丙烯透平壓縮機防喘振故障分析及優化改造

宋亮 王登

（沈陽鼓風機集團股份有限公司 遼寧沈陽 110000）

丙烯透平壓縮機屬于離心式壓縮機，是大型化工生產領域中的重要設備組成，可以發揮出較好的制冷效果，為化工生產提供足夠的冷量。喘振是壓縮機表現出的一種性能反常的現象，壓力、流量的異常都是其重要組成，容易產生一些類似于喘息的噪音，并且伴有一定振動規律。喘振現象容易引發機組的部件損壞問題，嚴重時甚至會出現碰撞和爆炸性事故，會對企業造成嚴重的人身和經濟損失，因此，必須要對壓縮機的喘振故障做出分析和優化，以減少不良影響的發生。

1 壓縮機喘振現象的發生

對于丙烯透平壓縮機而言，其流量若持續減少至某個特定數值之后，其葉片沖角會受到較大的影響，增加至某一特定的數值之后，會存在“旋轉脫離”的表現［1］。上述現象的發生會造成較大的脈動現象，也會讓葉片受到周期性作用力的影響，最終引發葉片振動的問題。

喘振屬于離心式壓縮機的固有故障特性，會對離心式壓縮機的正常運行性能造成一定的影響，容易引發管網內部的周期性振蕩問題，使得壓縮機組的運行處于不夠穩定的狀態當中。對于壓縮機的喘振現象而言，其發生與機組的工藝參數具有密切的關系，其中的任何一個參數發生了改變，都有可能是引發機組喘振的重要因素。機組出口的流量、溫度和壓力，入口的壓力，導向葉輪的開度及閥門的開通度等因素，都是影響喘振現象的內容組成，會對管網流量的變化產生較大影響。普遍而言，管網容量越大，所產生的喘振頻率就會越低，振幅的表現會越大。反之是管網容量越小，所產生的喘振頻率就越高，振幅的表現就越小［2］。由上述內容可以明顯看出，壓縮機組出現喘振現象的主要原因是氣體流量較低，在具體操作中需要對該問題進行關注。不同壓縮機因受到自身特點的影響會產生不同的喘振曲線圖，圖1為本次研究的喘振曲線圖。

圖1 透平壓縮機喘振原理圖

氣體流量低是造成喘振現象的根本性原因。在具體的操作中，引發低流量現象發生的原因比較多，一般可以將其歸納為幾個方面的原因：一是壓縮機的出口壓力處于升高狀態，此時的輸出管線壓力較輸出壓力要高，這種現象會對出口造成憋壓問題，氣體會重新倒流到壓縮機組當中，最終引發氣體流量偏低的現象；二是入口的流量較規定值要低，尤其是在開停機的時候，入口本身會有流量過低的表現，閥門若開度較大，就會導致壓縮機入口處的流量處于較低的狀態當中；三是機組的流量指示原件受到了故障問題的影響，導致流量顯示出現了一定的問題［3］。

2 丙烯透平壓縮機喘振問題改造的必要性

本文將某化工企業的項目作為實例來進行詳細分析，該生產線配置的壓縮機為丙烯壓縮機，通過利用蒸汽透平的方式對設備的運行產生足夠的驅動效果，讓設備在高溫、高壓等特殊的條件下也進入到運行狀態當中。將丙烯作為壓縮機的主要介質，采用變轉速的方式對其設計進行調整，以發揮丙烯透平壓縮機的真正價值。

本次研究所使用的壓縮組從開工以來表現出了一定的問題。首先，需要對喘振流量的選擇進行關注。在具體的設計過程中，需以穩定條件的最大喘振流量為依據，并在正常條件下適當地增加喘振流量，使其達到一定的設計余量。各企業在對壓縮機閥門進行選擇時，也需要將其作為標準來選擇。本次所選用的機組在實測中出現了流量偏小的現象，使得壓縮機組的工作點始終都處在喘振區當中，對機組的開啟和停機操作都會產生較大影響，容易帶來一定的風險性問題。其次，需要對機組的入口壓力自動控制進行重視。本次研究中自動控制回路因受到喘振影響，無法投入到正常的運行模式當中，只能使用完全手動操作的方式對其進行控制，不僅對生產線的工作人員綜合能力提出了較高的要求，同時也對生產現場的控制效果發揮產生了一定的制約，未能發揮出丙烯透平壓縮機真正的作用。

