基于MTO烯烴分離裝置壓縮機防喘振控制研究

白碩,王雪梅,張妍君,龐怡

(中國寰球工程有限公司，北京 100012)

基于MTO烯烴分離裝置壓縮機防喘振控制研究

白碩,王雪梅,張妍君,龐怡

(中國寰球工程有限公司，北京 100012)

離心式壓縮機是石油化工中的重要設備，針對某烯烴分離裝置中的產品氣壓縮機，概述了壓縮機的工藝流程，介紹了喘振的危害，對壓縮機控制系統的選用、防喘振控制方案進行了分析和研究，包括產品氣壓縮機喘振曲線的確認以及防喘振曲線的設定，并通過實例詳述了防喘振控制曲線的改進措施，為后續的防喘振方案優化提供了可行性方案。

烯烴分離 離心式壓縮機 防喘振控制 性能曲線

壓縮機作為石油化工裝置中的動設備，為裝置的運行提供了動力，壓縮機的運行狀態是否穩定決定了整個裝置的成敗。壓縮機控制方案對壓縮機的平穩運行起到至關重要的作用。

1 工藝流程概述

某680kt/a煤基新材料項目以煤為原料，通過氣化生產甲醇，再通過甲醇制烯烴(MTO)技術進一步將甲醇加工成烯烴及其衍生物，其中烯烴分離裝置設2臺壓縮機，分別為產品氣壓縮機和丙烯氣壓縮機，均為單軸多級離心式壓縮機，本文僅針對產品氣壓縮機的防喘振控制方案進行分析和研究。

產品氣壓縮機對來自MTO裝置的反應產品氣進行四段壓縮，提高分離的操作溫度，可將產品氣由0.052MPa升壓至3.275MPa。

2 壓縮機控制系統

壓縮機控制系統(CCS)采用TS3000系統，主要包括： TRICON控制器、軸系監測系統、跳閘停車系統。CCS負責完成產品氣壓縮機組的啟停、調速、防喘振控制、負荷控制、性能控制、聯鎖保護和輔助系統監控等功能[1]。其中，控制器為冗余、容錯型，用于系統的安全聯鎖控制、速度控制、過程控制、防喘振控制及其他輔助控制等。控制器內部所有的重要電路均采用三重冗余(TMR)、容錯設計。特點如下：

1) 每個I/O模塊內都包含有3個獨立的分電路。

2) 采用TMR結構，3個完全相同的通道各自獨立地執行控制程序，而且有專門的硬件/軟件結構，可對輸入/輸出進行表決。

3) 支持卡件熱插拔。

4) 每個I/O卡件都帶微處理器，減輕了處理器的工作量。

5) 支持在線診斷。

6) 允許在線做正常的維護工作等。

3 壓縮機防喘振控制方案

喘振是離心式壓縮機在流量減少到一定程度時所發生的一種非正常工況下的振動，它是介質受到周期性吸入和排出的激勵作用而發生的機械振動[2]。離心式壓縮機對氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發生喘振，喘振時，壓縮機劇烈振動，可能造成葉輪斷裂、壓縮機密封損壞等現象發生[3]。

喘振是壓縮機損壞的主要誘因之一，具有較大的危害性。因此，離心式壓縮機必須考慮防喘振控制問題，保證壓縮機工作在遠離喘振的工況中[4]。

3.1壓縮機的喘振周期

當壓縮機工作在預期性能曲線臨界點左邊時，即工作于不穩定區時，壓縮機的流量和壓頭在瞬間會發生不穩定的周期性變化的現象[5]。壓縮機產生的最大壓頭將小于管路中的阻力降，會使流體開始反方向倒流，當由管路倒流入壓縮機，即出現負流量時，由于壓縮機在繼續運行，因而當管路中壓力降低時，壓縮機入口又開始有新的流量進入，只要壓縮機入口流量小于臨界點流量時，上述過程將重復出現[6]。喘振周期內，壓縮機出口壓力pout和入口流量qV-in的關系曲線如圖1所示，其中：a點指工作點在性能曲線上移動；b點指工作點接近喘振極限點；c點指工作點接近喘振浪涌區；d點指在pout下，重新建立流動壓降。

圖1 壓縮機喘振周期pout-qV-in曲線示意

壓縮機防喘振控制的首要前提是得到喘振曲線。圖1中，qV1為壓縮機的極限流量，即喘振點的流量，不同轉速下的qV1組成了壓縮機喘振曲線。防喘振控制就是使壓縮機工作在喘振線右側的安全區[7]，當壓縮機負荷降低時，入口流量將減小，控制器將打開回流閥，使入口流量不小于極限流量。

