空分空壓壓縮機防喘振控制系統

晁龍

摘 要：空分壓縮機的防喘振控制邏輯運用就是控制系統和邏輯點之間相互合作應用。空分壓縮機防喘振體系，是靠Honey11TPS系統DCS本身領先的智能控制方法，還有多重剩余和容錯方式來完成的。單體設施包括空壓機、中壓壓縮機、膨脹透平機、氮壓機四種設施。由增壓壓縮機與膨脹機兩部分組成，它是由美國ACD公司產的新的壓縮設備，主要用處是將增壓壓縮后的空氣經過膨脹，消減能量使空氣降溫。本文主要講述膨脹透平機系統的核心控制--防喘振控制。

關鍵詞：空分;空壓;防喘振控制

1 防喘振控制

1.1 原理

當流經增壓壓縮機的流量比最小值還要小時（出口壓力和進口壓力之比），會導致部分或全部氣體回流的現象，機器軸承所遭受的應力會增大，溫度加大，這種行為稱為“喘振”，喘振會對設施造成破壞，嚴重的會造成巨大事故。對應的壓縮機機器有著對應的參數，防喘振基本理論就是在設施動態運作中通過控制讓設備運作狀態避開喘振曲線。

1.2 控制的實現

1.2.1 流量控制

當壓縮機主動進入防喘振保護控制，讓他完全開啟。為了阻止增壓端的流量突然抵達喘振流量而破壞設備，我們畫了一條和喘振曲線不相交的防喘振控制線，當流量抵達控制線時，調節器自己調整旁通閥的開度，減小設備喘振的幾率。

1.2.2 數學模型的建立

由喘振試驗得到壓力與吸入流量關聯曲線，取里面兩端點坐標（x1，y1），（x2，y2）當做固定點，得到相應的數值，由函數式Y=aX+b得到a、b值，就可以畫出喘振曲線。

當流量小于控制線對應數，且未到喘振區，旁通閥調節器會自主調整閥門的大小;當流量抵達工作區時，旁通閥調節器自主調整并漸漸關小。

1.2.3 入口導葉和旁通閥的調整

經由串級回路完成手/自動調節，并實施了閥位定位。膨脹透平系統的防喘振就是經由控制入口導葉大小、旁通閥開度，從而調整壓縮機的進口流量同壓比來完成的。

2 壓縮機產生喘振的原因

每個類型壓縮機都有它本身的工作特征曲線，就連一臺壓縮機。可知：在一定轉速下隨流量的改變，出口壓力有一個最大值Pa，對應的進口流量Qa，正常運作時Q>Qa，隨著Q的下降，出口壓力同步上升，當Q繼續下降，使得Q

當入口流量很小時，氣流邊界層的離開將擴展到全部氣流的通道，以導致葉道中氣流禁止通過，無氣體排出。此時，壓縮機的排出壓力就會突然減輕，而與它出口相接的管網體系內尚存在較高壓力的氣體，就會倒回到葉輪中;在那期間，倒回的氣體補充了葉輪內氣量的不足;而使得葉輪重新正常工作，升回壓力，再次把流進來的氣體壓出去。于是，出口壓力和出口流量的劇烈動蕩，即是一種互相變化的應力施加在壓縮機上，導致機器和管道振動，葉輪與葉片應力加大，并同時有吼叫噪聲，這種現象稱之為壓縮機的喘振，有資料又叫做為脈動或飛動。這時工作點被叫做為喘振點。當管網系統壓力高于壓縮機在此轉速下能具備的出口壓力的話，也會產生喘振。喘振引發機身的振動，有可能破壞壓縮機部件，尤其是對軸承和軸密封破壞更加嚴重。密封不好會使輪滑油到了流道，降低冷卻器和冷卻效率。可能引起轉子轉向串動，破壞軸瓦或打碎葉輪。在非常嚴重的情況下，將出現飛車。所以，喘振是一種相當危險的現象，操作與系統設計時都必須多加小心。壓縮機決不能在喘振時候下運作。引起入了口流量的減少主要緣由是操作不當，入口管道擁堵或工段未補氣等因素。

