壓縮機控制及保護系統設計探討

朱巖

摘 要：在石油化工行業發展中，壓縮機的應用較為廣泛，其中以離心壓縮機（簡稱“壓縮機”）為典型代表，存在重量小、裝置效率高、油氣污染少、經濟性能優等顯著特點，一定程度上解決了工況操作失誤問題。但在部分特定工況下，壓縮機的喘振現象較突出，較易造成機器無法正常使用，急需做好壓縮機防喘振控制，避免更嚴重的操作事故。基于此，本研究結合壓縮機使用現狀，著重分析喘振的現象及原理，并針對具體問題提出壓縮機控制及保護系統的設計方案，以期促進喘振問題研究進程。

關鍵詞：離心式壓縮機；防喘振控制與保護；喘振點

中圖分類號：TH452 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0105-02

Abstract： In the development of petrochemical industry， compressors are widely used， of which centrifugal compressor （short for compressor） is typical representative. Small weight，high efficient， low oil and gas pollution and excellent economic performance are the outstanding features of compressor which could solve operation fault of working condition to some extent. However for part of specific working condition， compressor surge phenomenon is prominent， which could easily caused the machine can not be used normally and compressor anti-surge control should be performed in emergent need to avoid the more serious operation fault. Base on this， this research will combine compressor usage status ， focus on analysis the phenomenon and theory of anti-surge and aim to make design program for compressor control and protection system to promote the progress of anti-surge research.

Keywords： Centrifugal compressor； Anti-surge control and protection； anti-surge point

隨著工業技術的進步，壓縮機也在不斷地更新換代，最新電子設備管理的壓縮機漸漸占據產業發展重要地位，為社會生產工作帶來了便利條件。壓縮機具有輸送量大、排氣壓力高的優勢，但也存在部分不足缺陷，穩定工作的區域相對較狹窄，極其容易發生嚴重的喘振問題，影響了壓縮機的安全運行效益。結合不同工況下的壓縮機使用狀態，嚴重喘振現象會直接導致機組流動波動幅度過大，加劇內部零件的磨損程度，甚至可能出現氣體爆炸事故；輕微喘振現象不會產生機組損壞問題，長此以往容易形成惡行循環效應。因此，需要做好預防喘振問題的準備工作，配備相應的防喘振控制系統，以提升壓縮機的安全性、持久性，具有實際研究意義。

1 壓縮機控制及保護系統的發展現狀

從安全生產角度考慮，壓縮機作為工業部門的關鍵設備，過程控制系統的配備是其必要構件，設有防喘振控制、變工況工作點調節、壓力控制等集成功能，以實現操作便捷、穩定可靠的工況狀態。為有效應對喘振問題帶來的意外事故，著重分析壓縮機失穩現象，用以判斷壓縮機喘振數值及系統穩定性，定性提出防喘振控制策略。目前，國內關于壓縮機防喘振控制的研究，諸多設計方案雖已積極參考先進控制方法，但在具體工業應用方面并不理想，壓縮機運行不穩定或輕微喘振現象較明顯，防喘振控制系統的設計還存在資金與技術限制，對此仍需進一步深入研究。

2 壓縮機控制及保護系統的設計研究

結合壓縮機防喘振控制的現狀，詳細分析喘振原理及預防策略，便于穩定機組安全運行。具體如下所示。

2.1 壓縮機的喘振機理及影響因素

在壓縮機機組開車、停車或生產負荷調整期間，喘振現象的易發率較高，源于吸入流量、壓力比及轉速的頻繁變化，進而造成原料量的大幅度變動，極易出現壓縮機運行工況事故。面對不同工況運行情況，影響壓縮機喘振的主要因素有：一是當吸入流量低于警戒線，保持壓縮比與轉速不變，直接造成機組運行曲線轉變位置，使得工況點逐漸移至喘振區域；二是在壓縮比與吸入流量穩定不變狀態下，壓縮機轉速越大，接近喘振臨界點的概率也就越大，則需及時調整轉速及返回線開度；三是壓縮機排出口管網壓力過高引起的喘振現象，吸入流量與轉速不變，氣體壓縮比不斷升高，加快運行工況點進入喘振區速度；四是隨著壓縮機進氣溫度的升高，夏季發生喘振現象的概率更大，源于氣體密度縮減對其產生的內部機理影響，難以確保壓縮機在穩定工況下運行。

2.2 壓縮機喘振點判斷

為有效應對壓縮機喘振現象，需要準確判斷喘振點的變化，用以保障壓縮機機組運行的安全可靠性。首先，依據壓縮機振動檢測結果，若檢測振幅信號過大，則需做好防喘振控制措施；其次，結合壓縮機入出口壓力檢測情況，判斷壓力值是否大幅度波動，準確判斷喘振問題，并準備相對應的預防辦法；最后，當壓縮機入口與出口存在異常脈動聲頻，立即做好打開防喘振閥門的準備。endprint

