丙烯透平壓縮機組防喘振控制優化改造方案解析

劉亞鵬(內蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣有限公司，內蒙古 赤峰 025350)

0 引言

丙烯壓縮機用于工業生產領域中，可以創造出相對較好的制冷成績，具體是外供足夠多的冷氣量[1]。在全自動化控制下，丙烯壓縮機組的投用率相對較低，防喘振回流閥開度偏大、能耗量較大，應盡早進行技術升級改造。

1 喘振現象的原理

喘振為渦輪壓縮機運行階段的獨有現象(如圖1所示)，當壓縮機出口壓力抵達一定值時，壓縮機運行點會由D點順著性能曲線提升至A，以上過程的特點是流量降低，壓力上升。此時出口壓力高于壓縮機的最大壓縮能力，壓縮機形成了負流量，實質上就是發生了倒流問題，從A 點開始至B點。倒流抵達一定程度時，壓縮機出口壓力跌落下降，B→C又復原至正向流動C→D，以上這種氣流在壓縮機內往復流動的現象被叫做喘振。壓縮機本體劇烈振動和喘振現象相伴隨，在這樣的工況下能夠觀察到氣體的出口壓力和流量示值出現明顯波動，機身也會發生強烈振動，且會對出口管道、廠房振動過程起到一定驅動作用，壓縮機會對外傳送出周期性間斷式的吼響聲。若不能盡早采用相應措施處理，則會對壓縮機造成嚴重損害。

圖1 喘振原理圖

喘振現象的發生和壓縮機的功率存在相關性，不同功率之下壓縮機的喘振點有區別，若能選擇不同功率之下的幾個典型喘振點，連接成曲線，便能順利地獲得喘振曲線[2]。

2 機組常見問題及改造難點

2.1 問題

本文以某化工企業化學品項目為實例進行分析，其內配置的丙烯壓縮機利用了蒸汽透平方式進行驅動，在高溫、高壓特殊條件下，迅速將蒸汽整合到汽輪機中，利用其對壓縮機運行過程起到驅動作用。丙烯作為壓縮機的壓縮介質。壓縮機設計階段利用變轉速的方式進行調整， 2018年通過適度控制一二段防喘閥距控制線開度，收到節約蒸汽64 058 t的效果，凈化氣年單耗平均由2017年度的0.396 0 t/kNm3下降到2018年度的0.309 2 t/kNm3，環比下降0.086 8 t/kNm3，在提升經濟效益方面有一定的收獲。在驅動壓縮機過程中，抽凝式汽輪機起到主導性作用，筆者所在單位2019年5月7日壓縮機組一、二段分離器溫度控制投用自控回路經24 h觀察運行無異常后，8日壓縮機一、二段防喘振控制擇機投用半自動模式。投入自動控制模式經一個多月跟蹤運行，在裝置生產負荷穩定狀況下，壓縮機的半自動運行方式可適度簡少中控和現場操作工作量。

壓縮機組自開工以來，入口壓力自動控制回路無法正常投用半自動模式，僅能人工調控，對操作人員的實踐能力提出較高要求，現場控制效果整體偏差。壓縮機的防喘振閥門無法正常閉合，張開度過大，以致壓縮機能耗量長期較高。實測發現壓縮機機組一、二段的防喘振閥門開度分別約15%、18%，這是造成裝置能耗高的主要原因。沒有實測得到壓縮機喘振線，因為涉及、生產制造等方面存在偏差，導致壓縮機實際喘振線和理論預測喘振線之間形成較大差異，僅利用理論喘振線很難達到精準與適度的防喘振維護。

2.2 改造難點

Triconex TS3000是本壓縮機主機采用的控制系統，控制方案執行時暴露出如下問題：

(1)喘振線無法有效補償真實工況和設計工況之間的偏差；

(2)喘振線的精準程度沒有達到設計水平；

(3)利用人工手調的方式管理、控制機組狀態；

(4)利用極簡易的PID串級形式調節、控制壓縮機的運行性能，但是以上過程中并沒有深刻解讀速度和喘振控制器之間的耦合性，以致設備性能無法正常啟動應用。

在以上種種因素的作用下，導致壓縮機機組防喘閥始終處于開啟狀態。

3 防喘振控制優化改造

3.1 實測防喘振控制

多數制造廠家在售賣壓縮機時會主動為買家提供一套設備理論測算喘振線，因為設計院或廠家均持有一定設計余量，沒有做到毫無保留的提供喘振線，并且在設備出廠以前，在無法制定工藝氣配比參數等因素的作用下，基本上無法獲得實測喘振線。但是如果能在設備啟用環節中利用不同轉速測得喘振線，則就能實現對壓縮機喘振線精準勾畫。較好地滿足了壓縮機工藝投用的實際需求，這樣也能較整體地顯現出壓縮機的真實狀態。

