丙烯制冷壓縮機(jī)防喘振和石墻控制的探討

郭飛虎，徐鵬，褚學(xué)文

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110869)

在乙烯裝置中會采用乙烯和丙烯制冷壓縮機(jī)為深冷分離流程提供不同溫度等級所需的制冷量，同時(shí)丙烯和乙烯制冷壓縮機(jī)組成復(fù)疊制冷系統(tǒng)，以獲得更低等級的制冷溫度。丙烯壓縮機(jī)所提供的制冷量大部分用于乙烯塔乙烯精餾以及乙烯冷劑的冷凝，因此丙烯壓縮機(jī)的控制方案合理對乙烯壓縮機(jī)以及整個(gè)乙烯裝置的平穩(wěn)運(yùn)行有著非常關(guān)鍵的影響。

本文從乙烯裝置的丙烯制冷壓縮機(jī)的控制方案出發(fā)，對壓縮機(jī)防喘振和石墻控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，著重就石墻控制的原理和控制邏輯進(jìn)行了探討。

1 丙烯制冷壓縮機(jī)原始控制方案

1.1 壓縮機(jī)參數(shù)及工藝流程

某順序分離流程用丙烯制冷壓縮機(jī)為單缸3段壓縮，1段和2段壓縮機(jī)出口均設(shè)置有側(cè)流抽氣。丙烯制冷壓縮機(jī)分別給裂解氣干燥、脫丙烷塔冷凝、甲烷冷卻以及乙烯冷凝提供冷量，同時(shí)為乙/丙烷汽化器、甲烷汽提塔再沸器和乙烯汽化器提供熱量。丙烯制冷壓縮機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1所列。

表1 丙烯制冷壓縮機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

丙烯制冷壓縮機(jī)的工藝流程如圖1所示。丙烯制冷壓縮機(jī)最終出口氣相介質(zhì)進(jìn)抽氣預(yù)冷器E-1601經(jīng)水冷卻后冷凝為丙烯液態(tài)冷劑，然后進(jìn)丙烯液相儲罐D(zhuǎn)-1600。儲罐出口液相丙烯進(jìn)冷箱E-1321換熱后，一部分進(jìn)壓縮機(jī)2段入口分離罐D(zhuǎn)-1602，另一部分分別給裂解氣干燥、脫丙烷塔冷凝以及甲烷冷卻提供制冷量。經(jīng)換熱后的這部分氣態(tài)丙烯進(jìn)壓縮機(jī)2段D-1602罐。D-1602罐底液相丙烯一部分去乙烯塔再沸器E-1622提供熱量，另一部分進(jìn)冷箱E-1322換熱。E-1322出口的丙烯一部分進(jìn)壓縮機(jī)1段入口分離罐D(zhuǎn)-1601，另一部分進(jìn)乙烯冷凝器E-1624換熱，吸收熱量后的這部分氣體與來自乙烯塔冷凝器E-1623的氣相丙烯混合進(jìn)入D-1601罐。在D-1601罐中氣液分離后的氣相進(jìn)入丙烯制冷壓縮機(jī)1段壓縮。經(jīng)壓縮后的一部分氣體抽出經(jīng)抽氣預(yù)冷器E-1603冷卻后去E-1622和E-1623提供熱量，換熱后進(jìn)入D-1601罐，壓縮機(jī)1段抽出后剩余氣體進(jìn)2段壓縮。丙烯壓縮機(jī)2段壓縮后的一部分氣體抽出經(jīng)抽氣預(yù)冷器E-1602冷卻后給乙/丙烷汽化器和甲烷汽提塔再沸器提供熱量，換熱后的液相丙烯進(jìn)入D-1602罐，壓縮機(jī)2段抽出后剩余氣體進(jìn)壓縮機(jī)3段壓縮。

圖1 丙烯制冷壓縮機(jī)工藝流程示意

1.2 原控制方案

根據(jù)丙烯制冷壓縮機(jī)防喘振的需要，原工藝流程分別設(shè)置2個(gè)防喘振控制回路和2個(gè)石墻控制回路：

1)防喘振控制回路。壓縮機(jī)3段出口氣相經(jīng)防喘振閥FV-1601進(jìn)壓縮機(jī)1段D-1601，作為壓縮機(jī)1段的防喘振控制回路。為防止壓縮機(jī)1段入口超溫，在D-1601罐頂設(shè)置液相丙烯激冷線，用于控制進(jìn)入壓縮機(jī)1段的丙烯介質(zhì)溫度。FV-1601閥的開度由1段吸入罐頂去壓縮機(jī)1段入口的流量、溫度和壓力，以及壓縮機(jī)1段后抽氣的壓力和溫度信號控制。

