離心式壓縮機防喘振控制

1、離心式壓縮機防喘振控制的探討The research of anti-surge control forcentrifugal compressor楊寶星中國石油遼陽石化分公司芳烴廠儀表車間摘要:對離心式壓縮機喘振產(chǎn)生的原因進行了分析，總結了防止離心壓縮機喘振的控制方法。 重點闡述了本廠壓縮機防喘振的控制方法及實際操作中應該注意的問題。關鍵詞：離心式壓縮機；喘振；防喘振控制Abstract: This paper analyzes the reasons that surge occurs on centrifugal compressor and summarizes the control

2、 method of anti-surge control from centrifugal compressor. It especially illustrates the control method of anti-surge control from our plants compressor and discusses the problems in real operation.Keywords: Centrifugal compressor; surge; anti-surge control1、引言離心式壓縮機具有體積小、流量大、重量輕、運行效率高、易損件少、輸送 氣體無油氣

3、污染、供氣均勻、運轉平穩(wěn)、經(jīng)濟性好等一系列優(yōu)點。因此，離心式 壓縮機在石油化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，但是它在一些特定工況下會發(fā)生喘 振使壓縮機不能正常工作，稍有失誤就會造成嚴重的事故。因此，壓縮機不允許 在喘振狀態(tài)下運行只能采取相應的防喘振控制。1.1離心式壓縮機喘振產(chǎn)生的原因離心式壓縮機在運行過程中，負荷下降到一定數(shù)值時，氣體的排送會出現(xiàn)強 烈的振蕩，機身亦隨之發(fā)生劇烈振動，這些現(xiàn)象被稱為喘振。其產(chǎn)生的原因是壓 縮機工作流量小于最小流量時，氣流在離心式壓縮機葉片進口處與葉片發(fā)生沖 擊，使葉片一側氣流邊界層嚴重分離，出現(xiàn)漩渦區(qū)，從而形成旋轉脫離或旋轉失 速。1.2防喘振控制原理圖1-1循環(huán)流

4、量法防喘振示意圖為使壓縮機不出現(xiàn)喘振，需要確保任何轉速下，通過壓縮機的實際流量都不 小于喘振極限線所對應的最小流量。其原理如圖1-1所示。1.3喘振的極限線方程及安全操作線將在不同轉速下的壓縮機特性曲線最高點連接起來所得的一條曲線，稱為壓 縮機喘振的極限線。Q 22.01.0Pd/ps3.0喘振極限線Q 22.01.0Pd/ps3.0喘振極限線安全操作線圖1-2喘振極限線及安全操作線對于喘振極限線，可以通過理論推導獲得數(shù)學表達式。在工程中，為了安全， 在喘振極限線右邊，建立一條“安全操作線”作為壓縮機允許工作的界限。這條 安全操作線可用一個拋物線方程近似，其經(jīng)驗公式為：Pd 咳 Q 2=K +

5、 a(1)Ps Ti式中，Qi為吸入口氣體的體積流量；二為吸入口氣體的絕對溫度；Ps，Pd 分別為吸入口、排出口的絕對壓力；K，a均為常數(shù)，一般由壓縮機廠家給出，a可為0,、大于0和小于0。由于式(1)中的Q1、Ps, T1有一定的關系，所以我們推導出一個更為實用 的公式。具體推導過程如下：假如在壓縮機入口處用差壓變送器測量流量Q1，測得的差壓為P 1，由標準節(jié)流裝置流量式中，a為常數(shù)；e為氣體壓縮系數(shù)；p 1為入口處氣體的密度。根據(jù)氣體方 程式中，z為氣體壓縮修正系數(shù)；R為氣體常數(shù)；M為氣體分子量。將式(3 )代入式(2)并化簡后，得將式代入式得 式中，m = /。KC4 = Cp(4)T1

6、Psa 2 e 2/、C = 一 zR(5)M七=1 P +。p m p由式(6)可得P = m Pd- - ma(7)Ps Ps)或者p = m(p - ap )(8)式(7)和式(8)就是用差壓計測量入口處氣體流量時喘振安全操作線的表達 式。2、防喘振控制方案(1)固定極限流量法圖2-1喘振極限值采用部分循環(huán)法，始終使壓縮機流量保持大于某一定值，從而避免進入喘振 區(qū)，這種方法叫做固定極限流量防喘振控制。圖2-1 Q即為固定極限流量值。顯 然，無論壓縮機運行在哪一檔轉速上，只要滿足Q Qs,壓縮機就不會出現(xiàn)喘振。 用固定極限流量法設計的控制方案簡單，圖2-2中FIC,即以Q為設定值的防喘 振

