曾慶天

沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)股份有限公司 遼寧沈陽 110000

離心式壓縮機又叫透平式壓縮機，整個壓縮機沒有中間罐等裝置，也沒有巨大且笨重的基礎(chǔ)元件，整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，總體尺寸小，分量輕。機器內(nèi)部耗油量很少，只有軸承部分需要潤滑，減少了壓縮空氣被污染的可能性。壓縮機運行過程中振動小，出口排氣連續(xù)，易于調(diào)節(jié)，維修簡單。因此廣泛應(yīng)用在石油化工行業(yè)的多種裝置上。

1 喘振產(chǎn)生的原因

離心式壓縮機主要由定子與轉(zhuǎn)子兩部分組成，在工作時轉(zhuǎn)子中的葉輪會快速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中，壓縮機內(nèi)部氣體在離心力作用下會進(jìn)入后方的擴壓裝置中，而這時外部的新鮮氣體則會進(jìn)入葉輪當(dāng)中。隨著葉輪的不斷轉(zhuǎn)動，壓縮機外部的氣體不斷被吸入入口并從出口排出，在這一過程中，氣體壓力增大，出口壓力遠(yuǎn)大于入口壓力。在離心機工作時如果入口氣體流量過小或者出口堵塞引起憋壓，會導(dǎo)致下游設(shè)備中的氣體反向流入壓縮機腔內(nèi)，在壓縮機內(nèi)產(chǎn)生震蕩，而這一震蕩過程是周期性的，于是壓縮機會產(chǎn)生周期性的振動，叫作喘振。發(fā)生喘振會導(dǎo)致壓縮機轉(zhuǎn)子振動、位移變大，有可能使轉(zhuǎn)子發(fā)生磨損，對壓縮機的安全運行過程造成很嚴(yán)重的負(fù)面影響，有時甚至?xí)鸢踩鹿实陌l(fā)生。

2 防喘振的基本原理

在壓縮機運行時，當(dāng)氣體介質(zhì)固定后，在某個轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、差壓下，可以通過計算得出一個流量最小的點，當(dāng)流量低于這個值時，壓縮機的性能就會變得很不穩(wěn)定，也就是說機組會發(fā)生喘振，而這個點也被叫作喘振點。喘振點與壓縮機中氣體分子量，入口壓力、溫度、差壓和出口壓力、溫度、差壓相關(guān)，在不同條件下喘振點的位置也是不同的，因此可以計算出不同條件下的多個喘振點，再將這些點連接得到一條線，這條線就叫作喘振線。當(dāng)工作點在這條線的右側(cè)時，機組可以安全運行，這個區(qū)域就叫作運行區(qū)。當(dāng)工作點在這條線的左側(cè)時，機組會發(fā)生喘振，這個區(qū)域叫作喘振區(qū)，機組不允許在喘振區(qū)內(nèi)運行。

圖1 通用喘振線

壓縮機的喘振點可由簡化壓頭與簡化流量計算得出。入口流量的測量值與出口壓力Pd，入口壓力Ps，出口溫度Td以及入口溫度Ts等可用來計算等價孔板值hr(該孔板可視為位于壓縮機的入口)，從而做出喘振預(yù)測。

·R=Ru/MW

·Rt=Td/Ts溫度比

·Rc=Pd/Ps壓縮比

·Ru=通用氣體常數(shù)

·R=特定氣體常數(shù)

·MW=氣體分子量

·Δpo，s=通過測量元件的差壓

·Zs=壓縮機入口氣體的壓縮因子

當(dāng)工作點靠近喘振區(qū)時，防喘振控制器會控制防喘振閥開閥，增加回流量，使入口流量變大，降低出口壓力，從而達(dá)到防止喘振的目的。

3 防喘振控制算法

由于防喘振控制有一定的滯后性，因此需要在工作點進(jìn)入喘振區(qū)之前就進(jìn)行調(diào)節(jié)才能保證安全生產(chǎn)的需要。在壓縮機的防喘振控制中通常會使用到3條曲線：由喘振點組成的喘振極限線SLL；為了滿足提前調(diào)節(jié)的需要，可以通過算法得出一個安全裕量b，在喘振線右側(cè)且與喘振線距離b得到一條曲線，叫作防喘振線SCL，當(dāng)工作點越過防喘振線后就開始進(jìn)行調(diào)節(jié)，提前打開防喘振閥，從而避免工作點真正進(jìn)入喘振區(qū)；當(dāng)工作點越過防喘振線后，越向喘振線靠近表明情況越緊急，因此規(guī)定了一個極限操作距離，即RTL，其位于喘振線與防喘振線之間，得到一條曲線SOL，也叫作階躍快開線，當(dāng)工作點越過階躍快開線后，普通開閥速度已經(jīng)不滿足調(diào)節(jié)要求，需要快速打開防喘振閥，因此在原開閥基礎(chǔ)上增加一個周期性的階躍開閥增量，以達(dá)到快速開閥的目的。防喘振控制器正是根據(jù)工作點與上述3條曲線的相對位置來做出不同的響應(yīng)，從而保證機組安全運行的。

