離心式壓縮機(jī)防喘振控制解析

嚴(yán)盛超，范振華

（蘭州石化機(jī)電儀運(yùn)維中心，甘肅蘭州 730060）

0 引言

離心式壓縮機(jī)具有重量輕、易損件少、輸送氣體無(wú)油氣污染、供氣均勻等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工生產(chǎn)裝置中得到廣泛應(yīng)用。但是離心式壓縮機(jī)在一些特定工況下會(huì)發(fā)生喘振，使壓縮機(jī)不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞壓縮機(jī)的機(jī)體，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為此，離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要有相應(yīng)的防喘振控制方案。本文介紹蘭州石化汽油加氫裝置離心式壓縮機(jī)的喘振原因及防喘振控制原理，并對(duì)壓縮機(jī)的防喘振控制算法進(jìn)行解析。

1 離心式壓縮機(jī)的喘振

1.1 喘振現(xiàn)象及原因

喘振是離心式壓縮機(jī)本身的固有特性。造成喘振的原因是壓縮機(jī)入口壓力或流量突然降低，壓縮機(jī)內(nèi)的氣體由于流量發(fā)生變化而出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離，形成突變失速。這時(shí)葉輪不能有效提高氣體的壓力，導(dǎo)致壓縮機(jī)出口壓力降低，小于管網(wǎng)壓力，從而使氣體由管網(wǎng)向壓縮機(jī)倒流；當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力高于管網(wǎng)壓力時(shí)，壓縮機(jī)又開(kāi)始排出氣體。如此反復(fù)，氣流在系統(tǒng)中產(chǎn)生周期性的振蕩，機(jī)身也隨之發(fā)生劇烈的振動(dòng)，導(dǎo)致壓縮機(jī)喘振的發(fā)生。由于這種循環(huán)過(guò)程極為迅速，因此壓縮機(jī)的喘振也被稱為“飛動(dòng)”。

1.2 離心式壓縮機(jī)的特性曲線

離心式壓縮機(jī)的特性曲線通常是指壓縮機(jī)的壓縮比（出口絕對(duì)壓力Pd與入口絕對(duì)壓力Ps的比值）與入口氣體體積流量Q 之間的關(guān)系曲線（圖1）。每條曲線在不同的轉(zhuǎn)速（n1、n2、n3）下都有一個(gè)最高點(diǎn)，連接每個(gè)最高點(diǎn)而形成的曲線a 即為壓縮機(jī)的喘振曲線，也稱為喘振極限線。曲線左側(cè)為喘振區(qū)，如果壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)，則會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。為保障壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，壓縮機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)距離喘振曲線應(yīng)留有一定的裕度，一般在喘振曲線右面再做一條與之近似平行的曲線b，即壓縮機(jī)的安全操作線。

圖1 離心式壓縮機(jī)特性曲線

壓縮機(jī)特性曲線是壓縮機(jī)防喘振控制的重要原始數(shù)據(jù)之一，其準(zhǔn)確性直接影響到防喘振控制方案的實(shí)際應(yīng)用效果。生產(chǎn)廠家根據(jù)壓縮機(jī)的性能在控制系統(tǒng)內(nèi)做出相應(yīng)喘振曲線和安全操作線，并將壓縮機(jī)的工作點(diǎn)反映到操作畫面上，這樣操作人員就能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到壓縮機(jī)的工作狀況（圖2）。

圖2 操作畫面中的防喘振曲線

圖2 中，縱坐標(biāo)壓縮比為Pd/Ps（即壓縮機(jī)的出口壓力與入口壓力之比）；橫坐標(biāo)為H/Ps，H 為壓縮機(jī)的入口流量孔板所測(cè)得的差壓值，通過(guò)與壓縮機(jī)入口壓力的比值計(jì)算，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換，可以理解為壓縮機(jī)的入口流量。

1.3 防喘振控制原理

通常情況下，壓縮機(jī)發(fā)生喘振是因?yàn)樨?fù)荷減小，使被輸送氣體的流量小于該工況下特性曲線喘振點(diǎn)的流量所致。因此，只要在必要時(shí)采用部分回流的方法，使壓縮機(jī)的入口流量既符合工藝生產(chǎn)要求，又滿足流量大于最小極限值（喘振點(diǎn)流量）的需要，這就是防喘振控制的原理。本文介紹的防喘振控制方法是可變極限流量法，即為了減少壓縮機(jī)的能量消耗，在壓縮機(jī)負(fù)荷有可能經(jīng)常波動(dòng)的場(chǎng)合，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)保證壓縮機(jī)的負(fù)荷滿足工藝生產(chǎn)的要求。在不同轉(zhuǎn)速下，壓縮機(jī)的喘振極限流量是一個(gè)變量，它隨轉(zhuǎn)速的下降而變小。采用不同喘振點(diǎn)流量作為控制依據(jù)，使壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其入口流量均不小于該轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)流量，這種方法叫做可變極限流量防喘振控制。該方法主要是運(yùn)用隨動(dòng)系統(tǒng)，將不同工況下的壓縮機(jī)喘振曲線經(jīng)數(shù)學(xué)模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化成為防喘振控制器的給定值，使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)始終保持在安全操作區(qū)域內(nèi)。這種控制方式不僅安全而且節(jié)約能源，是當(dāng)前運(yùn)用比較廣泛的一種方法。

