基于20000m3/h空分增壓透平膨脹機防喘振設計與應用

陳正忠

（開封空分集團設計研究院，河南 開封 475000）

基于20000m3/h空分增壓透平膨脹機防喘振設計與應用

陳正忠

（開封空分集團設計研究院，河南 開封 475000）

本文以20000m3/h空分設備為背景，介紹了增壓透平膨脹機產生喘振的原因，描述了ACD增壓透平膨脹機壓差與流量雙變量防喘振控制方案。詳細介紹了防喘振曲線的制作過程，以及防喘振邏輯在DCS上的組態。

增壓透平膨脹機；防喘振控制；壓差

青海鹽湖集團二期化工項目配建1套20000Nm3/h空分設備，采用分子篩吸附預凈化、空氣增壓透平膨脹機提供裝置冷量、雙塔精餾、無氫制氬、液氧泵內壓縮流程，控制系統采用Honeywell Experion PKS系統，由開封空分集團有限公司成套供貨。增壓透平膨脹機采用美國ACD公司和開封空分集團的產品，一用一備。在調試出氧階段由于進口膨脹機資料中沒有防喘振制作的資料所以需要現場制作防喘振控制。

1　喘振產生的原因

當壓縮機運行過程中流量太小，出口壓力太高時，流動就成為不穩定狀態。流量小，所以流動速度就低，氣體前進的動力就小；出口壓力高，氣體前進的阻力就大；再由于軸向渦流的存在，這樣就會出現氣體瞬間的倒流（或局部倒流）現象。出現倒流之后，就會減輕出口壓力，壓縮機便恢復了正流方向的流動。但是如果不設法增加流量需求，又要重復上述過程，再次發生倒流，再次恢復正流，如此反復進行。壓縮機的這種不穩定運行狀態就稱為“喘振”。由于正流和反流交替發生，狀態劇烈變化，對機器（特別是對葉輪）產生沖擊，因此壓縮機發出強烈的聲音和振動。

圖1　

增壓器需要最低體積流量，以便在穩定的范圍內運行。當體積流量低于規定的最低體積流量時，增壓機將喘振，其機械部件承受的應力過大，因此應加以避免。為了能在穩定的范圍內運行增壓器，透平膨脹機組的增壓側裝備了回流閥，用于補償當前流量與最低體積流量之間的差值。回流閥的開度由防喘振控制器控制。穩定與非穩定運行之間的分界線被稱為喘振線。其線路取決于各種因素（如溫度、壓力等）。必須在喘振線與喘振控制線之間確定一個安全的限度，以確定穩定的控制特性。安全區域在喘振線的右下側如下圖1。

2　喘振曲線的制作

一般制造商會隨機器出廠提供壓縮機的性能曲線圖，性能曲線可以是由該樣機試驗得出的，也可以是同類樣機的試驗基礎上總結出換算方法而計算出來的，通常是用壓比與流量的關系來表示的，壓比為縱坐標，流量為橫坐標。在一定的轉速下有一條性能曲線，通常流量減小壓比增加，流量小到某一值時便會發生喘振，這一點稱為喘振點。如果機器轉速是可變的，對于不同的轉速就有不同的喘振點，將這些點連起來為一條曲線就稱為喘振曲線。喘振線將性能曲線圖劃分成安全區和喘振區，喘振線的右下方為安全區，左上方為喘振區。ACD膨脹機中的壓縮機就屬于這種情況［1］。

ACD采用MOORE提出的防喘振方法，也是許多壓縮機防喘振實際采用的方法，就是用進出口壓差（用DP表示）—流量壓差（用DP2表示）圖來代替壓比—流量圖并且提供了喘振曲線上DP與DP2的對應數值。用這種方法的優點是只要測量出運行時的兩個壓差即可，這時喘振線上各點的DP與DP2接近線性關系，并且不受壓縮機進口條件如壓力，溫度和氣體組分的影響，顯然是十分方便的。喘振線上DP2的每一點代表不同的轉速，進口導葉位置或進口壓力。

在DCS屏幕上制作一個DP—DP2的坐標圖，圖上畫出喘振曲線，利用運行時測量的兩個壓差標出工作點位置，這樣可以直觀地看出工作點離喘振線有多遠，以便于實際操作，在避免喘振的同時有效的提高了膨脹機的工作效率。