壓縮機(jī)3段出口氣相經(jīng)防喘振閥FV-1602進(jìn)壓縮機(jī)2段D-1602，作為壓縮機(jī)2段的防喘振控制回路。為防止壓縮機(jī)2段入口超溫，在D-1602罐頂設(shè)置液相丙烯激冷線，用于控制進(jìn)入壓縮機(jī)2段的丙烯介質(zhì)溫度。FV-1602閥由壓縮機(jī)1段后抽氣的壓力和溫度、壓縮機(jī)2段后抽氣的壓力和溫度，以及壓縮機(jī)1段入口流量與壓縮機(jī)1段后抽氣流量的差值進(jìn)行運(yùn)算控制。

2)石墻控制。壓縮機(jī)1段后抽氣旁路氣相經(jīng)石墻閥FV-1611進(jìn)壓縮機(jī)1段D-1601罐，作為壓縮機(jī)2段的石墻控制回路。FV-1611閥由壓縮機(jī)1段后抽氣的壓力和溫度、壓縮機(jī)2段后抽氣的壓力和溫度，以及壓縮機(jī)1段入口流量與壓縮機(jī)1段后抽氣流量的差值進(jìn)行運(yùn)算控制。

壓縮機(jī)2段后抽氣旁路氣相經(jīng)石墻閥FV-1612進(jìn)壓縮機(jī)2段D-1602罐，作為壓縮機(jī)3段的石墻控制回路。FV-1612閥由壓縮機(jī)2段后抽氣的壓力、溫度，以及壓縮機(jī)3段出口壓力、溫度和流量信號控制。

1.3 存在的問題

當(dāng)前丙烯制冷流程采用壓縮機(jī)逐段抽氣設(shè)計(jì)、壓縮機(jī)各段流量逐漸降低的方式。從工藝運(yùn)行的角度考慮，如果保證壓縮機(jī)1段不發(fā)生喘振、則壓縮機(jī)2段和3段發(fā)生喘振的機(jī)率非常小，所以原始設(shè)計(jì)并未設(shè)置單獨(dú)的壓縮機(jī)第3段防喘振控制。

另外，壓縮機(jī)3段出口返D-1602罐作為壓縮機(jī)2段的防喘振保護(hù)。但該回路流程較長： 氣體進(jìn)D-1602罐后需經(jīng)過冷箱、乙烯塔后才能返回D-1601罐，然后進(jìn)入壓縮機(jī)1段再進(jìn)入壓縮機(jī)2段入口。當(dāng)壓縮機(jī)2段有喘振風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，該回路設(shè)置是否能及時(shí)、有效保護(hù)壓縮機(jī)值得討論。

鑒于以上問題，有必要對該丙烯壓縮機(jī)的控制進(jìn)一步討論。

2 建議措施

對以上問題分析，仍維持原4個(gè)控制回路不做調(diào)整，但對部分控制給出建議措施。

2.1 FV-1601防喘振控制回路

壓縮機(jī)3段出口氣相經(jīng)FV-1601閥返回D-1601罐，同時(shí)負(fù)責(zé)壓縮機(jī)1段和2段的防喘振： 壓縮機(jī)1段和2段防喘振2個(gè)控制器同時(shí)比較做低選控制，2個(gè)控制回路達(dá)到設(shè)定的低值都可觸發(fā)FV-1601閥的開啟。其中，壓縮機(jī)1段的防喘振功能與原設(shè)計(jì)完全一致，而對于壓縮機(jī)2段的防喘振回路，原始設(shè)計(jì)為壓縮機(jī)3段出口經(jīng)FV-1602閥返D-1602罐，建議修改為壓縮機(jī)3段出口經(jīng)FV-1602閥返D-1601罐。這樣壓縮機(jī)1段出口氣體經(jīng)部分抽氣后直接進(jìn)入2段壓縮，相對于原設(shè)計(jì)流程更短、更有利于壓縮機(jī)2段的防喘振保護(hù)。

修改后的問題： 由于該制冷壓縮機(jī)流程為逐段抽氣設(shè)置，2段質(zhì)量流量為1段的77%，3段質(zhì)量流量為1段的39%(3段出口流量僅為2段入口流量的51%)。此時(shí)僅設(shè)置壓縮機(jī)3段出口返D-1601罐的回流量是否能滿足壓縮機(jī)1段和2段防喘振的需要，仍需要再討論。

