基于ITCC的離心式壓縮機防喘措施

王銀鎖

(蘭州石化職業(yè)技術學院，蘭州 730060)

壓縮機分為離心式和往復式兩大類，往復式壓縮機由于其材料的剛度、布置及固定方式等設計方面的原因而易于產生管道振動，這對安全生產有很大的威脅，強烈的管道振動會使管路附件及管道的連接部位等處發(fā)生松動和破裂，輕者造成泄漏，重者由破裂而引起爆炸，造成嚴重生產事故[1]。據文獻[2]記載，管道振動是往復式壓縮機出口管線常見的故障之一。而離心式壓縮機與往復式壓縮機相比，具有體積小、流量大、重量輕，運行率高、易損件少、維修簡單，壓縮氣流無脈動，氣量控制的變化范圍寬，壓縮機的潤滑油不會污染被輸送的氣體，以及較高的經濟性等優(yōu)點[3]，因而被廣泛應用于石油化工生產中，如乙烯裝置中的裂解氣、丙烯、乙烯壓縮機，大型合成氨裝置中的原料天然氣、合成氣、空氣及冷凍系統(tǒng)的氨氣壓縮機等。

但是離心式壓縮機還有一些靠自身難以消除的缺點，如喘振和軸向推力，離心壓縮機對氣體的壓力、流量和溫度變化較敏感，易發(fā)生喘振。筆者基于離心式壓縮機的防喘振控制理論，分析喘振產生的具體原因，并將透平/壓縮機綜合控制系統(tǒng)(Integrated Turbine & Compressor Control，ITCC)應用于某乙烯裂解氣離心式壓縮機組的可變極限防喘振控制系統(tǒng)，同時確定其喘振曲線。

1 離心式壓縮機喘振原因分析①

當離心式壓縮機的進口流量小于極限QB時(圖1)，壓縮機的出口壓力突然下降，導致管網壓力高于壓縮機的出口壓力，迫使氣流倒回到壓縮機，一直到管網壓力降到低于壓縮機的出口壓力時，壓縮機又向管網供氣，壓縮機又恢復正常工作，工作點由A→B→C→D→A反復而又迅速地突變，一會氣流輸送到管網，一會又倒流到壓縮機，這就會引起壓縮機的強烈氣流波動，這種現象就是壓縮機的喘振，又稱為“飛動”。

圖1 離心式壓縮機固定轉速下的特性

喘振發(fā)生時，壓縮機的氣體流量出現脈動，使機身劇烈振動，并發(fā)生壓縮機軸位移，還會波及到相連的管線，甚至損壞設備[4]。

2 防喘振措施

離心式壓縮機的轉速不同，其特性曲線也不相同。將不同轉速下的喘振點連接起來就可以得到一條喘振邊界線，即喘振線SL(圖2)。

圖2 離心式壓縮機的特性曲線

防喘振就是使離心式壓縮機的工作點大于特性曲線的極值，即在喘振線(SL)的右側工作。離心式壓縮機的特性曲線與其吸入氣體的溫度、壓力和平均分子量有關[5]，所以考慮有一定的裕量，再設計一條防喘振控制線(SCL)，即喘振安全線，如圖2所示，離心式壓縮機的工作點在SCL線上或SCL線的右側，即可防止喘振的發(fā)生。

防喘振控制線(SCL)與喘振線(SL)的數學關系表達式為：

式中HP——壓縮機的多變壓頭，MPa；

MARGIN——防喘振控制的裕量值[6]，m3/h。

3 ITCC在裂解氣壓縮機防喘振控制中的應用

ITCC被廣泛應用于大規(guī)模工程中的壓縮機組的控制。某乙烯裂解氣壓縮機第1、2、3段采用ITCC防喘振控制的工藝流程如圖3所示。

圖3 裂解氣壓縮機第1、2、3段的防喘振控制工藝流程

3.1 裂解氣壓縮機的防喘振控制設置

裂解氣壓縮機的防喘振控制的具體設置為：利用流量變送器130FT103B測量的流量值，在防喘振控制器130UC103內進行溫度和壓力補償，計算出實際流量值，然后與防喘振控制線(SCL)的流量作比較，判斷是否需要打開防喘振控制閥130UV103。

3.2 壓縮機喘振極點(SL)的確定

壓縮機氣體流量的檢測點設計在壓縮機的入口管線上，如果壓縮機入口壓力較低，流量測量采用差壓法，壓縮比又較大，在壓縮機入口安裝節(jié)流裝置需要增加壓縮機的級數時，防喘振流量的檢測點可設計在壓縮機的出口管線上。壓縮機入口節(jié)流裝置所測量的流量：