根據工藝條件，壓縮機廠商提供了該壓縮機在某工況下的1組預期性能曲線，如圖2所示。在該曲線中查找出壓縮機喘振點的qV-in和pout等數據，包括不同轉速下的qV1對應的出口壓力，即可找出壓縮機在不同轉速下的喘振點，壓縮機喘振點數據見表1所列。

表1 壓縮機喘振點數據

由于qV-in和pout成非線性關系，曲線為拋物線，如果把左側的極限流量連在一起，會有大部分的空白區域，不利于防喘振控制。有必要通過坐標變換，使得橫縱坐標成線性關系，建立無量綱數學模型，使得防喘振控制更為順暢[8]。

圖2 壓縮機預期性能曲線

3.2防喘振控制方案

TRICON控制器軟件平臺中主要實現： 喘振線功能、溫度壓力補償計算、防喘振PID調節功能和超弛選擇功能等[9]。以下對壓縮機機組的防喘振控制方案進行描述。

防喘振控制的核心就是無論壓縮機的壓比如何變化，均要保證壓縮機的吸入流量比發生喘振時的qV1大，只有這樣才能保證壓縮機穩定運行[10]。防喘振控制方案需要關注以下幾個方面： 喘振線的繪制，快開線、防喘振線的繪制，工作點的計算，流量的溫壓補償計算。

3.2.1喘振曲線的繪制

坐標變換后，壓縮機防喘振控制采用了壓比“pout/pin-Δpin/pin”的表示方法，其中Δpin為壓縮機入口流量計兩端的壓差值，pin為壓縮機入口壓力。首先根據壓縮機的預期性能曲線找出各轉速下的qV1即為喘振點流量，將其轉化為pout/pin-Δpin/pin曲線。

根據表1壓縮機喘振點數據，可以將pout-qV-in曲線轉換為pout/pin-Δpin/pin曲線。

1) 質量流量的計算公式如下：

(1)

式中：qm——質量流量，kg/s；C——流出系數；ε——可膨脹性系數；β——直徑比，β=d/D；d——節流件的孔徑，m；D——上下游管道的內徑，m；Δp——差壓，Pa；ρ——上游流體密度，kg/m3；K——定值。

2) 體積流量的計算公式如下：

(2)

式中：qV——體積流量，m3/s。

3) 理想氣體狀態方程的變換：

(3)

式中：p——壓力，Pa；M——摩爾質量，g/mol；R——比例系數，J/(mol·K)；T——溫度，K；下標a為操作工況,下標b為標準狀況。

4) 喘振點的體積流量qV1的計算公式如下：

(4)

經過一系列轉化，防喘振坐標系橫坐標的公式：

(5)

式中：T1——喘振點的溫度。

根據表1壓縮機喘振點數據及圖2壓縮機預期性能曲線，壓縮機入口溫度Tin，M，qV-in，K為已知參數，計算出不同轉速下Δpin/pin。再找出qV-in對應下的pout，算出縱坐標的值pout/pin。每個轉速下有1個喘振點，將4個喘振點連接一起，并通過x-y軸的交叉點，就可以形成當前工況下的喘振曲線。如有多種工況，須找出相對苛刻的喘振點，合并工況畫出喘振曲線。

3.2.2快開線與防喘振線的繪制

1) 防喘振曲線。采用漸進方式繪制曲線，在喘振曲線的右側畫出，按流量的8%作為裕度進行計算。

2) 快開曲線。采用漸近線方式繪制曲線，在喘振曲線的右側畫出，按流量的2%作為裕度進行計算。

防喘振裕量的選用需分析整個工藝管網的滯后時間，包括冷卻器的位置對整個回路的影響。如果裕量設置偏小，起不到防喘振調節的作用；若設置偏大，則縮小了安全區域，同時工作點的波動會提前引起閥門動作，導致工藝發生不必要的調節。因此，防喘振裕量需要在工廠運行中加以修改。

3.2.3工作點的計算

Δpout，Tout，pout，Tin，pin5個變量變化后，工作點Δpin/pin隨之變化。當達到防喘振線時，喘振控制起作用；反之可通過普通PID調節控制防喘振閥門，以保證防喘振返回管線的流量值。

根據質量守恒原理，通過式(3)和式(4)，得出：

(6)