針對以上問題，建議該防喘振回路的控制邏輯設(shè)定為： 當(dāng)壓縮機(jī)1段或2段流量減小、有發(fā)生喘振的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，首先應(yīng)開啟FV-1601閥；當(dāng)FV-1601閥全開后回流量仍不滿足壓縮機(jī)1段或2段防喘振流量需要時(shí)，就需要開啟FV-1611閥或FV-1612閥，分別彌補(bǔ)壓縮機(jī)1段和2段的防喘振流量。

將FV-1611閥和FV-1612閥回路作為備用的原因在于壓縮機(jī)1段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口和壓縮機(jī)2段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口這兩個(gè)回路的開啟會導(dǎo)致丙烯壓縮機(jī)1段和2段抽氣下游乙烯塔等工藝的波動，影響裝置的正常運(yùn)行。因此在壓縮機(jī)防喘振可控的前提下應(yīng)盡量避免上述FV-1611閥和FV-1612閥控制回路的開啟。而當(dāng)FV-1601閥全開、仍無法避免壓縮機(jī)喘振時(shí)就只能采用備用方案、優(yōu)先保護(hù)壓縮機(jī)的運(yùn)行，否則一旦壓縮機(jī)發(fā)生喘振導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，下游的工藝乃至整個(gè)裝置也無法正常運(yùn)行。

2.2 FV-1602防喘振控制回路

壓縮機(jī)3段出口氣相經(jīng)FV-1602閥返回D-1602罐修改為3段出口氣相返2段后抽氣(E-1602前)，負(fù)責(zé)壓縮機(jī)3段的防喘振控制。修改后的丙烯制冷壓縮機(jī)工藝流程如圖2所示。

圖2 修改后的丙烯制冷壓縮機(jī)工藝流程示意

當(dāng)壓縮機(jī)3段有發(fā)生喘振的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，通過3段的防喘振信號開啟FV-1602閥，增加了壓縮機(jī)2段出口的整體流量。回流增加的流量彌補(bǔ)了2段出口抽氣的流量： 相當(dāng)于壓縮機(jī)2段出口抽氣量的減小而實(shí)際去下游工藝的氣量并未變更。由于壓縮機(jī)2段出口抽氣量的減小從而使壓縮機(jī)3段入口的流量得到補(bǔ)償，避免了壓縮機(jī)3段發(fā)生喘振。

基于壓縮機(jī)防喘振回路的功能，防喘振回路上、下游應(yīng)盡量接近壓縮機(jī)的進(jìn)口、排氣管口，同時(shí)應(yīng)減少中間設(shè)備以避免沿程的流動損失，從而迅速有效地緩解壓縮機(jī)喘振。因此，上述壓縮機(jī)3段出口至2段出口抽氣的設(shè)置是最直接有效避免壓縮機(jī)3段發(fā)生喘振的方案。因此，根據(jù)上述需要調(diào)整了原FV-1602防喘振回路管線的走向和設(shè)計(jì)。

2.3 石墻控制回路

壓縮機(jī)1段出口抽氣經(jīng)FV-1611閥返D-1601罐負(fù)責(zé)壓縮機(jī)2段石墻控制，同時(shí)負(fù)責(zé)壓縮機(jī)1段防喘振控制。壓縮機(jī)2段出口抽氣經(jīng)FV-1612閥返D-1601罐負(fù)責(zé)壓縮機(jī)3段石墻控制，同時(shí)負(fù)責(zé)壓縮機(jī)2段防喘振控制。以上2個(gè)回路的石墻設(shè)置與原方案完全一致，僅分別增加了當(dāng)前段的防喘振功能。

壓縮機(jī)1段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口回路上的FV-1611閥同時(shí)具備壓縮機(jī)2段石墻控制和壓縮機(jī)1段防喘振的功能： 閥門控制器同時(shí)接收壓縮機(jī)1段防喘振信號和壓縮機(jī)2段石墻信號的控制，任何一個(gè)信號觸及控制器，該閥門均開啟。同樣的原理壓縮機(jī)2段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口回路上的FV-1612閥同時(shí)具備壓縮機(jī)3段石墻和壓縮機(jī)2段防喘振的功能。

如2.1節(jié)中所述，該制冷壓縮機(jī)逐段抽氣、各段流量逐漸降低，因此壓縮機(jī)3段出口至D-1601罐的壓縮機(jī)3段出口返回壓縮機(jī)1段入口的防喘振回路流量不可能滿足壓縮機(jī)1段和2段防喘振的需要，因此需要增加其他的防喘振回路(或功能)來補(bǔ)充。故增加的壓縮機(jī)1段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口和壓縮機(jī)2段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口2個(gè)回路的防喘振功能既能彌補(bǔ)壓縮機(jī)3段出口返回壓縮機(jī)1段入口防喘振回路的流量不足，同時(shí)還能避免2，3段發(fā)生石墻的可能。