2.3 壓縮機防喘振的控制

針對壓縮機喘振問題，采用喘振主動控制技術與常規操作方法，明確喘振現象的影響因素，并及時判斷喘振點，做好預防應對工作。

2.3.1 喘振主動控制技術

壓縮機喘振主動控制以PID模式為主，配備執行機構（節流閥、放氣閥、回流閥等），并采用防喘振控制系統，達到協調防喘振回路與機組運行控制的目的，直接抑制喘振引起的氣流不穩定狀況。在日常生產與操作中，防喘振控制器作為壓縮機喘振主動控制技術的重要設備，通過使用規定算式或輸入數值來計算操作點，實現增加穩定裕度喘振線比較分析，以此保護壓縮機不發生喘振現象。具體內容如下：

一是控制防喘振控制器的設定點。在特定條件下，維持設定點與操作點處于固定數值范圍，即裕度不超出5%。設定點的操作主要用于追蹤壓縮機壓力控制輸出情況，通過限定喘振控制線的盤旋速率，做出喘振現象發生前預先動作的判斷，以緩解喘振問題帶來的機組運行故障。

二是保證防喘振控制器的喘振超馳功能。防喘振控制器的喘振超馳功能體現在確保防喘振閥及時打開的作用，也是常規PID模式的補充說明，避免動作過慢引起的喘振問題。當超馳功能作用區間位于喘振線的2%裕度范圍內時，或操作點快速向喘振線移動時，及時打開防喘振閥門，起到及時規避喘振發生風險的目的。

2.3.2 喘振常規操作方法

首先，采取“部分同流”辦法，降低喘振問題發生概率。在實際操作中，要求壓縮機的返同流量大于喘振點流量與流入流量之差，即是滿足流量大于喘振點流量的運行需求。這種方法用于判斷喘振點可取得良好效果，具有與低負荷生產相互協調的特點。

其次，為避免出現壓縮機喘振現象，通過安裝溫度、壓力、流量檢測儀表，用于壓縮機氣體入口流量及出口壓力的喘振輸出數值判斷。此外，在壓縮機的入出口位置，設置的溫度、壓力儀表，可以起到及時檢測與報警的作用。該方法可在出現喘振后立即報警，便于直觀地檢查與監督壓縮機運行的安全性。

再者，設置防喘振回路。在壓縮機的出口附近，設置防喘振打回流回路，并將其壓力值設定為壓縮機允許限定條件下的最低工況點，判斷入口流量值變化情況。當入口流量值低于設定值時，達到最低工況點限定要求，設置防喘振回路自動打開，從而改變壓縮機出口氣體流動，使得出口氣體流動值與壓力值相協調。

最后，注重壓縮機各項參數，及時調整壓縮機機組運行狀態。當壓縮機有發生喘振現象的傾向時，對比壓縮機系統設備參數，分析防喘振曲線與系統入口流量、壓力的變化，準確判斷防喘振點，并對此做出適當調整，可起到遠離防喘振區域的目的。

3.4 壓縮機喘振保護系統的部件選擇

在設計壓縮機喘振保護系統方案中，首要考慮的是保護系統的主要部件，了解各部件的基本功能與參數設置，用以判斷喘振現象的突發情況。具體措施如圖2。

一是主要功能型部件的選擇。入口流量計、壓力傳感器、溫度傳感器等作為喘振保護系統的功能型部件，使用者需要掌握基本用途，并分情況定期使用部件。當壓縮機處于快速喘振反應階段時，可利用入口流量計或出口壓力儀表來判斷喘振控制系統的工藝信號，應選擇響應時間快的儀表，以滿足防喘振保護系統的調節速度要求；流量計主要有文丘里、插入式流量計和孔板等幾種類型。當壓縮機的入口壓力較小時，文丘里和插入式流量計的使用可準確指出壓縮機入口流量的計量數值，避免了孔板流量計設備的壓降失誤問題；當入口壓力較高時，可使用孔板流量計。當壓縮機壓力接近0.1MPa時，應選用絕對壓力傳感器，用于監測壓力值的高低情況；另外，壓力和溫度信號的檢測還主要應用于壓縮機流量校正，即對流量進行溫壓補償，在壓縮機入出口安裝溫度傳感器（推薦智能型溫度傳感器），了解壓縮機工藝系統的溫度變化，便于加快喘振現象測量速度。

二是防喘振控制調節閥的選擇。在壓縮機防喘振的保護過程中，利用線性、等百分比的調節閥來調控喘振狀態，判斷CV值的大小，確保喘振控制閥門的開度。一般情況下，等百分比調節閥的使用更加廣泛，用于喘振控制的概率也更高。

三是止回閥的選擇。壓縮機的止回閥一般推薦無沖擊式類型，為預防喘振現象做好應急準備。

3 結束語

綜上所述，壓縮機作為工業領域重要機械設備，有效解決喘振問題是其必要措施，具有實際意義。在壓縮機應用過程中，明確壓縮機的喘振機理及影響因素，做好壓縮機喘振點的判斷，并利用喘振控制技術與常規操作方法，科學選擇壓縮機喘振保護系統的主要部件，以完善喘振控制及保護系統的設計方案。為避免壓縮機運行安全事件，關于防喘振的研究仍需不斷努力，通過更加合理化的控制策略，提升壓縮機的使用效率。

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