淺談增壓透平膨脹機防喘振控制設計與應用分析

祁二小

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

在空分設備中，增壓透平膨脹機是非常重要的組成部分，能夠為空氣分離提供冷量。就目前來看，在部分大型國產空分設備中，一套空分設備往往需要配備兩臺增壓透平膨脹機，不過，空分設備要求連續運轉，即便增壓透平膨脹機可以在主備之間快速切換，也依然會對空分設備的運行產生不良影響，基于此，增壓透平膨脹機必須具備穩定的性能，做好防喘振控制的設計和應用也就顯得非常必要。

1 增壓透平膨脹機的相關概述

增壓透平膨脹機的工作流程包含增壓、冷卻、絕熱膨脹和機械功，在實際運行中，工作介質會先經過增壓機進行增壓，冷卻后進入主換熱器，然后進入膨脹機，實施絕熱膨脹，產生空分裝置所需要的冷量，同時，產生的機械功會被增壓機吸收。

增壓透平膨脹機在運行過程中，如果需要對氣量進行調節，安裝在冷箱頂部的氣動薄膜執行機構會帶動噴咀葉片轉動，改變通道的截面積，執行機構閥桿的行程會直接反映噴咀通道寬度的變化情況。在增壓透平膨脹機中，蝸殼一般是不銹鋼結構，被固定在機身上，與底座連接，內部設置噴咀和膨脹機的葉輪，設置在機身軸承上的剛性轉子兩端分別安裝膨脹機葉輪和增壓機葉輪，前后軸承全部采用了徑向推力聯合式軸承，可以由供油管供給潤滑油，保證轉子的穩定運轉。

2 增壓透平膨脹機出現喘振的主要原因

在科學技術飛速發展的帶動下，內壓縮流程空分設備在越來越多的行業的領域中得到了應用，增壓透平膨脹機也開始逐漸從中壓向著高壓過度。

一般情況下，增壓端和設備存在相互制約的關系，設備本身在運行的過程中，能夠降低喘振事件發生的概率，確保離心增壓機能夠維持自身固有的運行特性。不過，增壓透平膨脹機的運行工況變化較快，當流量增大時，設備的運行會產生一定波動，導致氣流傳輸脫離實際運行模式，此時，增壓輪內部會持續做功，提高旋轉速度，而因為在運行中會損耗大量能力，機身內部的壓力將會有所下降，帶來設備端口位置壓力下降的問題。

管網的網容量越大，壓力變化引發的反應越小，同時，也存在一定的滯后性。如果管網壓力數值過高，可能引發氣體倒流的問題，導致增壓端壓力的升高，當增壓端出口壓力超過管網壓力時，氣流停止倒流，此時，為了確保設備的正常運行，增壓透平膨脹機會自動進行供氣，增加管網內部的壓力，待其超過增壓透平膨脹機出口壓力時，又會再次出現氣流倒流。

氣體的反復排放，會引發設備的強烈震動，發出類似喘氣的聲音，在增壓端出口位置，氣體的壓力和溫度都會呈現出大幅升高的現象，增壓透平膨脹機本身也會發生劇烈震動，這種現象被稱為喘振。如果工作人員沒有能夠及時采取有效的措施對喘振進行控制，則轉子同樣會在壓力的反復變化下，產生劇烈震動，可能會與機體發生碰撞，引發葉輪密封和軸承等零部件的損壞。

3 增壓透平膨脹機防喘振控制設計與應用

要防止增壓透平膨脹機發生喘振，只需要保證增壓機在工作轉速下的吸入流量大于喘振點的流量。增壓透平膨脹機一般采用防喘振閥來控制，防喘振系統通過調節防喘振閥開度控制增壓機的流量和出口壓力，一旦入口流量過低，出口壓力升高，增壓機工況接近喘振區或發生喘振時，防喘振閥便自動打開，使出口的氣體返回入口來增加入口流量，從而滿足大于喘振點流量的控制要求。不過，要想切實保障增壓透平膨脹機的穩定可靠運行，還需要設計一套健全完善的防喘振控制方案。就目前來看，在增壓透平膨脹機防喘振設計中，比較常用的方法有兩種。

