離心式壓縮機喘振產(chǎn)生的原因分析及解決方案

離心式壓縮機喘振產(chǎn)生的原因及解決方案——離心式壓縮機是工業(yè)生產(chǎn)中的重要設備，其具有排氣量大、結構簡單緊湊等優(yōu)點，但也存在一些缺點如穩(wěn)定工況區(qū)間較窄、容易發(fā)生喘振。喘振給壓縮機帶來危害極大，為了保障壓縮機穩(wěn)定運行，必須應用有效的防喘振控制。本文主要介紹了離心式壓縮機喘振產(chǎn)生的原因，詳細敘述了壓縮機防喘振的意義與方法，以離心式空氣壓縮機為例，基于霍尼韋爾DCS系統(tǒng)如何實現(xiàn)防喘振控制。離心式壓縮機的工作原理隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)氣體的需求日益增長，離心式壓縮機因其優(yōu)秀的性能及較大的排氣量而被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。在離心式壓縮機中，汽輪機（或電動機）帶動壓縮機主軸葉輪轉動，在離心力作用下，氣體會被甩到工作輪后面的擴壓器中去。而在工作輪中間形成稀薄地帶，前面的氣體從工作輪中間的進氣部分進入葉輪，由于工作輪不斷旋轉，氣體能連續(xù)不斷地被甩出去，從而保持了氣壓機中氣體的連續(xù)流動。氣體因離心作用增加了壓力，以很高的速度離開工作輪，經(jīng)擴壓器后速度逐漸降低，動能轉變?yōu)殪o壓能，壓力增加，同時氣體溫度相應升高，在單級壓縮不能達到壓力要求的情況下，需要經(jīng)過多級壓縮，壓縮前需要經(jīng)過氣體冷卻器冷卻，經(jīng)過這種多級冷卻多級壓縮后，最終達到氣體壓縮的目的。喘振產(chǎn)生的原因喘振是目前離心式壓縮機容易發(fā)生的通病。離心式壓縮機的操作工況偏離設計工況導致入口流量減小，使得壓縮機內(nèi)部葉輪、擴壓器等部件氣流方向發(fā)生變化，在葉片非工作面上出現(xiàn)氣流的旋轉脫離，造成葉輪通道中氣流無法通過。該工況下，壓縮機出口壓力及與壓縮機聯(lián)合工作的管網(wǎng)壓力會出現(xiàn)不穩(wěn)定波動，進而使得壓縮機出口氣體反復倒流即“喘振”現(xiàn)象。另外，壓縮機的吸入氣體溫度發(fā)生變化時，其特性曲線也將改變，如圖1、圖2所示，這是壓縮機在某一恒定轉速情況下，因吸入氣體溫度變化時的一組特性曲線。曲線表明隨著溫度的升高，壓縮機易進入喘振區(qū)。圖

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離心壓縮機的性能曲線圖

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溫度對性能曲線的影響喘振現(xiàn)象的發(fā)生，由于氣體反復倒流，會打破壓縮機原有的運動平衡，導致轉子的振動增大，在旋轉中與定子接觸摩擦，通常監(jiān)控上的表現(xiàn)為壓縮機出口的壓力反復波動，軸承溫度逐漸升高。嚴重喘振時的強烈振動，會使壓縮機定子和轉子發(fā)生斷裂，密封和軸承損壞，造成事故，所以應防止壓縮機進入喘振工況。為了避免壓縮機在正常運行時進入喘振區(qū)，通常會配有回流閥或放空閥，由于壓縮機發(fā)生喘振的根本原因是進氣量減小或用氣量降低，在控制中通過打開回流閥或放空閥增加壓縮機的進氣量或排出量，可以達到防止喘振的目的。