3 丙烯透平壓縮機防喘振的改造難點

3.1 改造難點

在對本次研究所選用的丙烯壓縮機的控制系統進行分析后，得出一定的問題，具體如下。（1）對壓縮機的基本情況進行觀察可知，所選用的防喘振控制閥及其流量不符合最大防喘振流量的數值，使得機組工作點始終處在喘振區，影響了開停機的正常運行。（2）對壓縮機的喘振線情況進行關注可知，它無法針對實際工況與設計工況之間的偏差問題發揮出應用的補償性作用。（3）對選用的機組實際情況進行觀察可知，喘振線精度不足，并未達到設計要求的相關水平。（4）整個壓縮機組都采用手工操作的控制方式，無法發揮出良好的控制效果。（5）該壓縮機組采用的是簡單的PID串級控制，未能對喘振控制器與速度之間的耦合進行綜合考慮，易對機組性能產生較大影響。上述的問題導致丙烯透平壓縮機組的防喘振閥一直處在開啟狀態當中。

3.2 改造思路

以原有的丙烯透平壓縮機防喘振系統為主要的依據，從技術層面對其進行優化設計和改造，以期獲得更好的防喘振控制效果。首先，要對出口和入口的流量進行關注，這是壓縮機出現喘振問題最先需要關注的問題，合理選擇防喘振控制閥及其流量是非常重要的內容，需要加強對其的關注。其次，需對現場的喘振試驗進行關注，對先進的計算分析方法進行利用，以完成實測防喘振線的計算和繪制，借助此種方式來提升實測防喘振控制的有效性。最后，需要對壓縮機的性能提升進行關注，自動化和智能化是需要重點關注的問題，尤其是在面對復雜回路的時候，解耦控制是非常重要的思路，此種方式可以減少不必要的人力資源浪費和其他控制性問題。

4 丙烯透平壓縮機防喘振優化改造

4.1 防喘振原理

流量和壓力變化會對壓縮機的工作狀態產生影響，可能會表現出喘振現象。為了對該現象的發生實施合理控制，保證處于運行狀態的機組工作點不會出現接近喘振點的現象，防喘振控制系統的設計是一項極為重要的工作。此種系統需具備強大的計算能力，當壓縮機組運行狀態點出現接近喘振線的現象時，防喘振系統進入到自動運行狀態之后，會將閥門處于開啟狀態，以此促進機組再循環量的增大，讓壓縮機組進入到正常穩定的運行狀態當中［4］。

圖2為防喘振控制的原理圖，由此可以看出，對機組的氣體流量做減少處理時，曲線2（機組運行過程曲線）會沿著曲線1（機組本身的特性）朝著左上方的方向進行移動，并且會逐漸到達曲線4（喘振曲線）的區域當中。想要保證機組對喘振區的合理規避，需要對管網中的氣體流量做出增大處理，采用自動化的閥門開啟方式，讓機組的進口循環量得以提升，就可讓機組的運行狀態達到曲線3（平穩運行）的狀態當中，實現機組的穩定運行。

圖2 透平壓縮機組防喘振控制圖

在對防喘振流量進行確定時，需要將最大閥門系數下的喘振流量數據作為主要的參考依據，并且在設計時需要留出一定的設計余量，避免出現實測流量偏小的現象，盡可能地讓機組的工作點遠離喘振曲線，避免在機組開啟和停機的時候出現較大的運行風險。