7、控制器。Q的取值應以現(xiàn)場壓縮機能達到的最高轉速所對應的喘振極限流量 為好。機組正常運行時，控制器的測量值PV恒大于設定值SP,而旁路控制閥是 氣關閥，因此控制器是正作用控制器和PI特性，控制器輸出達最大時使閥關閉。當機組PVSP時，旁路閥打開，壓縮機出口氣體經(jīng)旁路返回至壓縮機入口，氣量 又增加大大于Q。這時雖然壓縮機向外供氣量減少了，但防止了喘振的發(fā)生。圖2-2固定極限流量法防喘振控制系統(tǒng)這種固定極限流量法不足之處在于當壓縮機低速運行時，壓縮機的能耗過 大，這對壓縮機負荷需經(jīng)常改變的生產(chǎn)裝置就不夠經(jīng)濟；但從另一方面講，此法 具有控制方案簡單易懂、系統(tǒng)可靠性高、投資少等優(yōu)點。(2)可變極限流量法

8、為了減少壓縮機的能量消耗，在壓縮機負荷有可能經(jīng)常波動的場合，可以采 用調(diào)節(jié)轉速的辦法來保證壓縮機負荷滿足工藝要求。因為在不同轉速下，其喘振 極限流量是一個變量，它隨轉速的下降而變小。所以最合理的防喘振控制方案應 是在整個壓縮機負荷變化范圍內(nèi)使它的工作點沿著圖1-2所示的安全操作線而 變化，即只要保證竺 m(p - ap )，就可以防止壓縮機喘振。Ps T1 d 。1根據(jù)這一思路設計的防喘振控制系統(tǒng)，就稱為可變極限流量法防喘振控制系統(tǒng)， 它的原理如圖2-3所示：圖2-3可變極限流量法防喘振控制系統(tǒng)圖2-3的防喘振控制系統(tǒng)是按式(8)構成的，防喘振控制器FIC的測量值是 pv = p1，設定值sp

9、 = m(pd - ap)。當測量值大于設定值時，旁路控制閥始終關 閉。而當測量值小于設定值時，則控制器去開啟控制閥到一定位置，故能防止喘 振的發(fā)生，進而確保壓縮機安全運行。在設計防喘振控制系統(tǒng)時，還需注意以下幾點：I旁路控制閥在正常運行過程中，測量值始終大于設定值，因此必須考慮防 喘振控制器的防積分飽和問題。否則就會造成防喘振控制器動作不及時而引起事 故的發(fā)生。II在實際工業(yè)設備上，有時不能在壓縮機入口處測量流量，而必須改為在 出口處，但是壓縮機制造廠所給的特性曲線往往是規(guī)定測量入口流量的，這時就 需要將喘振安全操作線方程進行改寫?？梢詮娜肟?、出口質(zhì)量流量相等這一等式 出發(fā)，寫出P1與出口流

10、量的差壓值p 2之間的關系式，然后把安全操作線方程中 的P1替換掉，再以此方程進行防喘振控制系統(tǒng)的設計。III喘振安全操作線方程式中的壓縮機出、入口壓力pd, p,均指絕對壓力。 因此，若現(xiàn)場所用壓力變送器不是絕壓變送器，則必須考慮相對壓力與絕對壓力 的轉換問題。3、重整氫增壓機K262防喘振控制實例芳烴廠140萬噸/年連續(xù)重整歧化聯(lián)合裝置中重整氫增壓機是由美國 Elliott公司生產(chǎn)，ITCC由北京康吉森自動化設備技術有限責任公司負責。重整 氫增壓機主要目的是對氫氣進行增壓，分為低壓和高壓二段。這兩段增壓都設有 防喘振控制，下面就LP段對防喘振控制進行探討：ITCC (Integrity T