根據說明書提供的兩組壓差的對應數據（可以是壓差數據，也可以是百分比數據）在坐標圖上可以得到若干點（這些點近似于一條直線，但不要作成直線，誤差較大），用數學處理方法（例如樣條函數）通過這些點連成一條曲線（如有困難，連成一條折線也可）而得到表示兩者關系的數學表達式提供給DCS組態人員。這樣，只要知道DP，便可算出喘振線上的對應DP2。

將喘振流量安全值設置為喘振流量值的1.1倍。就是說，當流量下降到喘振流量的1.1以下時，回流閥（也稱防喘振閥）會自動打開使壓縮機流量增大，避免喘振。但是我們用的是壓差而不是流量。因為壓差與流量的平方成正比，所以喘振壓差安全值應該是喘振壓差的1.21倍。

在避免喘振的同時，我們更不希望壓縮機的運行工況突然產生大幅度的波動。在正常工作時，回流閥應該是全關的。如果DP2下降到喘振值的1.21時將回流閥突然全開，壓縮機突然受到沖擊，容易損傷機器；而且一旦轉速落到共振區，會造成操作上的慌亂；另外，工況遭到大幅度破壞以后，想要恢復也比較費力。因此對于回流閥的動作在設計時設定一個緩沖區，例如設置成喘振壓差值的1.15～1.25。這樣，喘振曲線就有3條曲線。一條是喘振線；一條是在喘振線的基礎上將DP2乘以1.15得到的喘振保護線；另一條是在喘振線的基礎上將DP2乘以1.25得到的喘振動作線。

圖2　壓差與流量對應的兩組數據

根據給定的一組參數及上面的計算方法可以得到三條線段，分別是喘振線、防喘振保護線以及動作線。在

DCS畫面上取一個基點作為原點，橫坐標為DP2，縱坐標為DP，這樣就會得到一個矩形區域，在此矩形坐標框中繪制三條線，分別是喘振線、防喘振保護線、動作線。繪制出的坐標圖如下圖3。

圖3　流量壓差坐標圖

3　防喘振控制邏輯

由繪制出的三條線可以得到動作線的斜率W0和防喘振保護線的斜率W1。膨脹機投入運行時，控制器實時采集動坐標的數值PV制與設定值W0做比較PV＜W0，回流閥處于手動控制狀態；PV≧W0，回流閥處于程序控制狀態，每秒回流閥打開1%；隨著PV值的繼續增大，同時動坐標向防喘振保護線移動；動坐標移動到防喘振保護線，即PV=W1時電磁閥失電回流閥全開。這樣就能防止增壓透平膨脹機進入喘振區而發生喘振。

防喘振控制邏輯如上。

經過現場的靜態調試和動態調試發現該喘振的方案和方法都是可靠的。后期該空分裝置運行正常且產品都達到了設計值進一步說明該防喘振方案的正確性。

圖4　防喘振控制邏輯

4　結語

增壓透平膨脹機在一定的進口壓力、轉速和閥門的開度下，當出口壓力達到一定的數值時，機器會發生喘振。發生喘振時其機械部件承受的壓力過大，對葉輪有很大的傷害，該防喘振控制方法能有效的避免增壓透平膨脹機的喘振，同時也防止了喘振對工況的影響，更好的保護了機器。

［1］鐘連山.引進增壓透平膨脹機的運行維護［J］.深冷技術，2011（6）：32-35.

Anti-surgeDesign and Application of Boosted TurbineExpander Based on the20000m3/h Air Separation

Chen Zhengzhong
（Kaifeng Air Separation Group Design and Research Institute，Kaifeng Henan 475000）

This paper takes 20000m3/h air separation equipment as the background，introduces the causes of surge in boosted turbine expander，and describes the ACD boosted turbine expander differential pressure and flow bivariate anti-surge control scheme.The paper introduces the making process of the anti-surge curve，as well as the configuration of anti-surge logic on DCS in detail.

boosted turbine expander；anti-surge control；differential pressure

TQ116.11

A

1003-5168（2015）12-0036-3

2015-12-1

陳正忠（1985.10-）男，本科，助理工程師，研究方向：儀表自動化設計工作。