離心式壓縮機防喘振方法的應用現狀

陳浩然，陳 奎，趙 冬，孟 飛，林 凡

(貴州省赤水市赤天化集團正泰化建工程分公司，貴州 赤水 564700)

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離心式壓縮機防喘振方法的應用現狀

陳浩然，陳 奎，趙 冬，孟 飛，林 凡

(貴州省赤水市赤天化集團正泰化建工程分公司，貴州 赤水 564700)

喘振問題一直是困擾離心式壓縮機實現安全、經濟、平穩運行的難題。喘振現象會造成離心式壓縮機出現周期性的物料倒流或者是由于壓力變化發生強烈的波動，同時還會產生熱應力和很大的振動，嚴重時可能會縮短設備壽命，造成機組的部件損壞，還可能造成嚴重的事故。針對以上問題，就離心式壓縮機防喘振技術的應用進行了深入的探討，對傳統的固定極限流量法和可變極限流量法，以及新型的模糊控制法、壓縮機串并聯控制、預估防喘振控制等進行了分析比較。為開發出更好的防喘振技術提供借鑒。

離心式壓縮機；防喘振

喘振是使離心式壓縮機性能出現反常的一種不穩定的運行狀態，會使整個壓縮機管網系統的氣流出現周期性的振蕩現象[1]。喘振不但能使壓縮機的性能惡化，如氣體壓力、流量及溫度產生大幅度脈動，還會發生一種呼哧的噪音，并大大加劇整個機組的振動，嚴重影響機組穩定性[2]。

當離心式壓縮機入口流量逐漸減小到一定程度時，整個壓縮機擴壓器流道內就會產生嚴重的旋轉失速，其出口壓力會突然下降，當與其對應的管網壓力高于壓縮機出口壓力時，管網的氣流會倒流回壓縮機，直到管網的壓力下降到比它的出口壓力低時，壓縮機才重新開始向管網排氣，此時壓縮機才能恢復到正常工作狀態[1]。如果當管網壓力恢復到正常壓力后，壓縮機入口流量依然小于產生喘振工況的最小流量，那么壓縮機擴壓器流道內將繼續產生嚴重的旋轉失速，出口壓力將會再次下降，管網壓力大于壓縮機的排氣壓力，管網中的氣流就會再次倒流回壓縮機。這樣不斷循環，壓縮機系統中就產生了一種周期性的氣流振蕩現象[3]。

離心式壓縮機不允許在出現喘振時運行，因為這樣會對壓縮機的機械結構及其穩定性產生嚴重的危害，具體表現在:① 喘振會使其內部的轉子和定子一直承受交變應力，持續下去會使轉子和定子發生斷裂；② 喘振會使壓縮機的級間壓力失常，將會引起強烈振動，從而導致級間密封以及推力軸承的損壞；③ 喘振會使轉子和定子之間發生相互碰撞，造成嚴重的事故[4]。

1 在壓縮機組中的防喘振技術

目前，國內外采用的控制方案主要有傳統的固定極限流量法、可變極限流量法、壓縮機串并聯控制、模糊控制法以及新型的預估防喘振控制方法等[5-6]。

1.1 固定極限流量法

這種方法首先假設壓縮機在最大的轉速下發生喘振的工作點流量為Qp，只要使壓縮機入口的流量總是大于該臨界流量Qp，就能根據喘振發生的原因避免喘振發生。在實際操作時，一般增加一定程度的余量(5%～10%左右)，如圖1所示，那么壓縮機的流量將一直大于喘振線，從而保證離心壓縮機不發生喘振現象[7]。

圖1 固定極限法原理

該方法的優點：控制系統結構簡單，現場使用儀表少。缺點：當壓縮機的運行轉速逐漸降低，也就是處于低負荷運行狀態時，因其入口流量很小，會直接處于喘振的發生區，故防喘振控制系統會過早地投入運行，這樣就會造成回流量增大，能耗損失也較大[8]。所以只有當在壓縮機高速運轉時才最有效。

1.2 可變極限流量法

1.2.1 控制方法

在壓縮機負荷經常波動或者需采用變轉速調節的場合時，可采用可變極限流量法[9]。該方法的優點：在每一轉速下的喘振流量會發生改變[10]，且當壓縮機的轉速較低時，與固定極限流量法相比，所需回流的氣體量有很大程度的降低，這樣就可以大大節約能源[11]。當離心式壓縮機的轉速不斷發生變化時，其喘振點變化軌跡可以歸納為一條二次拋物曲線，直接將這些喘振點連接起來就是喘振線。所以，為防止喘振發生，可以在各喘振點的基礎上增加5%～10%的安全限度，這樣就可以直接得到與其平行的防喘振控制線，其作用是控制系統回流閥的開關，根據需要變化進行快開和慢關[12]。

