丙烯壓縮機防喘振控制的實現

李文濤（內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350）

丙烯壓縮機的規格、規模與性能多種多樣，在不同的化工生產環境中，其功率需求也不同。根據作者的工作經驗與實際接觸，以本廠的丙烯壓縮機為研究對象，進一步展開關于丙烯壓縮機防喘振控制的研究。

該丙烯壓縮機屬于單體類型，其結構水平分開，具有兩段離心壓縮機，在工作中可以分別提供0℃、-40℃兩種冷量級別環境。設備應用包括五個工藝用戶，利用可編程邏輯控制器（PLC）來實現防喘振控制；控制界面經過改造，采取觸摸屏的方式進行操作和監督，對事故原因分析有很大的直觀作用，生產中產生的數據可以上傳到分布式控制系統，便于集中管理。

1 丙烯壓縮機概論

喘振也稱之為“飛動”，是壓縮機性能反常的一種常見表現，其不穩定運行的過程中導致壓力、流量的大幅度異常，產生類似劇烈喘息的噪音，并表現出一定規律的振動。喘振會導致壓縮機的轉子和定子部件經受交變動應力，導致軸承損壞，甚至發生轉定碰撞和爆炸事故，造成后果惡劣的人身傷害和財產損失。

1.1 丙烯壓縮制冷原理

丙烯（CH2=CHCH3）常溫下為無色氣體，冰點-185.3℃，沸點-47.4℃；制冷作用的實現是在高壓液體的低壓下蒸發，在等溫條件下從外部吸收高于介質的熱量，利用液體氣化的相變特征轉移熱量，最終實現制冷的目的。

壓縮機制冷是循環進行的，相對于丙烯壓縮設備而言，蒸發器內的液體（丙烯）吸收熱量之后變化為氣體狀態，返回到壓縮機的入口，重新進行加壓、液化，當壓力達到一定級別之后再度進行凝結變成液體，從而形成循環。

1.2 喘振現象出現原因

理論上說，喘振是壓縮機的一個設計缺陷，作為一種固有現象，產生喘振的原因來源于負荷降低之后，排氣量小于當前轉速下對應最大壓縮比的體積流量，設備的機械力性能過大，氣體形成周期性的倒流和排出，而這一時期的內部壓力是不穩定的；由此產生較大的振動和噪音，這就是喘振現象的表現。

而喘振現象一旦出現，就意味著壓縮機在介質運行上出現了漏洞，需要進行重新調整。

1.3 喘振現象控制原理

控制喘振現象就必須從內部設備功能入手，在不同的轉速下，壓縮機特有曲線的最高點軌跡是拋物線形狀，理論上稱之為“喘振極限線”；利用數學模型將其轉化為二折線函數，進而采用放空和打回流的手段，來阻止喘振現象的發生。

2 丙烯壓縮機防喘振控制的實現

根據對本廠丙烯壓縮機的調試結果整理數據，計算可知，當喘振極限線坐標下放3%即可實現放空，而在實際的操作中，將放空線縱坐標下放5%之后，才進入丙烯壓縮機的安全響應范圍。

我廠所采購的丙烯壓縮機有兩個段，每段都可以設置防止喘振控制系統，按照現場測試的數據計算，入口差壓變送器測量45%折返點作為喘振線對應處。

分析喘振形成的原因，不難發現要避免這一故障的出現，只要克服壓力在同等條件下，入口流量大于喘振極限即可；如果壓縮機發生失控現象（控制閥能源中斷），就需要確保完全開放進口，引入最大流量。

2.1 入口流量值修訂

入口流量是控制丙烯壓縮機發生喘振的重要途徑，可以采用差壓閥測量氣體的流量，在溫度、壓力等參數符合工作條件的狀態下，確保修訂的值大于喘振極限線。

2.2 喘振給定值獲取

在喘振極限線描繪完成之后，包括折線函數在內的數學表達式計算，都可以作為壓力補償的入口差壓值判斷標準。為了確保其穩定性，一般可以設定系數標準（8%-12%），以滿足防喘振控制器的設定值域。