2.1 防止喘振發生

壓縮機在運作中，當管路系統阻力變大時，流量會隨之變少，有可能減小到允許值以下。防喘振系統流量過低會自主地將通大氣的放空閥或流回到進口的旁通閥打開，加大經過空壓機的流量，阻止進入喘振區。取流量安全下限當做調節器的規定值。當流量很大時，放空閥關閉，當測量值小于規定值時，調節器放出信號，將放空閥開開，使流量變多。壓縮機工作效率高，在正常情況條件下運作平穩，對其所輸出介質的壓力、流量、溫度改變的敏感性相對較大，容易發生喘振導致嚴重事故。所以應全力阻止壓縮機到達喘振工況。根據離心壓縮機在不同情況條件下的變化曲線，只要我們將壓縮機的最低流量控制在工作區（控制線內），壓縮機即可良好工作。所以需要有一個阻止壓縮機發生喘振的控制系統，阻止壓縮機的流量不會減小到這種工況下的最小允許值。即不會使壓縮機到達喘振工況區域內。

2.2 喘振區域的確定

管網特性曲線，兩條曲線的交點是壓縮機的工作點，工作點的橫坐標是氣體流量，縱坐標是實際排氣壓力。

3 壓縮機防喘振系統控制方案的確定

3.1 防喘振控制系統

通常把壓縮機的管道、容器等全套設施，包括進、排氣管線，稱為管網。壓縮機入口氣體壓力為風，通過壓縮機增壓至肌，通過管道排出，壓力降低到肌。壓縮機的輸氣量GD和管網的流量GR相等，或者說壓縮機的排氣壓力等于管網的入口壓力肌，壓縮機和管網才能穩定運行，即GD=GR或PD=PR。管網的特征曲線和壓縮機的特征曲線的交點正好能滿足這個要求，這就是壓縮機和管網的聯合運行點。

要阻止壓縮機喘振，只要求時工作轉速下的吸入流量高于喘振點的流量Qp就可以了。所以，當所需的流量低于喘振點的流量時，如生產負荷降低時，需要將出口的流量它路返回到進口，或將部分出口介質放空，以擴大入口流量。滿足高于喘振點流量的調整要求最基本的控制方式是最低流量極限控制誤差長期存在，存在積分滿足問題。

3.2 單回路控制系統

縱使在計算機控制獲取高速發展的今天，單回路控制系統仍在非常多的應用。據統計，在一個年產30萬t合成氨的現代化大型設備中，大約有85%的控制體系是單回路控制系統。所以，掌握單回路控制系統的設計原理應用對于實現過程裝置的自主性具有十分重要的意義。單回路控制系統的特征是結構容易，投資小，便于調節，運輸，單回路控制體系一般由被控流程WO（s）、測量變送器Wm（s）、調節器Wc（s）和調節閥Wv（s）等過程組成。

3.3 被控變量的選擇

在一個生產流程中，可能有改變波動的工藝變量很多，一個化工廠的操作調整大體上可以分為三類，即物料平衡控制和能量平衡控制、產品品質或成分控制、限制條件或軟限保護的控制。因而在進行自動控制系統設計時，應深入了解工藝過程，找出對穩定生產、對產品的產量和品質或者人工操作太頻繁、緊張，難以滿足工藝需求的工藝變量，作為被控變量來調整自動控制系統。這里提出幾個被控變量選擇的基本原則：①其信號最好可以直接測量獲取，并且測量和變送環節的落后也要比較少;②若其信號不能直接獲得，可選擇則與之有單值函數關聯的間接參數當做被控變量;③必須是獨立的變量。變量的個數一般可以用物理化學中的規律來確定;④必須保證工藝合理性，以及目前儀表的現狀被否滿足要求。

綜上所述，同時也是關聯到控制方案成敗的要點是選對被控變量。如果被控變量選擇錯誤，則不管構成什么形式的控制體系，也不管設備多么精良的自動化設施，都不能達到預期的控制效果。

3.4 操作變量的選擇

在生產流程中，工藝變量的設計值是由一定的生產負荷、原料組成、工藝變量恰好在設計值上通常都能得到巨大的經濟利潤。然而由于多重外部的和內在的原因，對工藝過程的完好運轉肯定存在著干擾，因而在進行自主控制體系設計時一定深入研究工藝過程，認真分析干擾發生的緣由，建立一個恰好的控制系統，以保證生產過程的穩定操作。

4 結束語

防喘振系統時時發揮著必要作用，既保護了設施，又保證了生產運作的安全實施，此項技術在同類設施控制中有很好的推廣價值。

參考文獻：

[1]章衛國，楊向忠.模糊控制理論與應用[M].西安：西北工業大學出版社，1999.

[2]田瑞庭.可編程序控制器應用技術[M].北京：機械工業出版社，1994.