(7)

pout/pin也根據工作點的位置與喘振線比較，進行防喘振控制。

3.3流量的溫壓補償

由于壓縮機內產品氣的壓力和溫度會有一定的波動，需要通過溫壓補償方式計算出準確的流量。

圖3為產品氣壓縮機防喘振曲線，其中喘振線與防喘振線把壓縮機工作范圍劃分成安全區與循環區。

圖3 產品氣壓縮機防喘振曲線

無論任何原因使工作點在性能曲線上移動并到達防喘振線，防喘振控制系統必須打開防喘振閥。由此壓縮機入口流量增加，操作點再次移向安全區，這時防喘振閥關閉。當機組聯鎖停車時，電磁閥失電，閥門氣缸中的儀表空氣迅速放空，防喘振閥快速打開，避免機組開、停車時發生喘振。

3.4傳統壓縮機防喘振控制存在的問題

1) 由于壓縮機廠商給出的預期性能曲線是根據設計院給出的pin，Tin，M繪制的，它們均為定值，在開車階段或生產階段，無論pin，Tin，M怎樣變化，喘振線和防喘振線的形狀和位置始終固定不變，不能有效補償這3個參數變化對喘振線、防喘振線和運行點造成的影響。

2) 由于喘振曲線不準確，實際還未達到喘振點，但根據喘振曲線已經把防喘振閥門打開，導致防喘振閥門長期回流或放空，造成工藝流程的波動，增加了壓縮機的能耗，給工廠造成了不必要的經濟損失。

3.5防喘振控制方案的改進措施

針對傳統壓縮機防喘振控制存在的問題，有以下改進措施：

1) 在開車階段實測壓縮機的喘振點，繪制出喘振曲線，保證壓縮機的性能。這樣做雖然能得到較好的壓縮機喘振曲線，但有一定的風險，需要壓縮機生產廠家配合完成。

改變算法之后，喘振點只與同類型信號的比值有關，且比值為無量綱，僅需要5個測點信號： Δpin，pin，pout，Tin，Tout，有利于壓縮機防喘振的精確控制。

3) 增加解耦控制算法。1臺壓縮機如果有多個防喘振閥，閥門間的動作會相互影響。所以通過解耦控制算法實現1個閥門動作，同時讓其他閥做出響應；否則1個閥動作，所有閥門都動作，將會導致防喘振系統的混亂。

4) 增加微分作用。防喘振的微分作用是為了響應工作點的快速變化，微分不是直接作用在PID的輸出上，而是作用在增加防喘振線的安全裕量上，微分響應的前提是工作點在安全區之內。

5) 增加工況選擇按鈕。烯烴分離裝置中壓縮機的設計工況有很多種，在保證壓縮機運行效率的同時，防止不必要的能源損耗，可以增加工況選擇按鈕，在不同工況時，選用當下的防喘振曲線，保證了壓縮機的穩態運行。

4 結束語

文中針對壓縮機防喘振方案計算方法加以細化推導，并根據現有的壓縮機防喘振控制方案提出了改進措施，為下一步的壓縮機性能提升打下了良好的基礎。

該煤基新材料項目烯烴分離裝置于2016年9月29日一次性開車成功，產品氣壓縮機和丙烯氣壓縮機運行良好，性能考核之后可以針對壓縮機的防喘振控制方案加以改進。

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[7] 厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京： 化學工業出版社，2009： 233-234.

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ResearchonAnti-surgeControlBasedonMTOOlefinsSeparationUnitforCompressor

Bai Shuo,Wang Xuemei, Zhang Yanjun, Pang Yi

(China Huanqiu Constructing&Engineering Co. Ltd., Beijing, 100012, China)

Centrifugal compressor is an important equipment in petrochemical industry. The product gas compressors of olefins separation unit are introduced. The process of compressor is expounded, the hazards of surge are introduced. The control system selection, anti-surge control scheme of compressor are analyzed and studied, which include the confirmation of the surge curve of product gas compressor and setting of anti-surge curve, the improvement measures of anti-surge control curve are described in detail through actual case. A feasible scheme for the follow-up anti-surge scheme optimization is provided.

olefins separation; centrifugal compressor; anti-surge control; performance curve

TP273

B

1007-7324(2017)05-0025-04

稿件收到日期： 2017-06-08，修改稿收到日期2017-07-30。

白碩(1984—)，男，2010年畢業于北京化工大學自動化專業，獲碩士學位，現工作于中國寰球工程有限公司，從事石油化工自動化工程設計工作，任工程師。