3.1 應用壓力控制法

壓力控制法是一種單參數控制方法，其基本原理如圖1所示。

圖1 增壓透平膨脹機壓力控制防喘振系統

以壓力控制的防喘振保護系統中，主要包含設置在增壓透平膨脹機增壓端出口的壓力控制器以及防喘振閥。通過設定，將增壓透平膨脹機的運行轉速控制在某個范圍內，確保其運行壓力能夠遠離喘振區，運行在設定壓力下，如果增壓透平膨脹機增壓端出口壓力超過設定壓力，則防喘振閥PV401 會打開一定的開度，控制增壓透平膨脹機增壓端出口壓力保持在設定壓力。而如果壓力的波動劇烈，單純依靠防喘振閥小開度的調節已經不能滿足壓力調節時，需要將增壓端防喘振閥全開，確保設備能夠快速遠離喘振區。

3.2 利用壓差、流量雙參數控制

從控制方式上看，壓差、流量雙參數防喘振保護控制方式更加先進、安全，這一點在增壓透平膨脹機低轉速運行和偏離設計點運行階段表現得尤其明顯。雙參數控制系統包含流量測量系統、壓差測量系統和控制系統，相應的控制系統如圖2 所示。

圖2 增壓透平膨脹機雙參數控制防喘振系統

該控制方法多在進口增壓透平膨脹機組中應用，在膨脹機防喘振試驗中測得一組增壓端進出口壓差（DP），增壓端入口流量計壓差（DP2）數據，在DP-DP2 坐標圖上的繪制出喘振線L3（如圖3 所示），在DP2 為2%處做一條喘振保護安全線L2，再在DP2 為8%處做一條控制線L1。工作點在L1線右側則為安全，反之不安全。采用以下控制方法：

若工作點到達L1線，防喘閥自動開大2%，當防喘閥開大以后，增壓端流量增加，壓差下降，即DP2 增大，DP 減小，工作點向右移動。若2 秒工作點未回到L1 線右側的安全區，防喘閥再開大2%，直到工作點回到安全區。若工作點到達L2時，則防喘閥自動全開。

圖3 壓差、流量雙參數控制的喘振線

正常工況下，工作點控制在L1的右側，此時是安全的。但為了節省能耗，減少能量損耗，工作點應接近L1，即防喘閥FV401 盡可能的關小。因此，操作人員要調整好防喘閥的開度，既要保證工作點在安全區域內，也要盡可能減少能量的損耗。

當實際流量FIC401 小于等于當前壓差對應的L1的流量時，防喘閥FV401 會自動在原有開度上增加2%開度。若兩秒后仍未回到L1的右側，則繼續增加2%開度，直至工作點回到L1的右側。當實際流量FIC401 小于等于當前壓差對應的L2的流量時，防喘閥FV401 自動全開。

以上兩種防喘振的方案足夠滿足增壓透平膨脹機對防喘振的控制要求。采用壓力單參數控制方案，控制系統簡單，可靠性高，投資低，特別適用于固定轉速增壓透平膨脹機的控制，但在較低轉速的工況下運行會裕度太大，造成浪費。如果增壓透平膨脹機經常處于較低轉速下運行，則可采用壓差、流量雙參數的控制方案，即使增壓透平膨脹機在不同的轉速下運行，也能控制在同一安全裕度下，避免浪費。因此，推薦在大型以上的空分設備中應用壓差、流量雙參數的防喘振方案控制增壓透平膨脹機，在空分設備的節能降耗上有非常明顯的優勢。

4 結語

總而言之，增壓透平膨脹機增壓端的本質屬于離心增壓機，但是，其防喘振控制并不同于離心增壓機，因為其驅動裝置是膨脹輪，與增壓端同軸同轉速，在實際應用中，增壓透平膨脹機極少出現十分明顯的低轉速以及高增壓比運行，借助上文提到的兩種防喘振控制方法，能夠取得比較理想的控制效果，保證了增壓透平膨脹機的穩定可靠運行。