4.2 實測防喘振控制

對于多數的制造廠家而言，在開展設計工作時，大都會留有一定的設計余量，無法對喘振線的精準性做到完全的保證，因此，都主動為買家提供一套理論測算喘振線，將其作為實測過程中的內容參考，避免理論喘振線與實測喘振線出現較大的偏差性問題［5］。除此之外，設備在出廠之前無法實現工藝氣配比等參數的制定，使其基本不具備獲得實測喘振線的機會，因此，需要提供一定參考。機組設備在啟用的過程中，可以將理論喘振線參考內容作為依據，利用其來分析不同轉速下的喘振線，便于后續做出較為精準的實測喘振線勾畫，滿足壓縮機的實際需求，同時，為壓縮機的自動化發展打下良好的基礎。

4.2.1 臨界喘振點

將以往的實踐經驗作為依據可看出，當壓縮機處于正常運行狀態時，防喘振閥門的工作點處于遠離喘振區的狀態，但是在開啟、停機或不正常的工況下啟動防喘振閥門，依舊不會對整個工作的運行流程產生較大影響。

4.2.2 喘振點

對于需要開展準確測試喘振點的機組而言，想要提升測試的精準度，需注意到機械儀表此時所存在的延時性問題。一般要在判斷出口壓力表數值的基礎上，利用人耳對其聲音的變化進行細致傾聽。由此可發現，機組在喘振即將發生時，會表現為明顯的聲音改變，而這種改變早于儀表參數數值的變化。利用此種方式來展開測試，可以更早地發現喘振點的位置，并且具有更強的精準性。在開展喘振點測試時，一般是對以往速度周圍的3～5 個速度進行合理選取，如80%、85%、95%、100%，利用區間的速度來開展實測喘振測試的工作。將選取好的喘振點與實測的數據作為主要的依據，對喘振曲線進行修正，做好防喘振流量的合理設置，能夠在很大程度上提升機組運行的安全性和穩定性。

4.3 解耦控制

據相關研究可發現，壓縮機內部的不同防喘振控制回路與性能控制回路之間具有不同的耦合關聯系，這種聯系使得整個控制關系都受到了較大影響。若對耦合關系中的一個單個回路做出調整，其周邊的回路也會受到較為明顯的影響。若二者之間不具備解耦控制的關系，調整其中的單個回路，會對部分控制系統的正常運行產生較大影響，使其無法順利地進入到自動運轉的狀態當中。總體而言，回路之間所形成的相互作用會一定程度上加大轉速調整的難度。

為對不同回路之間相互耦合擾動問題進行解離處理，需要相關的操作人員在對系統進行應用時，將閥門調整到手動狀態當中，并且要對其開度進行適當擴大，以此種方式來實現壓縮機工作點與喘振線之間的距離控制，讓機組運行工作點盡可能處于遠離喘振區的狀態當中［6］。上述方法雖然可以發揮出解除部分干擾的作用，但是其能耗量較大。因此，需要對更高級別的解耦控制算法進行關注，可通過設置機組入口壓力控制器的方式，將防喘振閥門和轉速的控制轉變為特殊的分程控制，并且該分程點處于可變狀態當中，一般是以壓縮機工作點在喘振圖的位置為依據來進行變化。當壓力控制器的輸出值處于50%～100%的區間時，動態分程點的左右會出現徘徊區，當壓力控制器輸出值處于大于動態分程點2%的狀態時，壓縮機會有轉速提高的表現。當壓力控制器的輸出值減少到小于分程點2%的狀態時，壓縮機的回流閥呈現出開啟狀態，能夠減少手動調控所產生的系統不穩定性和能耗過高的問題，讓整個系統都平穩地過渡到穩定的狀態當中。

5 結語

綜上所述，丙烯透平壓縮機的穩定運行對整個生產過程都具有重要作用。本次研究對原有的入口流量和氣閥開度進行合理控制，做好壓縮機的流量喘曲線的整合，能夠對壓縮機工作點進入到喘振區的問題進行合理的規避。對上述防喘振優化措施進行應用之后，不僅能夠更好地實現節能性目標，為企業發展創造出更多的經濟效益，還能在不出現喘振故障的基礎上，讓壓縮機設備朝著更加智能化的方向發展。