11、urbine & Compressor Contro)通過控制回流閥的開度 來使工藝過程保持穩(wěn)定。它可達到4個目的。(1)防止壓縮機在喘振條件下工作， 避免喘振對壓縮機的破壞；(2)減少過程干擾，使其盡可能忽略；(3)充分利用 控制參數(shù)，提高壓縮機和相關設備的效率；(4)支持過程控制和透平控制理論。在壓縮機試車期間，喘振閥必須處于全開位置，當壓縮機處于運行模式下， 且壓力比土 1.15時，我們可以選擇兩種控制模式：PS自動控制模式：自動控制模式不允許操作員預設防喘振閥位，喘振閥 由喘振控制器控制。半自動控制模式：此模式允許操作員或過程控制設定一個防喘振閥位。 操作員可對此開或者關。然而基于喘振

12、控制，喘振控制器優(yōu)先于任何操作員設定 的閥位。在壓縮機控制中，下位機選用Triconex公司的Tristation 1131，下面將 著重介紹防喘振控制軟件包。它是由許多功能塊組成的，現(xiàn)將其分別介紹如下：1、流量補償壓縮機一段入口流量需要溫壓補償。補償流量算式如下：MFLOW = MFLOW *上 七 +0.1013 * 七b + 273.15(3-1)max 100PfbTo + 273.15式中，h一文丘里流量0-100% （壓縮機入口流量）MFLOW -壓縮機補償質(zhì)量流量MFLOW -最大質(zhì)量流量，單位kg/hr壓縮機入口壓力，單位MpaGO。-壓縮機入口溫度，單位。CP.-孔板設計壓力

13、，單位MpaGT -孔板設計溫度，單位C2、屆作點的計算在補償質(zhì)量流量可用情況下，此模塊用于計算壓縮機的操作點。喘振控制器 的測量值（操作點）計算公式如下：H _ MFLOWH _ MFLOW * Psbc MFLOWPs + 0.1013max2 Ts + 273.15Tsb + 273.15*100(3-2)式中，Hc -喘振控制器的測量值（操作點）MFLOW -壓縮機補償質(zhì)量流量MFLOW -最大質(zhì)量流量，單位kg/hr單位MpaG單位C單位MpaG單位C單位MpaG（數(shù)值參考數(shù)據(jù)表），單位CTs -壓縮機入口溫度，Psb -壓縮機基準壓力Tsb -壓縮機基準溫度3、壓力比壓力比計算方法

14、:(3-3)PRAT _ Pd + 0.1013壓力比計算方法:(3-3)Ps + 0.1013PRAT -壓縮機出入口壓力比Ps -壓縮機入口壓力，單位MpaGPd -壓縮機出口壓力，單位MpaG4、實際操作裕度實際操作裕度是指操作點與喘振點之間的距離。ConttTol /ineSurge LineCuntinOperating Pointt Actual MarginSurge LineCuntinOperating Pointt Actual MarginSuctiion Flow (lie)圖3-2實際操作裕度實際操作裕度在TS1131里實現(xiàn)方法為當前操作點與喘振點做差，方法如下:r1

15、 MAR匚1r1 MAR匚1應匕 AcIljhIMargi n圖3-3實際操作裕度在TS1131里的實現(xiàn)5、重標定功能塊喘振發(fā)生后此塊用來重新計算安全裕度。我們定義：若是裕度降低到-1%以 下，則認為喘振發(fā)生。重標定功能塊有效需具備一定條件：喘振控制器使能或喘 振控制器工作在自動或非手動模式下。喘振發(fā)生后此功能塊就在原有安全裕度的 前提下累加一個增量作為新的安全裕度。6、總安全裕度此功能塊用于計算操作安全裕度。操作設定裕度可以是一個常數(shù)和比例項的 組合。圖3-4對這兩種不同類型的增益進行了闡述。通常情況下，一個常數(shù)增益 就足夠了。然而有些壓縮機工作在介于喘振和阻塞流的狹窄范圍內(nèi)。要么低速運 轉

16、，要么導向葉片開度很小。這種情形下就需要一個稍小的常數(shù)增益和一比例增益。操作安全裕度的計算公式如下:rSAFETY OP = CONST MARrSAFETY OP = CONST MAR +rSULIN * PROP MAR100(3-4)式中，CONST_MAR-常量安全裕度PROP_MAR-比例安全裕度(%)rSULIN-喘振點Ctmlinl Line J ohlCtmlinl Line J ohlConti Lan I MurgiiiVPi opLutiunal Margni(kmAlBiU - Proportional MargirSurge LineIlDJnl-siAPTLl-l

