離心式壓縮機防喘振控制

林波（中國石油天然氣第一建設有限公司，河南 洛陽 471023）

壓縮機是石油化工裝置的核心設備，其安全平穩運行對安全生產起著至關重要的作用。當壓縮機的進口流量足夠小的時候，會在整個擴壓器流道中產生嚴重的旋轉失速，壓縮機的出口壓力突然下降，使管網的壓力比壓縮機出口壓力高，迫使氣流倒回壓縮機；一直到管網壓力降到低于壓縮機出口壓力時，壓縮機又向管網供氣。當管網壓力又恢復到原來壓力時，壓縮機又產生旋轉失速，出口壓力下降，管網中的氣流又倒流回壓縮機。如此反復，使得壓縮機的流量和出口壓力周期性大幅度波動，這種現象就叫做喘振，是離心式壓縮機固有的一種現象，是壓縮機損壞的主要誘因之一。

防喘振控制程序是控制系統廠家根據機組廠家提供的實驗數據開發的具有防喘振控制功能的標準功能模塊，它能夠確保壓縮機安全運行并提高機組運行效率，但是如果應用不當將導致使機組發生喘振、損壞設備甚至造成停產等事故。

1 壓縮機防喘振控制性能曲線

壓縮機防喘振性能曲線有三條（圖1）。圖中描繪了壓縮機的操作極限（即喘振控制線）、喘振線（即喘振區）和喘振裕度。壓縮機經過重新裝配或解體檢修，機器性能會有所變化。根據廠家提供的機器性能曲線，對SCL、SLL、喘振安全裕度進行重新校驗。從壓縮機在不同轉速n1，n2，n3(n1＜n2 ＜n3)下的特性曲線可以看出，每條特性曲線都有一最高點（即喘振臨界點），將各曲線的最高點連在一起便形成一條喘振線。曲線的右邊為壓縮機的安全操作區，左邊為喘振區。為了保證壓縮機不發生喘振又能達到最高效率，要求其實際控制點離喘振線有一定的裕度，一般為喘振點的5%--20%左右。將各轉速下的喘振裕度連成一線，即為防喘振控制線。壓縮機在實際操作時，其操作點應始終穩定在防喘振控制線上。在壓縮機喘振控制線（SCL）與壓縮機喘振線（SLL）之間設定有一條喘振加強控制線（Boost），為喘振線的3%—5%。當操作點越過SCL 左側向SLL迅速逼近到達Boost時，加強調節功能激活，操作點能夠被快速控制并恢復，使控制系統平穩而快速地過渡到新的平衡狀態。

特性響應曲線 圖1

防喘振控制器圖2

SCL—防喘振控制線SLL—喘振線Boost—加強控制線

2 防喘振控制器

不同工況防喘振控制線是不同的，壓縮機操作點最終控制在防喘振控制線上，以提高壓縮機的功效。該控制器主要由開環控制（比例加強控制、喘振檢測）和閉環（防喘振PID控制、速率(斜坡)PID 控制）等功能塊的輸出引入一個高值選擇器組成（圖2）。

防喘振控制的難點是喘振線、防喘振控制線的精確定位以及如何把壓縮機的操作點始終控制在防喘振控制線上。首先，確定操作點控制算法：根據壓縮機入口體積流量Qa2、入口壓力Ps（絕壓）、出口壓力Pd、入口溫度Ts、出口溫度Td及工藝介質常數等參數，利用防喘振控制器功能塊進行運算，通過對操作點的計算確定壓縮機喘振臨界操作點；其次，引用控制變量“WS_PV”進一步計算出實際操作點與喘振控制線的比值，判斷操作點的位置和移動速率；通過輸入/輸出與各功能塊連接和相互作用，輸出控制信號去調節防喘振控制閥。

2.1 操作點控制算法

常用的操作點控制算法：（1）壓比Pd/Ps--入口流量Qa2，（2）出口壓力Pd--入口流量差壓ΔPs。壓比Pd/Ps控制算法由多變壓頭（Hp）、實際體積流量Qa2和壓縮機轉速之間的相互關系確定壓縮機操作點，其運算關系：OP=Qa2/Hp

OP—Operation_point（工況操作點）Qa—實際工況氣體體積流量(Am3／h) Hp—多變壓頭(Nm／kg)

2.2 控制變量“WS_PV”

防喘振控制器引用控制變量“WS_PV”參數來判斷操作點離SCL 的遠近。變量“WS_PV”是實際操作點與喘振控制線的比值，標準值為100。防喘振控制線（SCL）為100，若操作點與SCL比值為150，那么操作點在距離SCL為50%遠的安全區。運算公式如下：

3 防喘振控制程序調試及應用

3.1 邏輯聯鎖調試

圖3是湖北黃岡500萬方/天LNG工廠丙烯壓縮機一段、二段防喘振控制操作畫面，它包括比例積分、喘振計數調整、喘振裕度復位、自動/半自動/手動模式切換、邏輯判斷、防喘振控制性能曲線、防喘振控制閥等七項需要逐項進行參數設定和校驗調試的內容。

防喘振操作畫面 圖3

圖4

首先，邏輯判斷與輸出繼電器、防喘振控制閥連接組成邏輯聯鎖回路，邏輯判斷應設計成“與”邏輯，“0”觸發、“1”為正常狀態；輸出繼電器和電磁閥設計成“事故安全型”接線方式；防喘振控制閥選用信號切斷時，必須在2 秒之內快速全開（FO），且在氣源切斷后具有閥位保位功能。

3.2 防喘振控制性能曲線校驗及應用

調試過程中必須對防喘振控制性能曲線進行5點以上模擬校驗，校驗點必須均勻分布在整條曲線上。

在湖北黃岡500萬方/天LNG工廠開車過程中，因控制系統內壓縮機出口流量參數FT350組態量程（0—16KPa）與現場變送器FT350 量程（0—6KPa）不一致，導致防喘振控制系統聯鎖停車。從圖3操作畫面可以看出，由于一段入口流量沒有設計差壓變送器FT350，參與防喘振控制計算。

為了便于分析聯鎖停車事件，做操作點運行趨勢分析簡圖（圖4）。當出口流量差壓FT350 實際測量值為3KPa時，假設出口壓力為0.8MPa，參與操作點計算的就是8KPa和0.8MPa數值，那么操作畫面上防喘振控制性能曲線上顯示的操作點就是B，是個虛假點，而實際操作點在A 點，不會顯示在操作畫面上。由于B點離SCL右側較遠，為了使壓縮機達到最佳工況操作點，操作工或防喘振自動控制程序會根據B點去調節防喘振閥，使操作點B 向左移動，同時實際操作點A 也向左移動。當B 點移動到D 點時，點A 則到達C 點，正好在壓縮機喘振線上，從而引起機組喘振聯鎖停車。

4 結語

防喘振控制技術是離心式壓縮機控制技術中的核心，不同的壓縮機有不同的機械性能曲線，即使同一臺壓縮機，在經過解體檢修后，它的機械特性也會改變。因此，一臺壓縮機的性能曲線的校驗和正常操作點的確定必須在現場設備安裝結束，具備條件后實際在線測試。