式中MW——氣體分子量，kg/kmol；

T1——入口氣體絕對溫度，K；

Z1——入口氣體可壓因子；

Δp0——流量測量元件前、后壓差，MPa；

α——流量系數。

壓縮機的多變壓頭HP的計算式為：

式中m——多變指數；

Zav——壓縮過程平均可壓因子。

特性曲線上極點的位置：

依據壓縮機的每段流量、入口壓力和出口壓力的模擬量輸入，ITCC控制器可以計算出壓縮機的工作點，并測量或計算出每段入口與出口的溫度值。這些模擬量輸入可以確定壓縮機入口流量和多變壓頭。其計算式為：

式中ps——進氣絕對壓力；

Ts——進氣絕對溫度；

Zs——可壓因子。

壓縮機的多變壓頭：

式中k——常數；

ηp——效率因子。

σ值由控制器依據下式計算：

ITCC控制器的組態(tài)變量為入口流量的平方與多變壓頭的比值，這樣可以消除分子量和入口溫度的影響。

將不同轉速下的特性曲線上的極點(即喘振點)連接起來，就得到一條喘振邊界線，即喘振線SL。

4 ITCC防喘振控制

ITCC防喘振閉環(huán)控制，包括防喘振PID控制和速率控制。

防喘振PID控制將喘振工藝變量WS_PV和100作比較后進行計算；通過控制器將壓縮機運行點控制在防喘振控制線的右側[7]。速率控制執(zhí)行打開防喘振控制閥的動作比防喘振PID控制輸出要提前。當流量減小時，速率限制器被調節(jié)至對微小變化率也做出響應。

而且，ITCC不僅具有防喘振閉環(huán)控制，還包含有喘開環(huán)控制。

4.1 開環(huán)階躍控制

在極端工況下，閉環(huán)防喘振控制不能完全避免工作點的超調越過防喘振控制線，開環(huán)程序控制的開環(huán)動作可以協(xié)助閉環(huán)防喘振控制防止喘振的發(fā)生。

在正常情況下，防喘振控制閥由閉環(huán)喘振控制線和閉環(huán)速率控制，當檢測到系統(tǒng)即將發(fā)生喘振時，開環(huán)程序立即將防喘振控制閥預填充到很大的開度，瞬間流量增加得越大越好。然后將防喘振控制閥的開度關到需要的位置。預填充只持續(xù)幾秒鐘,但卻能有效防止喘振并預防對氣體回收系統(tǒng)控制穩(wěn)定性的破壞。只有在接近喘振狀態(tài)時才被啟動，而且會快速恢復穩(wěn)定閉環(huán)回路控制。這種程序與ITCC的所有軟件一起，在每次實際應用中都被設定好。

預填充是指通過打開防喘振控制閥來縮短系統(tǒng)滯后時間的方法，預填充功能的響應曲線如圖4所示。

圖4 預填充功能的響應曲線

4.2 喘振檢測——SMP保護

當生產過程的條件發(fā)生變化時，防喘振控制可能不能防止壓縮機喘振，這時控制系統(tǒng)可以提供額外保護，即喘振檢測——SMP保護。 ITCC喘振檢測控制通過檢測轉速、壓力、流量及溫度等參數的變化率來檢測喘振。程序之一是壓縮機流量變化率[8]。當壓縮機流量減小時，用于喘振監(jiān)測的適用變化率也降低了，用以保證當壓縮機喘振和實際流量接近于零時，控制器肯定能夠監(jiān)測到喘振。

當檢測到喘振發(fā)生時，控制系統(tǒng)可以將輸出值設置到預先設定點或一個比喘振前開度更大的點，具體視哪種情形下可以達到最大循環(huán)量而定。這種措施保證了第二個喘振循環(huán)不會發(fā)生。為保證回流閥開始關閉時不會再發(fā)生喘振，控制器將回流閥的位置和監(jiān)測到喘振的時間記錄下來，將安全范圍略微擴大后，保持閥現有的位置，作為回流閥的極限位置。喘振最小極限位置(SMP)保護就是保證壓縮機回流量的正常，喘振檢測功能的SMP曲線如圖5所示，這也是防止壓縮機持續(xù)喘振的唯一途徑。

圖5 喘振檢測功能SMP曲線

喘振檢測系統(tǒng)會記錄壓縮機喘振時的閥位，并在此閥位上增加SAM值。在SMP復位前，防喘振控制閥不允許關至小于SMP確定的位置。

5 結束語

離心式壓縮機的防喘振控制系統(tǒng)，在保證大機組的安穩(wěn)運行方面起著極其重大的作用。防喘振控制閥打開點的設定很重要，設定過高，壓縮機在低負荷下消耗更大的能量；設定過低，壓縮機就可能發(fā)生喘振。在工作過程中，需結合生產實踐，分析喘振產生的原因，采取有效的防喘振控制措施，就能夠提高離心壓縮機的抗喘振性能和運行可靠性。