防喘振控制喘振曲線的生成空氣壓縮機隨機資料中，廠家通常會給出理論的喘振曲線：F（Nm3/h）-P（kPa），F(xiàn)表示壓縮機入口流量，作為曲線的橫坐標；P表示壓縮機的排氣壓力，作為曲線的縱坐標。喘振曲線一般是在第一象限中的一條弧線如圖3所示，喘振曲線的左側處于“小流量，高壓力”的工況，工作點到該區(qū)域中壓縮機就會發(fā)生喘振；喘振曲線右側處于“大流量，小壓力”的工況，工作點在該區(qū)域中可正常工作，不會發(fā)生喘振。圖3壓縮機理論喘振曲線壓縮機的工程師在現(xiàn)場會進行實際的喘振測試，以此來獲得最真實的喘振曲線，在壓縮機入口無流量計時，會用入口的喉部差壓代替流量進行計算，理論上喉部差壓與流量的平方成正比，具體步驟為：1.將壓縮機出口去下游的管道切斷，一般會在出口管道加裝盲板，因為排氣無法進入下游，只能通過防喘閥放空，若防喘閥關小，則會造成出口壓力憋高、流量減小的情況，以此來模擬喘振的工況。2.保證防喘閥全開情況下，起動壓縮機，用導葉調(diào)節(jié)合適的喉部差壓，然后緩慢關閉防喘閥，直至壓縮機的振動出現(xiàn)不規(guī)則波動，出口壓力出現(xiàn)周期性波動，表明出現(xiàn)喘振征兆，需要迅速打開防喘振閥。3.控制室人員查看控制系統(tǒng)中的歷史趨勢，記錄下喘振發(fā)生時的進氣溫度、排氣溫度、入口壓力、排氣壓力以及喉部差壓等參數(shù)，以此作為喘振曲線的一組數(shù)據(jù)。4.改變導葉開度，以不同的入口的流量，重復進行2、3步驟，測試出不同工況下的喘振點。5.將各喘振點擬合，做出喘振曲線。防喘振控制方案喘振試驗數(shù)據(jù)作為喘振聯(lián)鎖線，工作點運行到該線，判斷為已經(jīng)發(fā)生喘振，需要立即聯(lián)鎖停壓縮機，并將防喘閥電磁閥失電，因為閥門故障開特性，防喘閥全開，以防止設備損壞；喘振線向右偏移5%作為保護線，工作點運行到保護線上，判斷為即將發(fā)生喘振，聯(lián)鎖防喘閥電磁閥失電，閥門全開，使工作點快速遠離保護線，但不停壓縮機，待機器工作穩(wěn)定后，可以再次關小防喘閥重新加載；喘振線向右偏移10%作為控制線。工作點離喘振線越遠，越不容易發(fā)生喘振，但是過度的防喘振會導致大量氣體回流或者放空，造成能源的浪費，因此正常運行時需要將工作點控制在合適的區(qū)間里，如圖4所示。圖4壓縮機實際喘振曲線由于吸入氣體的溫度對喘振有一定的影響，溫度越高，壓縮機的性能越差，其他條件相同的情況下越容易發(fā)生喘振，因此，還需對實際的喉部差壓進行溫度補償，補償?shù)綄崪y喘振曲線的入口溫度再進行計算，具體補償公式如下（△P為喉部差壓）：霍尼韋爾系統(tǒng)實現(xiàn)喘振保護1.PID功塊PID塊是防喘振保護中最重要的部分，PV引腳連接AI輸入即實測排氣壓力；OP引腳連接AO輸出即控制對象——定位器；SP引腳為被測量的設定值，在防喘振保護中會連接實際喉部差壓經(jīng)防喘振控制線計算得到的排氣壓力。在PID塊投入自動后，PID塊通過比較PV和SP的偏差，去計算OP的輸出，使PV向SP靠近，從而實現(xiàn)將工作點控制在防喘控制線附近。SAFEOP引腳可輸入模擬量，輸入的范圍可在OP的范圍中任意輸入，由于防喘振中的PID塊OP引腳一般連接的是閥門的定位器，通常OP的范圍是0~100；SFIL引腳的作用是為了使PID無擾動地投入自動控制，當SILF引腳為ON時，將OP強制輸出為SAFEOP的值并且將PID塊的模式切換為手動，手動狀態(tài)下SP跟蹤PV的值。