力不斷增加，到達(dá)最高點時即得到相應(yīng)的喘振點，將喘振點平滑地連接起來就得到當(dāng)前工況下的喘振線。 通用性能曲線。盡管壓縮機廠家提供的預(yù)期性能曲線能體現(xiàn)喘振特性，但它們只能分別表示一種入口條件。一旦入口溫度、壓力、分子量發(fā)生變化，原來的特性曲線包括喘振線也將隨之發(fā)生變化，往往導(dǎo)致壓縮機的正常工況點的偏移，甚至跑到喘振區(qū)。 為了消除入口條件的影響，利用相似原理，將特性曲線中橫坐標(biāo)體積流量Qv改為，轉(zhuǎn)速n改為，縱坐標(biāo)取出入口壓比Pd/Ps，并將式(1)改寫為： (2)這樣繪出的曲線稱為通用性能曲線，在應(yīng)用時不受進口條件變化的影響[1]。
根據(jù)孔板計算公式，可以得到入口流量與孔板差壓、氣體密度的關(guān)系式： (3)再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=mRTZ得到氣體密度ρs與入口溫度Ts、入口壓力Ps 的關(guān)系式： (4) 另外，我們知道質(zhì)量流量Qm與體積流量Qv的關(guān)系： (5) 根據(jù)式(3)、(4)、(5)得到通用性能曲線的橫坐標(biāo)如下： (6) 式中，Qv為壓縮機實際入口流量，Qm為入口質(zhì)量流量，R=8314.29/M，為氣體常數(shù)， M為工況下氣體分子量，Ps為入口壓力，Z為壓縮系數(shù)，K為由孔板尺寸決定的常數(shù)， h為孔板差壓，Ts為壓縮機入口溫度，ρs為入口氣體工況下的密度。 在實際的防喘振計算過程中，為了簡化和更加的直觀，橫縱坐標(biāo)分別采用Hx和Pd/Ps繪制壓縮機喘振線，其中Hx表示式(6)中h/Ps與(h/Ps)max比值的百分量，而(h/Ps)max表示孔板最大刻度流量時所對應(yīng)的值，對應(yīng)于孔板的設(shè)計參數(shù)，由式(6)得： (7) (8) 其中，Qmmax為孔板最大質(zhì)量流量，Pc表示孔板設(shè)計壓力，Tc表示孔板的設(shè)計溫度，Rc=8314.29/Mc，Mc為設(shè)計分子量，Zc為設(shè)計壓縮系數(shù)。 根據(jù)式(7)、(8)計算出Hx為： (9) 由于從預(yù)期性能曲線得到的是入口當(dāng)前工況下的體積流量Qv，并且壓縮機入口孔板設(shè)計規(guī)格書給出的刻度流量為標(biāo)況下的體積流量Qvmaxn，為了方便計算喘振點坐標(biāo)，可以將式(9)再次變化為： (10) (11) 式中， Qvmaxn為孔板標(biāo)況下最大體積流量，ρ為標(biāo)況下密度，P=101.325為絕壓常數(shù)，T=273.15為標(biāo)準(zhǔn)溫度常數(shù)，σ可認(rèn)為是入口流量補償系數(shù)。 已知壓縮機一段入口孔板設(shè)計參數(shù)為Qvmaxn=15000Nm3/h，設(shè)計壓縮系數(shù)Zc=0.98，Tc=313K，Pc=0.178MPa(A),Mc=41.785。根據(jù)沈鼓提供的三種工況下的預(yù)期性能曲線(如圖1)中的喘振點坐標(biāo)(Pd，Qv)以及每種工況下的入口壓力、溫度、分子量，可根據(jù)式(10)、(11)求得通用性能曲線中喘振點的坐標(biāo)(Pd/Ps,Hx)，見表1～表3。 表1 最小工況 喘振點轉(zhuǎn)速 r/minQv m3/hPd/PsHx 1972444613.6920.82 21026547624.323.72 31080551254.9627.47 41134558555.7435.86 注：最小工況對應(yīng)的入口條件為：M=43.611，Ps=0.178MPa(A)，Ts=313K，Z=1 表2 正常工況 喘振點轉(zhuǎn)速 r/minQv m3/hPd/PsHx 1993245623.6520.84 21048348804.2623.84 31103552754.9227.86 41158759005.6834.85 注：正常工況對應(yīng)的入口條件為：M=41.785，Ps=0.1779MPa(A)，Ts=313K，Z=1 表3 額定工況 喘振點轉(zhuǎn)速 r/minQv m3/hPd/PsHx 11009446093.8421.27 21065550094.4625.12 31121653495.1528.64 41177762555.9839.17 注：額定工況對應(yīng)的入口條件為：M=41.785，Ps=0.1779MPa(A)，Ts=313K，Z=1 喘振線、防喘振線及下移線。根據(jù)表1～3的數(shù)據(jù)，可以繪制出壓縮機一段缸在三種工況下的喘振線，如圖2所示，分別取三條折線中最靠右邊的一組相關(guān)點并按順序連接起來，即得到通用性能曲線下壓縮機的喘振線。喘振線右邊為工作區(qū)，左邊為喘振區(qū)，防喘振的目的就是防止壓縮機進入喘振區(qū)，因此將喘振線向右平移一小段距離作為壓縮機的防喘振線，這一小段距離就是喘振的基本裕度b，本設(shè)計為10個單位。