這種可變極限流量的控制方案可用在不同轉速的情況下，其喘振極限流量是一個變數，所以它會隨轉速下降而變小?？稍诖駱O限流量處留有適當的安全限度，使得防喘振的控制器沿著該喘振極限流量的二次曲線工作，該方法稱為可變極限流量法?？勺儤O限流量的防喘振控制系統主要是依據模型的計算設定值來控制系統[13]。

(1)

式中：Kl代表流量常數；Pd代表入口的流量對應差壓；Z代表壓縮系數；R代表氣體常數；M代表相對分子質量。因此，可以得到喘振模型：

(2)

式中n=M/(ZR)[14]。若壓縮介質確定后，則n是常數；如果節流裝置確定后Kl確定，則a和b都是與壓縮機相關的系數，變量就會更少。

實施該方案時需注意5點：① 因為可變極限流量防喘振控制的整個系統是隨動控制系統，為了在發生喘振時能及時打開旁路閥，控制閥流量特性需要采用線性特性或者是快開特性，且控制閥比例度最好能夠適當選擇較小的。若采用其他方法，則會出現一些問題。例如采用積分控制時，現實條件下控制器的偏差長期存在，需要考慮積分飽和的問題。② 當喘振發生時，為了使防喘振控制系統能及時運作，所采用的氣動儀表需要考慮縮短信號傳輸管線，必要時可以設置繼動器或放大器對信號進行相應放大。③ 防喘振控制系統中的控制閥兩端需存在較高的壓力差，開啟時候會造成噪聲和汽蝕，因此為了防止以上現象，需要選用具有特殊作用的控制閥。④ 該控制方案中有多種實施方案，例如可以將[n/(bK12)][(P2/P1)-a]作為設定值，將Pd/P1作為測量值，或者是將n/bK12作為設定值，Pd/(P2-aP1)作為測量值。一般情況下需要將計算環節設置在控制回路外，可以避免非線性特性的影響。⑤ 通常情況下可以根據離心式壓縮機的特性簡化計算[16]。例如，有些離心式壓縮機的a=0或a=1，這時模型就可以簡化為：

(3)

(4)

綜上可知：可變極限流量防喘振控制方案設計是相對比較復雜的，由于使用的儀表較多，適用于轉速變化較頻繁的場合，而且具有節能的優點。

圖2 可變極限流量法的控制系統結構

1.2.2 離心式壓縮機串聯運行時的防喘振控制

在工業生產中，往往一臺壓縮機的出口壓力滿足不了生產要求，這樣就需要2臺或者2臺以上的壓縮機進行串聯來滿足要求。圖3為離心壓縮機串聯運行時采用的可變極限流量的防喘振控制方案。

圖3 離心式壓縮機串聯運行的防喘振控制方案

圖3中:P1T，P2T和P3T是壓力變送器；PY4，PY5是乘法器；PY1，PY2是加法器；PY3是低選器；Pd1T，Pd2T是測量流量所用的差壓變送器；F1C，F2C是防喘振的控制器。該方案的主要特點與單臺壓縮機的防喘振控制相同，對兩臺壓縮機采用一樣的可變極限流量的防喘振控制，可將計算的設定值送到防喘振控制器的一端。為了減少旁路閥的數量，可以增加一臺低選器。如果其中任何一臺壓縮機出現喘振現象，都可以通過這個低選器使旁路閥打開，從而達到后續的要求。相應的防喘振控制器選用正作用，旁路閥選用氣關型[17]。

綜合以上分析，多臺壓縮機串聯運行時雖然能達到生產要求所需要的出口壓力，但此方案只適用于低壓力的壓縮機。如果考慮到機體的強度，對高壓力的壓縮機就不宜采用這種方案。同時，使用該方案時，為了確保系統能夠穩定運行，要求后級壓縮機的穩定工況一定要大于前級的穩定工況[18]。

1.2.3 離心式壓縮機并聯運行時的防喘振控制

在工業生產中，經常出現一臺壓縮機的出口壓力滿足不了生產要求，從而需要2臺或者2臺以上的壓縮機并聯來達到進氣量的工藝要求[19]。然而，有時并聯運行的壓縮機特性不一致，會影響到負荷的分配，關鍵是還會影響防喘振控制系統的正常運行。目前，在離心式壓縮機并聯運行時，防喘振控制主要采用前面所提到的低選器以及相應的選擇開關，這樣在整個控制過程中只用一個防喘振的旁路控制閥就可達到要求，如圖4所示。

圖4 壓縮機并聯時的防喘振控制方案

圖4中:PY1，PY2，PY3分別為加法器、乘法器和低選器；Pd1T，Pd2T為壓縮機入口流量測量用的差壓變送器；P1T，P2T為入口壓力變送器和出口的壓力變送器；FC為防喘振控制器；HS為手動開關。當開關切換到A處時，組成壓縮機稱為“1”的防喘振控制系統；當開關切換到B處時，組成壓縮機稱為“2”的防喘振控制系統；當開關切換到C處時，由圖中可以看出防喘振控制器所需測量的信號是2個壓縮機入口流量中較小的值，也就是圖中低選器的輸出[20]?？刂频脑O定值的計算通過加法器和乘法器來實現的。