3.1 PID控制響應(yīng)

防喘振控制算法中，當(dāng)工作點越過防喘振線后，會通過比例作用與積分作用開閥，P越大，開閥速率越快；I越大，開閥越穩(wěn)；微分功能則并不作用于此，而是一種提前響應(yīng)，當(dāng)工作點快速向防喘振線左側(cè)移動時，微分響應(yīng)會增加安全裕度，令防喘振閥提前開閥，當(dāng)工作點平緩地向防喘振線左側(cè)移動時，安全裕度不變，不提前開閥。這樣可以保證在實際生產(chǎn)中，工藝有較大波動時仍能避免喘振的發(fā)生，滿足安全生產(chǎn)的需要。

3.2 RTL響應(yīng)

對于一般的擾動，可以通過PID響應(yīng)保證工藝的穩(wěn)定，如果一個擾動較大且快速，PID響應(yīng)的調(diào)節(jié)不夠及時，就有可能導(dǎo)致工作點直接進(jìn)入喘振區(qū)，防喘振閥失電過度打開，從而導(dǎo)致上、下游工藝劇烈波動。為了解決這個問題防喘振控制器使用了一種快速響應(yīng)機制，即RTL響應(yīng)功能。當(dāng)擾動很大，工作點在越過防喘振線后，PID響應(yīng)并沒有立刻把工作點拉出來，相反工作點繼續(xù)左移越過了階躍快開線，RTL響應(yīng)機制就會在原來的開閥基礎(chǔ)上增加一個周期性的階躍開閥增量，在短時間內(nèi)打開較多閥位，從而增加足夠的流量來防止喘振，在保證機組設(shè)備安全的情況下，盡可能地保障生產(chǎn)，避免出現(xiàn)開閥過度引起上、下游工藝波動劇烈，導(dǎo)致生產(chǎn)停止的情況。

圖2 RT響應(yīng)

3.3 根據(jù)SLL線的安全響應(yīng)

當(dāng)意外的巨大波動使工作點急速向左移動，在防喘振控制器的PID響應(yīng)與RTL響應(yīng)起作用前，工作點就進(jìn)入喘振區(qū)導(dǎo)致機組發(fā)生喘振后，安全響應(yīng)會按照設(shè)定好的增量將防喘振線、階躍快開線、喘振線向右平移，增加防喘振控制的裕度。這樣在以后再發(fā)生類似擾動時，防喘振控制器就可以更早地做出響應(yīng)，從而避免喘振再次發(fā)生?？梢酝ㄟ^復(fù)位的方式復(fù)位掉防喘振線、階躍快開線、喘振線的平移增量。

3.4 TSL響應(yīng)

為應(yīng)對防喘振閥門在小開度下開關(guān)不靈活的情況。防喘振控制算法根據(jù)喘振發(fā)生的特點設(shè)定了一條新的控制線，叫作TSL控制線，這條控制線可以保證壓縮機工作點在接近控制線時閥門從全關(guān)位置快速響應(yīng)，防止喘振的發(fā)生，同時又不會使生產(chǎn)工藝產(chǎn)生不必要的波動。

3.5 解耦控制響應(yīng)

對于有些比較復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，往往在一個機組中同時存在多個防喘振控制器，而有些控制回路的作用效果是相反的，比如為了消除一個擾動某個防喘振控制器需要開閥，而這個動作可能會導(dǎo)致其他的防喘振控制器憋壓，從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使整個機組更容易發(fā)生喘振。因此，需要使用解耦控制將每個防喘振控制器的控制算法加權(quán)到其他的防喘振控制器的算法中，使得多個防喘振控制回路能夠協(xié)調(diào)動作，從而使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

4 防喘振的控制模式

在實際生產(chǎn)過程中，防喘振控制器根據(jù)控制方法的不同，通常存在4種控制模式，分別為硬手動模式、自動模式、半自動模式、手動模式。

4.1 硬手動模式

在這種模式下，防喘振控制器將完全變成普通手操器，防喘振控制將失效。此時，即使工作點進(jìn)入喘振區(qū)，防喘振控制器也不會控制防喘振閥開閥。此模式只有在特殊情況(如儀表損壞更換、信號不準(zhǔn)確等)下才會使用。

4.2 手動模式

此模式下，工作點不再受防喘振線的影響，PID控制響應(yīng)失效，即使工作點越過防喘振線左側(cè)，只要仍在階躍喘振線右側(cè)，那么防喘振控制器就不會開閥。同時當(dāng)工作點在階躍喘振線右側(cè)時，可以自由手動控制防喘振閥開度，而工作點一旦越過階躍喘振線左側(cè)，則會按照設(shè)定好的開度以周期性的階躍方式打開防喘振閥，從而讓工作點回到安全區(qū)，此時無法手動控制防喘振閥開度。