通常壓縮機(jī)某段發(fā)生石墻而導(dǎo)致石墻線開啟的根本原因是壓縮機(jī)抽氣段下游工藝已經(jīng)出現(xiàn)了較大的波動，此時(shí)首先應(yīng)保證壓縮機(jī)運(yùn)行的安全而不能單獨(dú)考慮工藝的運(yùn)行。

在整個(gè)乙烯裝置開車初期、丙烯制冷壓縮機(jī)沒有運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)1，2段出口抽氣下游的工藝流程如乙烯精餾塔和乙烯制冷工藝等并未投入運(yùn)行，因此壓縮機(jī)1段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口和壓縮機(jī)2段抽氣返回壓縮機(jī)1段入口的2個(gè)閥FV-1611，F(xiàn)V-1612均需全部開啟，以滿足壓縮機(jī)2，3段開車階段的需要，否則2，3段會因?yàn)榱髁繙拱l(fā)生石墻(此為石墻閥的作用之一)。但如果開車階段石墻閥開度不合理，又會導(dǎo)致石墻線返回量過大、導(dǎo)致壓縮機(jī)段入口流量增加過大而升速困難。因此，在壓縮機(jī)開車階段應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工藝需求和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速-流量的匹配去調(diào)整石墻閥的開度。只有當(dāng)壓縮機(jī)抽氣段下游工藝運(yùn)行穩(wěn)定后，F(xiàn)V-1611和FV-1612閥才為常閉狀態(tài)。而當(dāng)下游工藝與設(shè)計(jì)預(yù)期有較大偏離或壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，需要根據(jù)工藝和壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來確定FV-1611和FV-1612閥是否開啟。

3 石墻控制總結(jié)

為便于理解離心壓縮機(jī)的石墻現(xiàn)象，以下對石墻的原理和控制進(jìn)行討論。

3.1 石墻原理

離心壓縮機(jī)石墻也叫做堵塞或阻塞，是壓縮機(jī)一種異常的運(yùn)行狀況。當(dāng)壓縮機(jī)出口管網(wǎng)系統(tǒng)背壓降低，壓縮機(jī)的出口壓力高于管網(wǎng)系統(tǒng)背壓、壓縮機(jī)的工作點(diǎn)會向大流量方向(性能曲線的右側(cè))移動，壓縮機(jī)預(yù)期性能曲線如圖3所示。由于壓縮機(jī)的入口流量增加，使壓縮機(jī)出口壓力有下降的趨勢，因此當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力與管網(wǎng)系統(tǒng)背壓達(dá)到新的平衡時(shí)，壓縮機(jī)就穩(wěn)定地工作在這個(gè)狀態(tài)下。而如果壓縮機(jī)出口管網(wǎng)系統(tǒng)背壓持續(xù)降低，壓縮機(jī)的入口流量就會一直增加，當(dāng)壓縮機(jī)入口流量達(dá)到當(dāng)前段某級葉輪所能吸入的最大流量時(shí)，葉輪流道內(nèi)的氣流速度會急劇增加、在壓縮機(jī)當(dāng)前段某級葉輪流道通流截面的最小處就會達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀佟ＭǔＧ闆r下氣體的流動速度是不會超過當(dāng)?shù)芈曀俚模虼藟嚎s機(jī)的入口流量不可能再增加，壓縮機(jī)就會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)的壓力急劇下降。

圖3 離心壓縮機(jī)的預(yù)期性能曲線示意

與喘振類似，離心壓縮機(jī)發(fā)生石墻也會對機(jī)組造成損壞。如果壓縮機(jī)在阻塞點(diǎn)長時(shí)間運(yùn)行，壓縮機(jī)與管網(wǎng)系統(tǒng)會達(dá)到一種往復(fù)變化的不穩(wěn)定狀態(tài)： 壓縮機(jī)的工作點(diǎn)會一直在堵塞-正常-堵塞之間徘徊，壓縮機(jī)的軸向力會發(fā)生循環(huán)往復(fù)的變化，從而有壓縮機(jī)轉(zhuǎn)-定子的掛碰導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

為防止壓縮機(jī)阻塞或石墻發(fā)生，就需要避免壓縮機(jī)在大流量狀態(tài)下運(yùn)行。與防喘振控制完全相反，避免石墻就需要提升壓縮機(jī)進(jìn)出口的壓比或降低壓縮機(jī)的入口流量。