在這種工況下，參照理論喘振線進行調控不能防控發生壓縮機喘振，存在著較多的風險因素。也可以用以上觀點去解釋部分防喘振控制即便是使用很長時間也不能達到智能化控制水平問題。因而，防喘振控制過程中，獲得實測喘振線是重要內容之一。基于實測喘振線，從而達到自動化壓線控制，不單純是在壓縮機負荷較高、工作點遠離喘振線的工況下使用，即便是在低負荷之下或者開工早期運轉波動性較大時也能控制，即便是在低負荷工況中，或者啟動早期運轉狀態變動較大時，也能實現自動化投運，采用加強壓線管控的形式，一方面能減少能源、資源的耗損量，另一方面較顯著地拓展了壓縮機本體的操作時間。

3.1.1 臨界喘振點

參照既往實踐經驗，壓縮機設備正常運轉時，整個防喘振閥后工作點位會整體遠離喘振區域，但在啟、停或異常工況下，啟動防喘振閥基本不會干擾正常工藝的操作過程。

3.1.2 喘振點

為了能精準檢出喘振點的機組，多依賴觀測出口壓力表盤值去做出相應判斷，以上這種類型的儀表延時反應遲緩。如果能利用人耳認真傾聽聲音的變化，當即將發生喘振現象時，設備運轉聲音會出現明顯的改變，這種改變早于參數數值的變化，從而精準、快速地探測到喘振點。通常會應用過往局部速度值周邊的3～5個速度開展喘振實測活動，分別是75%，80%，85%，95%，100%。

3.2 解耦控制

過去有研究發現，壓縮機內不同防喘振控制回路、控制回路與性能控制回路之間都會生成程度不一的耦合關聯性，調整其內單個回路，會對周邊回路形成即時、明顯的影響，如果不具有解耦控制關系，則也容易造成部分控制系統不能順利投入自動運轉。

如果進氣調速閥門的張開度明顯擴張時，進氣量隨之增加，會誘導壓縮機組更快速運轉，此時提供給壓縮機組出力變大。如果張開度增加的是抽氣閥，在這樣的工況下設備轉速會降低，為壓縮機組提供的出力值也下降。結合以上分析情況，回路之間形成的相互作用影響，轉速調整達到穩定水平的難度相應提高，因為它并不是在壓縮機滿負荷狀態下發生改變的，是更為顯著的。

為了能完全解離不同回路之間的相互耦合擾動，應用控制系統時操作人員僅需將閥門調整到手動，且通過人為適度開大，使壓縮機的運行點和喘振控制線相距更遠一些。以上這種方法盡管可以解除掉部分干擾，但導致能耗量增加。則需要應用級別更高的解耦控制算法，能實現對各區段運行狀況監測、調控的同步性，真正實現了全智能化的調控。

3.3 無關坐標系算法

主要是通過計算確定喘振極限線SLL和氣體分子量MW、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口氣體比熱比Ks與口氣體壓縮因子Zs之間無關，且只和壓縮機組本體的內部機械構造相關。可以基于無關坐標系算法獲得為歸一化的喘振極限線。

簡化壓頭計算：

精簡流量平方計算：

式中：Pd、Ps分別為壓縮機出口、入口壓力(進出口壓差比)；Td、Ts分別為壓縮機出口、入口溫度(進出口體積質量比)。

從本質上分析，防喘振控制算法是以無關坐標系的5條測算和控制曲線為基礎，參照了閉環式主PI控制與開環階梯保護響應，確保了壓縮機設備運轉階段不管是面對單次遲緩的降負荷過程擾亂，還是面對因工藝裝置反常工況引起的強烈擾動，均能十分迅速、精準地增加壓縮機的流量，確保壓縮機設備一致在安全區域內運作。并且，因為應用了高端的、精準的以無關坐標系為基礎的防喘振控制算法，能使用壓縮機的回流流量始終維持在最低水平，這是減少設備能耗量的重要基礎。

4 結語

以原有原進氣閥開度喘振曲線為基礎上，整合進透平壓縮機出口流量喘振曲線，能較好地解除伴隨氣溫升高透平空壓機出口流量喘振曲線逐漸右移的情況，規避了壓縮機容易進到喘振區的問題。通過執行以上防喘振控制優化措施后，節省8.5 MPa高壓蒸汽3 t/h，創造了較多的經濟效益；于3 910～4 876 r/min范圍中選擇了5個轉速點，依次測出了各區段的喘振點，進而生成了實測喘振線；防喘振實現了全自動化調控，能在確保不出現喘振現象的基礎上使控制線智能運轉。