4.3 自動模式

此模式下，防喘振控制器所有的響應(yīng)都有效，當(dāng)工作點在防喘振線右側(cè)時，會按照設(shè)定好的速率自動緩慢地關(guān)閉防喘振閥；當(dāng)工作點一旦越過防喘振線左側(cè)，PID響應(yīng)生效，會按照設(shè)定好的P、I參數(shù)以一定的速率打開防喘振閥，讓工作點離開防喘振區(qū)；當(dāng)工作點繼續(xù)左移到階躍喘振線左側(cè)時，PID響應(yīng)與RTL響應(yīng)同時生效，防喘振控制器以普通開閥疊加階躍開閥的形式快速打開防喘振閥。

4.4 半自動模式

半自動模式是手動模式和自動模式做高選后得到的結(jié)果。當(dāng)工作點在防喘振線右側(cè)時，與手動模式相同，可以手動控制防喘振閥開度，不會自動關(guān)閉防喘振閥。當(dāng)工作點一旦越過防喘振線左側(cè)，則與自動模式相同，會按照設(shè)定好的P、I參數(shù)以一定的速率打開防喘振閥，讓工作點離開防喘振區(qū)。

5 防喘振控制器的工作狀態(tài)

防喘振控制器的工作狀態(tài)通常可以分為以下4種，分別為：全開、加載、運行、卸載。在機組的整個啟、停過程中，當(dāng)機組未啟動時，防喘振控制器處于全開狀態(tài)；當(dāng)機組啟動后，并且轉(zhuǎn)速達(dá)到最小運行轉(zhuǎn)速以上時，防喘振控制器進(jìn)入加載狀態(tài)；當(dāng)防喘振控制器全關(guān)或工作點碰到防喘振線后，防喘振控制器處于運行狀態(tài)；當(dāng)機組停機，轉(zhuǎn)速降到最低工作轉(zhuǎn)速以下時，防喘振控制器進(jìn)入卸載狀態(tài)，進(jìn)入卸載狀態(tài)后防喘振開閥，當(dāng)閥位至全開時防喘振控制器再次回到全開狀態(tài)。防喘振控制器處于不同狀態(tài)下，防喘振閥開、關(guān)速率由不同參數(shù)控制。

5.1 “全開”狀態(tài)

當(dāng)機組有聯(lián)鎖時，防喘振控制器處于“全開”狀態(tài)，此狀態(tài)下，防喘振閥門完全打開。

5.2 “加載”狀態(tài)

當(dāng)機組轉(zhuǎn)速升速到最低運行轉(zhuǎn)速以上，防喘振控制器進(jìn)入“加載”狀態(tài)：

(1)如果此時防喘振控制器在自動模式，則會以設(shè)定速率自動關(guān)閉防喘振閥，直到閥位全關(guān)或工作點碰到防喘振線以后，防喘振控制器進(jìn)入“運行”狀態(tài)。

(2)如果此時防喘振控制器在手動或半自動模式下，則需要人為手動關(guān)閉防喘振閥，直到閥位全關(guān)或工作點碰到防喘振線以后，防喘振控制器進(jìn)入“運行”狀態(tài)。

5.3 “運行”狀態(tài)

當(dāng)機組進(jìn)入“運行”狀態(tài)以后，防喘振控制器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

5.4 “卸載”狀態(tài)

當(dāng)機組轉(zhuǎn)速降速到最低工作轉(zhuǎn)速以下后，防喘振控制器進(jìn)入“卸載”狀態(tài)：

(1)如果此時防喘振控制器在自動模式，則會以設(shè)定速率打開防喘振閥，直到閥位全開以后，防喘振控制器進(jìn)入“全開”模式。

(2)如果此時防喘振控制器在手動或半自動模式下，則需要人為手動打開防喘振閥，當(dāng)防喘振控制器監(jiān)測到防喘振閥全開且轉(zhuǎn)速小于最低工作轉(zhuǎn)速后，防喘振控制器進(jìn)入“全開”狀態(tài)。

結(jié)語

離心式壓縮機是工業(yè)領(lǐng)域重要的機械設(shè)備，而喘振又是其固有屬性，為了保證安全、高效的生產(chǎn)，必須有效解決喘振問題。選用合適的防喘振控制方案可以在保證生產(chǎn)設(shè)施安全的基礎(chǔ)上，同時保證工藝生產(chǎn)流程的穩(wěn)定，從而帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。目前防喘振的控制方式仍然有很大的進(jìn)步空間，關(guān)于防喘振控制的研究仍然需要不斷努力，通過更加合理化的策略，以及更加精細(xì)化的控制，可以提高壓縮機的使用效率，進(jìn)而促進(jìn)壓縮機更加安全、高效地運轉(zhuǎn)，具有很高的應(yīng)用價值。