2.3 防喘振控制策略

丙烯壓縮機防喘振控制的實現，主要是通過數字信號微調實現的操作，具體方式包括開環和閉環作業。當實際工作點接近喘振極限線的過程中，控制器可以給出階梯形操作型號，當數值進入8%系數獲取領域之后，即可快速打開控制閥。

邏輯元件控制器的優勢很明顯，根據階梯幅度可以快速調整實際需求，也可以結合自動化控制方式，來滿足正常入口的實際流量調整，但這種做法目前并沒有普及；同樣，利用積分控制器也可以實現喘振控制需求，但這種控制方式很容易達到輸出上線，如果打開不及時，喘振發生的頻率很高。

綜合分析測試，在防喘振控制策略方面，PLC控制的魯棒性最好，同時操作簡單、經濟可靠，能夠有效地節約運維成本。

3 丙烯壓縮機防喘振控制系統分析

我廠引進的丙烯壓縮機大致可劃分為兩個功能部分，其一為汽輪機驅動的離心式壓縮機系統，其二為丙烯介質的熱（冷）循環系統；以丙烯作為熱傳導介質，通過壓縮、放熱、冷凝、節流、降壓、蒸發等環節，最終實現制冷效果。

理論上來說，防喘振控制系統應該介入這兩部分系統。其中，壓縮機通過汽輪機驅動，當葉輪轉速達到一定級別之后，就會產生旋轉離心力擴壓氣流，促使氣體的壓力不斷提高，形成丙烯壓縮機的執行動力；其工質變化包括氣話制冷循環，蒸汽升壓，高壓蒸汽冷凝以及高壓液體減壓四個步驟。

整個控制系統主要包括PLC模塊、電源和通訊模塊，采用TRICONTMR控制系統，提高控制的靈敏性，同時確保其較高的安全性；由于通訊總線的均冗余特點，有效地提升了系統的糾錯能力。鑒于三段的客觀設備需求，該系統有三個完全相同的系統通道架設，丙烯壓縮機單體系列中除了固有的主機架之外，另外加入兩個輔助的擴展機架。

事實上，丙烯壓縮機的應用在企業內部較為便利，PLC模塊與高速局域網之間的貼合度很大，支持多種通訊協議，形成很好的通訊功能。同時，DCS系統支持通訊功能的數據備份，具有實時數據處理和歷史數據處理的功能，在操作平臺上較為便利地實現流程結構、調速畫面和防喘振控制結構圖。

在喘振極限線以內的區域中，丙烯壓縮機的動態性調節除了PCL控制器之外，也包括調節閥裝置，兩只之間對數據的依賴性相同。如果不考慮儀表數據因素之外，控制方案的選擇與控制時機的把握是決定性作用的，所以，無論是控制器還是調節閥，其操作都不是固定不變的。

從當前我國丙烯壓縮機的應用實踐來看，控制器功能的發揮有限，其主要原因是對性能圖分析的能力不足，無法確定極限值參數的實際影響。此外，還需要合適的算法，針對影響極限值的參數進行合理調整。如果壓縮機的動態性性能圖實現標準化，即根據不同類型的壓縮機需求滿足控制設計，就能確定測量點和入口的工藝條件。

4 結語

隨著我國經濟發展的步伐加快，現代工業體系也日趨完善，煤化工產業、石油化工產業等項目的安全、穩定運行成為企業最大的訴求。丙烯制冷壓縮機的應用中，要充分考慮丙烯原料的特性，結合機械性能穩定的需求，制定出符合企業實際操作的防喘振措施。開環和閉環結合的控制方式是目前應用范圍較廣的措施之一，作者結合自身的經驗和實踐，認為做好控制系統的合理設置是至關重要的。

總地來說，在社會化大生產的背景下，精細化操作需求日益普遍，任何一個生產設備的故障都會導致整體項目的影響，積極研究丙烯壓縮機防喘振技術具有重要的意義。

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