值得注意的是：當采用2臺以上的壓縮機并聯運行時，要求每個壓縮機的特性一致；為了滿足并聯的獨立工作特性以及使每臺壓縮機能獨立啟動，需要單獨設置各自的手動旁路閥。

綜上所述，雖然離心式壓縮機可以并聯運行也可以串聯運行，但這會使運行操作更加復雜，從而增加能耗。所以，一般情況下只有當壓力或者是流量無法滿足工藝要求時才采用這種控制方案。

1.3 模糊控制法

由于實際工業過程控制系統中往往存在很多的非線性、不確定、時變影響無規律的因素[21]，會導致PID控制器的參數設定非常困難，且控制效果不是很理想，有時甚至達不到控制的最低要求，因此還需要對以上控制方法做進一步修訂。由于現代控制理論和計算機技術的快速發展，在防喘振系統中出現了很多新的控制理論，模糊控制就是其中較熱門且研究成果較豐碩的控制理論之一[22-23]。相比之下，模糊控制的優點主要是無需對控制對象建立精確的數學模型，主要根據人工控制的規則來組織其決策表，再根據該控制表最終決定控制量的大小[24]。模糊控制對于存在隨機干擾、滯后、部分參數未知的工業控制過程等具有較好的控制效果[25]。

模糊控制的關鍵是構造模糊控制器，主要是由4部分組成：模糊化、模糊推理控制、知識庫和清晰化[26-27]。研究最多的是模糊PID控制系統。該系統主要采用二維結構，對偏差和偏差的導數進行模糊化，再由所形成的模糊參數整定器生成PID的控制參數。當偏差較小時，進行常規的PID控制；當偏差較大時，自動切換到模糊PID控制[28]。模糊控制器的結構見圖5。

圖5 模糊控制器的結構

目前國內外有很多學者都在研究這項技術，并且取得了一些較大突破。一般的方法是將入口的流量以及它的偏差作為二維模糊控制器輸入，再通過模糊控制器的運算生成控制規則，進而控制防喘振系統控制閥的開度。但是模糊控制法的主要技術還不是很成熟，整體而言還沒有工業上所要求的成熟可靠的模糊PID控制器?；ば袠I對控制的安全性要求較高，因此壓縮機防喘振模糊PID控制目前還沒有大規模投入壓縮機控制系統的實際應用中[29]。

1.4 防喘振的新型控制方案

2 結束語

由于在現代石油、化工、冶金等很多工業生產系統中，大多都是將管道中的物料流和能量流連在一起，以完成各種各樣的物理化學反應、分離及吸收等過程[31]。為了強化生產，流體常常連續傳送，以便連續生產。壓縮機是生產過程中十分重要的氣體輸送設備[32]，而喘振又是壓縮機的固有特性，所以必須對防喘振技術進行研究，在已有的技術上進行總結，根據壓縮機出廠參數(流量、壓力等)確定設計工況下特性曲線和防喘振特性曲線[33-34]。應通過現場實驗，測取實際實驗數據，結合現場生產情況考慮更多的影響參數，從而得出壓縮機防喘振控制系統最佳工作范圍。

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(責任編輯 劉 舸)

Application Status of Surge Methods of Centrifugal Compressor

CHEN Hao-ran, CHEN Kui, ZHAO Dong, MENG Fei, LIN Fan

(Chishui Chint Building Engineering Branch of Chitianhua Group in Guizhou Province, Chishui 564700, China)

Surge problem has always been the problems in compressors’ achieve safety, economy and running smoothly. Surge phenomenon can make the compressor be of a cyclical material back or strong fluctuation pressure, at the same time produce heat stress and the vibration of large, and it may affect the service life of equipment, damage the unit parts, and also can cause serious accidents when it is serious. In this paper, the surge technology the application was carried on thorough the discussion about compressor, the traditional fixed limit flow method and the variable limit flow method. A new type of fuzzy control, the control of series parallel compressor, forecast control method were analyzed and compared. For the better development the surge technology, we provided a powerful model based on the research of the current technology.

centrifugal compressor; anti-surge

2014-11-18 基金項目：重慶市科委基金資助項目 (0211002432057)

陳浩然(1981—)，男，助理工程師，主要從事壓縮機防喘振技術研究。

陳浩然，陳奎，趙冬，等.離心式壓縮機防喘振方法的應用現狀[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):42-47.

format：CHEN Hao-ran, CHEN Kui, ZHAO Dong, et al.Application Status of Surge Methods of Centrifugal Compressor [J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):42-47.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.009

TH13.2+5

A

1674-8425(2015)03-0042-06