如圖5所示。圖5PID塊2.折線塊折線塊只有輸入輸出兩個引腳，均用于連接模擬量，在設置中可以輸出若干組X-Y的值，多組X-Y的值可以組合成一段連續(xù)的折線，輸入值通過Y(X)的折線函數(shù)計算得到輸出值，在防喘振保護中將實測到的喘振點輸入X-Y的值中，輸入引腳連接經(jīng)過補償?shù)膲嚎s機喉部差壓值，輸出引腳的值就是通過喘振曲線計算得到的對應排氣壓力值，可作為聯(lián)鎖或者控制的參數(shù)引用，可連到上述PID塊的SP引腳，來實現(xiàn)對壓縮機工作點的控制作用，如圖6、圖7所示。圖6折線塊圖7折線塊設置3.邏輯與運算功能塊大于塊（GT）：比較IN[1]和IN[2]引腳，若IN[1]>IN[2]時，則輸出由OFF變?yōu)镺N。除法塊（DIV）：為數(shù)學運算中的除法，OUT=IN[1]/IN[2]。最大值塊（MAX）：OUT輸出IN[1]、IN[2]中最大的值，如圖8所示。圖8大于塊、除法塊、最大值塊4.速率塊速率塊的P1和PV引腳用于連接模擬量輸入和輸出如圖9所示，作用是當P1變化時，PV的值按一定速率變化到P1的值，這里的一定速率是通過PVROCPOSLM和PVROCNEGLM兩個參數(shù)進行設置，PVROCPOSLM為上升速率限制，PVROCNEGLM為下降速率限制，速率的單位為“工程單位/分鐘”。通過速率塊可實現(xiàn)防喘閥的快開慢關，快開是為了能夠及時打開閥門防止喘振，慢關是為了調(diào)節(jié)工作點時使其慢慢靠近控制線，不至于因為調(diào)節(jié)過大而導致工作點撞到保護線，使電磁閥的聯(lián)鎖保護起作用。圖9速率塊5.手操塊手操塊一般用于手動輸入給定OP的值如圖10所示，常用于手動給定閥門開度。和PID塊一樣，手操塊也有SIFL和SAFEOP引腳，功能與PID塊的相同。圖10手操塊6.防喘振邏輯搭建（1）防喘控制線邏輯搭建如圖11所示，PdI1.PV表示壓縮機的喉部差壓實測值；PI1.PV表示壓縮機排氣壓力實測值；K表示溫度補償系數(shù)，下同。圖

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防喘振控制線邏輯示意一般，PID塊的模式應處于CAS（串級）模式，該模式下SP值由折線塊賦值得來，屏蔽了SP的手動寫入功能，使得喘振控制線啟用。壓縮機的喉部差壓經(jīng)過溫度補償后，進入防喘控制曲線的折線塊，計算得到對應的排氣壓力設定值，設定值連入PID塊的SP引腳，與PV引腳所連的排氣壓力實測值比較而改變OP值。在操作員通過手操塊正常關小防喘閥時，由于速率塊對下降速率限制為1%/s，直接輸入目標開度，防喘會慢慢地關小，此時的MAX塊高選輸出為手操塊的OP值，若工況發(fā)生波動，排氣壓力實測值高于或快速接近SP引腳的值時，PID塊正作用將OP輸出值調(diào)大，當PID塊的OP值大于手操塊的OP值時由PID塊接管閥門控制，由于速率塊對上升速率限制為100%/s，所以防喘閥需快速地打開，使工作點下移。（2）防喘聯(lián)鎖線邏輯搭建當補償后的喉部差壓經(jīng)過喘振線的折線塊計算后，得到排氣壓力的計算值，當實測的排氣壓力比計算值高時，引起壓縮機聯(lián)鎖停車，如圖12所示。圖12防喘振聯(lián)鎖線邏輯示意（3）防喘保護線邏輯搭建與喘振聯(lián)鎖線相似，當排氣壓力高于保護線的折線塊