為了更進一步保護壓縮機運行在工作區(qū)，這里設(shè)計了一條初始狀態(tài)與防喘振線完全重合的防喘振下移線，當(dāng)喘振檢測程序檢測到一次喘振時，該折線會向右平移一小段距離c，本設(shè)計為2個單位。防喘振下移線與喘振線之間距離即基本裕度與額外裕度之和，稱為總裕度b＇，該總裕度有一個上限值（本設(shè)計為20），達(dá)到上限以后，防喘振下移線便不再平移，通過HMI畫面上設(shè)置的喘振復(fù)位按鈕可以將防喘振下移線恢復(fù)到初始位置。總裕度與基本裕度、額外裕度之間的關(guān)系為： b＇=b+N×c（N≤5，為檢測到的喘振次數(shù)） 對于類似循環(huán)氫壓縮機這樣的機組，工況穩(wěn)定，曲線平坦，工作范圍寬，實際上還可以將喘振線簡化為一條直線，這樣組態(tài)起來更加容易，控制精度也能達(dá)到滿意的效果。 圖2 三種工況下的喘振線 三、防喘振控制方案的實現(xiàn) 本項目SIS采用Trusted公司ICS三重化冗余容錯控制系統(tǒng)，其防喘振控制基于三重模塊冗余容錯結(jié)構(gòu)的控制器，設(shè)計的防喘振控制過程是由數(shù)個模塊組合而成的，每一模塊通過計算程序模塊實現(xiàn)自己的功能，如操作點計算、折現(xiàn)計算及喘振檢測等，功能模塊關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖3所示。 圖3 防喘振控制功能圖 操作點計算。通用性能曲線中橫坐標(biāo)與入口流量大小相關(guān)，為了通過防喘振PID回路控制防喘振閥保證壓縮機的入口流量，控制程序必須計算出當(dāng)前狀態(tài)下位于同一水平線上的三個點：即工作點、喘振點以及防喘振點。首先根據(jù)當(dāng)前工作狀態(tài)下的入口流量Qm、入口壓力Ps、出口壓力Pd、入口溫度Ts以及一些設(shè)計參數(shù)通過式(10)計算出當(dāng)前工作點的坐標(biāo)（x1,y1）。喘振線是由上述圖2中靠最右邊的一組相關(guān)點順序連接起來的多段折線，根據(jù)這組點的坐標(biāo)可以作出其分段函數(shù)y=f(x)，將工作點的縱坐標(biāo)y1代入，即可計算出當(dāng)前狀態(tài)下的喘振點坐標(biāo)（x2,y1），再加上總裕度b＇，可得到當(dāng)前防喘振點坐標(biāo)（x3,y1），x3=x2+b＇，如圖4所示。在該項目SIS系統(tǒng)中，上述計算過程主要由操作點計算模塊opcalc和折線計算模塊table5實現(xiàn)。 圖4 工作點、喘振點及防喘振點 喘振檢測。壓縮機喘振檢測功能通過圖3中的margin模塊實現(xiàn)，它根據(jù)兩個條件來判斷喘振是否發(fā)生，其一是當(dāng)前操作點是否在防喘振下移線的左邊，即上述x1 防喘振控制器。防喘振PID控制器具有常規(guī)PID調(diào)節(jié)功能，將當(dāng)前操作點橫坐標(biāo)x1作PV，將與其對應(yīng)的防喘振下移線上的防喘振點橫坐標(biāo)x3作為控制器的給定SP，計算二者偏差值DV=SP-PV作為控制器的輸入，進行比例積分運算調(diào)節(jié)。工作點在安全區(qū)域內(nèi)工作時，調(diào)節(jié)器的比例度和積分時間可由操作人員手動輸入進行整定，當(dāng)工作點移動到防喘振下移線左邊時，程序強制控制器的比例度為一個較小的設(shè)定值，以提高輸出的反應(yīng)靈敏度，增強控制作用。 防喘振閥動作控制。防喘振閥的控制有手動、自動、半自動三種方式，在自動控制模式下，防喘振閥的開度完全由防喘振控制器的輸出決定，操作人員無法開啟或關(guān)閉防喘振閥，同時手動輸入閥門開度值將自動跟蹤控制器的輸出，以便無擾動切換到手動模式；當(dāng)切換至手動模式時，防喘振閥開度完全由操作人員手動給出，不管工作點處于壓縮機性能圖上的何種位置，自動控制程序都無法打開喘振閥，此模式一般僅用于工程設(shè)計測試或現(xiàn)場儀表故障維修；第三種半自動模式是通過一個maxr模塊比較控制器自動輸出值與操作人員手動給定值的大小，將較大的一個作為整個調(diào)節(jié)器程序的輸出控制防喘振閥。 在防喘振控制器輸出送到防喘振閥之前 ，設(shè)計了一個RampRate模塊，限制防喘振閥的開關(guān)速率，實現(xiàn)閥門快開慢關(guān)的功能要求。 通過一段時期的調(diào)試和運行，目前輕烴回收裝置富氣壓縮機運行情況良好?？紤]到輕烴吸收裝置原料的復(fù)雜性與波動性較大等特點，該防喘振控制系統(tǒng)有效地補償了壓縮機進口條件的變化，提高了控制的安全性、精確性，降低了能耗。 參 考 文 獻(xiàn) [1]李江平.相似原理在壓縮機防喘振控制中的應(yīng)用.大氮肥.1997 [2]張成寶.離心式壓縮機的喘振分析與控制[J].壓縮機技術(shù).2003.06 [3]孫緒剛.循環(huán)氫壓縮機防喘振設(shè)計分析.技術(shù)縱橫.2006.02 [4]黃鐘岳,王曉放.透平式壓縮機[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2004
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