17、-lSuclior Fig： (ho)圖3-4控制線的繪制方法總安全裕度是操作裕度和重標定裕度之和，它的實現(xiàn)方法如下:OcriilcJ S jafu.y h/jaryi iOcriilcJ S jafu.y h/jaryi iMarc nr?cca brat cn iS JT：- -nr圖3-5總安全裕度的實現(xiàn)7、喘振控制器設定點功能塊此功能塊用于計算并繪制喘振控制器設定點曲線(set point Hover line)。Set point Hover強制喘振PID的SP跟蹤壓縮機的操作裕度。當操作點遠離喘 振控制線時Set point Hover也隨之跟蹤。Hov er LineContro

18、l LineSurge LineOperating PointCu nenlControl S ctp o intHov er LineControl LineSurge LineOperating PointCu nenlControl S ctp o intSuction Flow (he)圖 3-6 Hover line8、喘振PID模塊此功能塊為喘振PID控制器。控制器的給定值SP從Setpoint Hover 功能塊獲得，測量值PV為實際操作裕度，控制器為反作用控制器，即當 流量突然降低得較快時，這時工作點往回運動地快，HOVER 點跟蹤不 上，由于反作用，就會開喘振閥?？刂扑惴榻?jīng)

19、典PID控制。微分時間 為零，只有比例和積分作用。9、喘振超馳超馳控制能夠在喘振控制器起作用前達到保護壓縮機的目的。TS3000中有一個純比例作用功能塊，它不依賴于喘振控制器的PI作用， 能夠獨立地對喘振閥進行控制。如工藝擾動特別大或其它原因，造成機 組突然喘振，喘振控制器來不及響應，這時該模塊提供一個比例項輸出 值迅速打開喘振閥。當操作點達到喘振線時，它控制喘振閥打開。超馳 控制能夠克服喘振PID控制器控制作用滯后的缺點，能及時控制喘振閥 開啟，進而達到保護壓縮機的目的。10、防喘振閥選擇模塊此功能塊選擇最終輸出信號控制喘振閥。在喘振控制器控制喘振閥時有 三種操作模式：自動、手動和半自動。作

20、用于喘振閥的信號是通過高選器選 擇的。自動模式下，喘振閥接受到的信號是喘振PID輸出、喘振超馳輸出和 過程超馳輸出的最大值。半自動模式下，輸出信號是喘振PID輸出、喘振超 馳輸出、過程超馳輸出和手動給定信號的最大值。手動模式下喘振閥的輸出 信號是HMI (人機界面)上的手動閥位輸出。K262 一段防喘振控制就是由以上模塊構成的，它通過控制入口回流量 避免喘振的發(fā)生。該功能由TRICON專用擴展函數(shù)模塊來實現(xiàn)，執(zhí)行速度 快，應用有效的復雜控制算法防止機組喘振。當喘振發(fā)生，喘振控制器控制 防喘振閥迅速開啟直到喘振消失，防喘振閥慢慢關閉，實現(xiàn)快開慢關功能。 喘振線由五段線段組成，將每段線段端點的縱坐

21、標出口/入口壓比（Pd/Ps） 和橫坐標流量差壓（Hc %（0-100%）輸入SRG_LINE模塊，SRG_LINE 模塊根據(jù)輸入的實際工作壓比（Pd/Ps）可以計算出對應的喘振點（Hc%） 位置。控制線在啟機時默認安全裕度為10，工程師可在下位機Ts1131程序 內(nèi)設定安全裕度（初始10%，也可根據(jù)實際工況做適當調(diào)整。）一旦工作點 向左越過喘振線，即判定為喘振發(fā)生?？刂凭€會自動向右平移2%（工程師 可根據(jù)實際工況做適當調(diào)整）此為控制校準線。按reset鍵，控制線會恢復 到初始設定。當工作點向喘振區(qū)移動的速度大于跟蹤點移動速度并且超越跟 蹤點時，防喘振閥將迅速打開，跟蹤設定點迅速按相同的速率減