3.2 石墻控制

為了分析壓縮機(jī)的石墻控制，建立以下簡單模型： 某2段壓縮的壓縮機(jī)的1段出口抽氣去下游工藝；在抽氣管線上游設(shè)置石墻閥及控制回路，負(fù)責(zé)壓縮機(jī)1段的防喘振和壓縮機(jī)2段的石墻控制。帶中間側(cè)流抽氣的壓縮機(jī)流程如圖4所示。

圖4 帶中間側(cè)流抽氣的壓縮機(jī)流程示意

壓縮機(jī)在開機(jī)轉(zhuǎn)速提升的過程中，石墻閥為開啟狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，石墻閥為關(guān)閉狀態(tài)。如果壓縮機(jī)下游負(fù)荷增加、工藝所需的抽氣量加大時(shí)，只能通過調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速以增加壓縮機(jī)吸入能力來滿足后續(xù)工藝需要。

如果壓縮機(jī)1段在較小的流量狀態(tài)下運(yùn)行，當(dāng)壓縮機(jī)1段出口下游工藝調(diào)整、抽氣量需求增加時(shí)，會有壓縮機(jī)2段入口流量不足而發(fā)生喘振、而1段發(fā)生石墻的可能。此時(shí)應(yīng)關(guān)閉石墻閥開度，相當(dāng)于增加了1段的出口背壓、彌補(bǔ)了壓縮機(jī)2段的入口流量。

如果壓縮機(jī)1段以較大流量狀態(tài)運(yùn)行，當(dāng)壓縮機(jī)1段出口下游工藝調(diào)整、抽氣量需求減小時(shí)，會有壓縮機(jī)1段出口壓力憋壓而發(fā)生喘振、壓縮機(jī)2段入口流量增加而發(fā)生石墻的可能。此時(shí)應(yīng)打開壓縮機(jī)1段出口抽氣至1段入口的石墻控制回路閥門，對壓縮機(jī)1段抽氣管線進(jìn)行泄壓操作，降低壓縮機(jī)1段的進(jìn)出口壓比從而緩解喘振、同時(shí)增加2段的壓比避免石墻的發(fā)生。因此，石墻閥開啟后若壓縮機(jī)選型通流能力合理，只要壓縮機(jī)1段不發(fā)生喘振，就能避免壓縮機(jī)2段發(fā)生石墻現(xiàn)象。

作為石墻閥，其最大通流能力可按照壓縮機(jī)在額定操作工況的最大抽氣量考慮，同時(shí)應(yīng)考慮壓縮機(jī)開車階段、低壓狀態(tài)下壓縮機(jī)下游沒有抽氣時(shí)的全回流狀態(tài)下的流通能力。其正常狀態(tài)下的通流量可按照壓縮機(jī)正常操作工況的抽氣量與壓縮機(jī)2段正常工作點(diǎn)流量與壓縮機(jī)2段石墻狀態(tài)時(shí)壓縮機(jī)入口最大流量(性能曲線最右側(cè)點(diǎn))之間的差值來考慮。在壓縮機(jī)2段達(dá)到預(yù)期堵塞控制流量之前石墻閥可以不用開啟，隨著壓縮機(jī)2段入口流量進(jìn)一步增加達(dá)到預(yù)期堵塞的控制流量時(shí)，則必須開啟該閥門。這與壓縮機(jī)2段實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)和堵塞點(diǎn)之間的流量域度有關(guān)，也就是上面提及的開啟石墻閥之前“壓縮機(jī)2段有發(fā)生石墻的可能”但并非一定會發(fā)生的原因。

4 結(jié) 論

通過對帶抽氣制冷丙烯壓縮機(jī)防喘振和石墻控制方案的討論，修改了原設(shè)計(jì)方案，并著重對壓縮機(jī)的石墻控制進(jìn)行了討論：

1)對于帶有抽氣的壓縮機(jī)，抽氣下游回路即可承擔(dān)抽氣段前壓縮機(jī)的防喘振功能，同時(shí)承擔(dān)抽氣段后壓縮機(jī)的石墻功能。

2)對于有抽氣的壓縮機(jī)，石墻閥還承擔(dān)工藝開車的作用。所以，在壓縮機(jī)升速、開車以及停車過程，石墻閥必須開啟。

3)升速、開車以及停車過程，石墻閥的具體開度與抽氣流量和抽氣段上游段的入口流量有關(guān)。應(yīng)根據(jù)不同的工藝和壓縮機(jī)各段流量來判斷，無法統(tǒng)一。

4)按照壓縮機(jī)額定操作工況的最大抽氣量作為石墻閥的通流能力來校核，閥門有足夠的流通余量。