2 防喘振控制算法

本文介紹的防喘振控制是采用TRICON 系統(tǒng)廠家提供的算法進(jìn)行邏輯編寫，通過(guò)采集壓縮機(jī)入口差壓、入口壓力、入口溫度、出口壓力等數(shù)據(jù)，利用該系統(tǒng)內(nèi)特有的功能塊實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的防喘振控制。

2.1 流量計(jì)算

根據(jù)壓縮機(jī)廠家提供的孔板流量計(jì)規(guī)格書，入口溫度和入口壓力等數(shù)據(jù)，計(jì)算出補(bǔ)償后的壓縮機(jī)入口流量值。該循環(huán)氫壓縮機(jī)的入口流量計(jì)算公式為：

2.2 壓縮機(jī)的工況選擇

根據(jù)工藝流程的需要，系統(tǒng)內(nèi)將該壓縮機(jī)的工況分為6 種，分別為：氮?dú)夤r、額定工況、SHU 硫化初期/末期工況、HDS 硫化初期/末期工況。在裝置的正常運(yùn)行中，壓縮機(jī)運(yùn)行選擇額定工況。工況確定后，壓縮機(jī)工作點(diǎn)橫坐標(biāo)的計(jì)算方法、壓力比選取點(diǎn)和喘振線選取點(diǎn)（即壓縮機(jī)的喘振曲線）就確定下來(lái)了。

2.3 工作點(diǎn)橫坐標(biāo)的計(jì)算

確定選擇額定工況后，壓縮機(jī)工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)計(jì)算方法就確定了。由上述內(nèi)容可知，工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)與當(dāng)前壓縮機(jī)的入口流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以理解為壓縮機(jī)入口流量的計(jì)算，其計(jì)算公式為：

2.4 喘振線和喘振點(diǎn)

壓縮機(jī)的工況確定后，邏輯內(nèi)部會(huì)利用預(yù)先選取的6 個(gè)喘振線點(diǎn)在上位畫面中自動(dòng)計(jì)算出防喘振曲線，并將6 個(gè)喘振線點(diǎn)和6 個(gè)壓力比代入喘振線計(jì)算功能塊SRG_LINE 相應(yīng)的管腳，通過(guò)5 部分線性插值算法和壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的壓力比計(jì)算出對(duì)應(yīng)的喘振點(diǎn)位置（圖3）。

由圖3 可知，在計(jì)算壓力比r1PART_1 時(shí)，需要將現(xiàn)場(chǎng)壓力測(cè)量?jī)x表所檢測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成絕對(duì)壓力。確定壓力比后，喘振線計(jì)算功能塊會(huì)根據(jù)線性的關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前壓力比所對(duì)應(yīng)的喘振點(diǎn)位置r1SRG_PT_1（也可理解為當(dāng)前壓力比下的流量極限值）。壓縮機(jī)工作點(diǎn)橫坐標(biāo)r1Hx_1 與r1SRG_PT_1 的差值r1MARGIN_1（當(dāng)前安全裕度）即為工作點(diǎn)距離喘振點(diǎn)的裕量（圖2 中工作點(diǎn)與喘振線之間的水平距離）。

2.5 喘振線修正

為保障壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，一般在喘振線右側(cè)的安全區(qū)域內(nèi)會(huì)再做一條安全操作線，也稱為初始控制線。其的計(jì)算方法是在喘振線的基礎(chǔ)上加一個(gè)安全操作裕度（即初始控制線=喘振線+安全操作裕度）。邏輯中安全操作裕度是通過(guò)功能塊SAFETY_MAR 計(jì)算而來(lái)（圖4），安全操作裕度=裕度常量（此處為8）+比例安全裕度×喘振點(diǎn)的橫坐標(biāo)。邏輯中比例安全裕度PROP_MAR 設(shè)為0，由此可知：初始控制線=喘振線+8，即初始控制線距離喘振線的裕度為8。

