RF3BB36壓縮機防喘閥頻繁波動故障分析及解決措施

魏國富，蔡興龍，鄭吉慶

（中石油西部管道分公司 生產技術服務中心，烏魯木齊 830000）

0 引言

喘振現象是離心壓縮機工作在小流量時的不穩定流動狀態，它的出現輕則使壓縮機停機，中斷生產過程造成經濟損失；重則造成壓縮機葉片損壞，引起壓縮機設備報廢甚至造成人員傷害。因此，喘振現象在生產中應嚴格杜絕[1]。防喘控制系統作為防止離心式天然氣壓縮機發生喘振的關鍵設備，在壓縮機防喘保護中具有重要作用。當壓縮機工作點接近喘振點時，防喘控制系統自動打開防喘振控制閥，使部分天然氣從壓縮機出口回流至入口，增加入口天然氣流量以防止發生喘振。防喘振控制閥是一個流通截面可調的回流閥，開度隨工作點轉入喘振區而增大[2]。西氣東輸一線某壓氣站兩臺RR RF3BB36 壓縮機在管線流量低運行工況下頻繁出現開關閥波動問題，該站機組防喘控制程序雖進行過PID 參數優化，但并未解決該問題。當壓縮機組工作在低工況并靠近防喘控制線時，防喘閥在防喘控制線左右頻繁開關波動，從而引起壓縮機轉速、進出口流量等工藝參數的波動，低流量下防喘閥動作及相關工藝參數的趨勢如圖1 所示。

圖1 低流量下防喘閥及相關工藝參數波動趨勢Fig.1 Trend of anti-surge valve and related process parameters under low flow

圖2 PLC中組態2#機組參數趨勢Fig.2 Trend of configuration 2# unit parameters in PLC

1 防喘閥波動原因分析

RR 壓縮機組自動防喘PID 控制由比例控制器、積分控制器、微分控制器3 部分組成，對根據防喘控制線計算出的流量設定值與實時值的偏差分別進行比例計算、積分計算和微分計算，將3 部分計算出的值相加得出輸出控制量，該輸出控制量最終控制壓縮機工藝管線上的防喘閥[3]。通過在四道班壓氣站2#機組PCS 程序中組態防喘閥命令輸出、閥位反饋、進口流量、壓縮機轉速等參數趨勢（見圖2），對運行中的2#防喘閥波動情況與壓縮機工作點情況進行檢查分析，發現工作點在喘振控制線左右來回波動，防喘閥從83 ～89 關度之間波動，且防喘閥PID 自動控制輸出開命令后，開閥時防喘閥延遲近7s，且防喘閥及時開閥非線性開閥，存在5%開度階躍。防喘閥PID 自動控制輸出關命令后，有4s ～5s 的延遲防喘閥才能動作，關閥時動作較為線性，按照0.3%/s 的程序設定速率關閥，但PID 控制器停止關閥命令輸出后，防喘閥延時4s ～5s 后才能停止關閥。防喘閥快速打開后，壓縮機進口壓差能迅速增長，說明防喘回路流量無滯，對PID 控制無影響。通過現場觀察防喘閥動作情況，發現防喘閥實際開閥時確實存在階躍。所以，可以判定由于防喘閥動作不靈敏，造成PID 控制超調，從而造成防喘閥頻繁波動，工作點在控制線左右震蕩。

2 防喘閥波動問題解決方法

通過在線不斷對防喘控制系統的比例P、積分I 和微分D 參數進行調整測試，發現PID 參數對緩解閥門波動影響效果非常小。由于防喘閥在關閥時，延時停閥導致關閥時超調，流量下降越過控制線，從而防喘閥快速打開。因此，通過延長自動關喘閥的時間，可以讓PID 能更加精確地檢測到流量的變化，從而可減少關閥過程的超調現象。通過修改PID 自動關閥的速度（原控制程序中工作點向右移動越過控制線時，自動關閥的速率為0.3%/s），減小關閥速率，則防喘閥波動的周期會相應地增長。通過多次測試，最終形成設定自動關閥速率為階梯型值，不同流量偏差下使用不同的關閥速率，在流量偏差大于-0.25 時（靠近控制線右側）使防喘閥關閥速率設定為0（即設置死區），不讓防喘閥繼續關閥，則在防喘閥因流量波動而自動打開后，經過緩慢地調節最終能穩定在緊臨控制線右側，使防喘閥實現快開慢關。優化PID 自動關閥速率后，在不同的偏差時，關閥速率值見表1。優化前和優化后的關閥速率設定程序如圖3、圖4 所示。

表1 優化后階梯型關閥速率設定值Table 1 Optimized stepped valve closing rate setting

圖3 優化前關閥速率設定程序Fig.3 Optimizing the front closing valve rate setting procedure

圖5 優化前后2#機組相關參數趨勢Fig.5 Trends of related parameters of 2# unit before and after optimization

3 優化結果驗證

通過對該站2#機組優化防喘控制程序后經過連續10h運行測試，機組防喘閥運行穩定，期間因工況變化出現過兩次小幅度波動，但防喘閥能迅速回到穩定狀態。對2#機組進行降速至怠速，降速過程中防喘閥能正常打開。2#機組優化前后防喘閥輸出命令、反饋信號、壓縮機進口流量、出口壓力等參數的波動趨勢如圖5 所示。

對1#機組防喘控制程序進行相同的優化，并進行啟機測試。啟機后進行加載提速到3120 轉后，防喘閥投入自動控制后防喘閥逐漸關閥，經過7 次提速，轉速由3120 轉提升至4000 轉，期間防喘閥運行平穩，且在4000 轉時防喘閥全關，此時工作點離喘振線偏差約為33%。對1#機組投入遠程負荷分配控制，轉速下降至3879 轉，出站壓力保持平穩，防喘閥運行平穩。遠程提高出站壓力設定值，壓縮機轉速上升至4000 轉，期間防喘閥運行平穩。遠程降低出站壓力設定值，壓縮機轉速下降，下降過程中防喘閥運行平穩。通過對1#機組進行啟機、加載、升速、手動調速、遠程調整負荷等壓縮機各種工作模式下的測試，優化后的防喘控制程序能保證防喘閥在低流量工況下的運行平穩。

圖4 優化后關閥速率階梯設定程序Fig.4 Optimized valve closing speed step setting procedure

4 總結

經對該壓氣站2 臺壓縮機組防喘控制程序優化后，機組運行在小流量工況時，在啟機過程、停機過程、轉速手動控制、轉速調整過程、遠程負荷控制等各種控制模式和變工況運行下防喘閥均能穩定工作，在喘振控制線左右頻繁開關波動現象不在出現，并通過一定時間的調整后能將壓縮機工作點穩定在防喘控制線右側0.1%～0.3%左右內的安全區域，確保壓縮機組安全性的前提下使壓縮機運行效率實現最大。