圖4 喘振線修正計(jì)算

若當(dāng)前裕度r1MARGIN_1≤-1 時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為壓縮機(jī)發(fā)生喘振，此時(shí)需要對(duì)喘振線進(jìn)行修正。即當(dāng)發(fā)生喘振時(shí)，通過(guò)功能塊RECAL1_1 產(chǎn)生一個(gè)重新校準(zhǔn)偏差加到安全操作裕度上，得到整體安全操作裕度r1TOT_SAFETY_1。喘振發(fā)生后，上位操作畫面中會(huì)出現(xiàn)一條黃線（實(shí)際控制線），表示壓縮機(jī)的安全運(yùn)行區(qū)域再度向右偏移。在不進(jìn)行復(fù)位的情況下，壓縮機(jī)的工作點(diǎn)需要控制在黃線右側(cè)，才能使其安全工作。實(shí)際控制線=喘振線+整體安全裕度。

喘振發(fā)生時(shí)，喘振標(biāo)記位f1INSUR_1 置為1，重新校準(zhǔn)偏差再原有的基礎(chǔ)上加2，喘振計(jì)數(shù)器和重新校準(zhǔn)計(jì)數(shù)各計(jì)1；若當(dāng)前裕度r1MARGIN_1≥1 時(shí)，表示喘振恢復(fù)。在不進(jìn)行喘振復(fù)位的情況下，喘振計(jì)數(shù)器最多累計(jì)10 次，重新校準(zhǔn)偏差最多累加至20。此時(shí)壓縮機(jī)仍然可以運(yùn)行，只是控制條件變得更加嚴(yán)格而已。

2.6 盤旋點(diǎn)與防喘振控制器

功能塊SP_HOVER02 的作用是使防喘振控制器PID_SUG_1的給定值追蹤壓縮機(jī)的當(dāng)前安全裕度r1MARGIN_1。給定值r1SRG_SP_1=當(dāng)前裕度-kHOV_INC（此處為5），如果實(shí)際裕度小于整體安全裕度，或?qū)嶋H裕度減5 后小于整體安全裕度，則給定值等于整體安全裕度。實(shí)際裕度增大，即工作點(diǎn)往右移動(dòng)，遠(yuǎn)離喘振線，給定值會(huì)立即增加；若當(dāng)前裕度減小，即工作點(diǎn)往左移動(dòng)，靠近喘振線，則給定值會(huì)根據(jù)模塊設(shè)置的速率緩慢變小，這里速率設(shè)為3，速率越小則變化越慢。

防喘振控制器的作用方式為反作用，當(dāng)實(shí)際裕度大于給定值時(shí)，防喘振閥關(guān)閉。只有在當(dāng)前裕度小于整體安全裕度（這時(shí)給定值為整體安全裕度）以及當(dāng)前裕度小于給定值的時(shí)候，才會(huì)打開(kāi)喘振閥。此外還可以由上位畫面對(duì)控制器的比例系數(shù)及積分時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，使防喘振控制的效果達(dá)到最佳。

2.7 超馳調(diào)節(jié)與快開(kāi)功能

在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，若當(dāng)前安全裕度低于整體安全裕度的1%時(shí)，功能塊DUMP_SOL 的輸出f1DUMP_1為1，參與到邏輯運(yùn)算當(dāng)中，使喘振電磁閥失電，防喘振閥打開(kāi)；若當(dāng)前安全裕度恢復(fù)至大于整體安全裕度的值時(shí)，功能塊輸出恢復(fù)為0，喘振電磁閥得電。

作為常規(guī)PID 喘振控制算法的補(bǔ)充，TRICON 系統(tǒng)的防喘振算法中還有包含喘振超馳調(diào)節(jié)功能。利用功能塊SRG_OVRD_03，對(duì)防喘振閥實(shí)施及時(shí)有效的控制。此功能塊將會(huì)按操作點(diǎn)移動(dòng)至作用區(qū)內(nèi)的比例來(lái)打開(kāi)喘振閥。

2.8 防喘振控制高選功能

壓縮機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種模式。不同的模式下，防喘振控制的輸出不同。在自動(dòng)模式下，壓縮機(jī)防喘振的輸出是r1SRG_CON_1（防喘振控制器輸出）、r1SRG_OVRD_1（喘振超馳）、r1PROC_OVRD_1（過(guò)程超馳）三者之間的最高值；在半自動(dòng)模式下，壓縮機(jī)防喘振的輸出是以上三者與e1MAN_OVRD_1（手動(dòng)輸出）之間的最高值，半自動(dòng)模式下，除了自動(dòng)輸出外，還可以由操作人員手動(dòng)輸出防喘振閥的閥位控制信號(hào)；在手動(dòng)模式下，壓縮機(jī)防喘振的輸出等于上位畫面的手動(dòng)輸出值。

3 結(jié)束語(yǔ)

該裝置自投運(yùn)以來(lái)，循環(huán)氫壓縮機(jī)的防喘振控制方案效果極佳，確保了壓縮機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。在實(shí)際工作中，了解離心式壓縮機(jī)的喘振原理和防喘振控制方案，有助于維護(hù)人員在壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)能夠迅速判斷出問(wèn)題所在，確保生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。