離心壓縮機防喘振控制方法的研究及應用

王園園

摘要：對離心壓縮機喘振現象和傳統的防喘振控制方法進行研究，分別采用變增益常數和變積分常數PID調節的方法對離心壓縮機防喘振控制進行仿真試驗，并討論兩種方法的優缺點，提出一種基于變增益常數和變積分常數結合的PID調節離心壓縮機防喘振的新方法。數值試驗結果表明該方法有效地克服了變增益常數法易擾動的不足和變增益積分常數法易滯后的缺點，提高了離心壓縮機的安全和經濟性能。

關鍵詞：離心壓縮機；防喘振；可編程控制器；增益常數；積分常數

在石油、化工、冶金等工業生產中，離心壓縮機以它平穩高效得到了廣泛應用，它們在生產中起著重要作用。喘振現象是離心壓縮機的固有特性，它在壓機入口流量低于最小流量時發生，輕則造成壓縮機停機，中斷生產過程造成經濟損失；重則造成壓縮機葉片損壞，引起壓縮機設備報廢，造成人員傷害。因此，喘振現象具有嚴重的破壞性。如何在離心壓縮機的運行過程中，有效控制和保證生產過程的正常運行，防止喘振現象的產生，具有重大意義。

1風機的喘振機理及現象

從壓縮風機特性曲線中可以看出，風機工作特性曲線分成兩個區，一個為穩定區，另一個為不穩定區。喘振發生在不穩定區內。喘振是系統受的阻力因某種原因升高到一定值時，工況點從A點突然移到B點，排氣壓力達到最大值，在葉片上產生脫流現象，工況點又迅速移到負流量下的C點，然后迅速降到D點再瞬間移到A點，于是壓縮機的工作狀態就會出現周而復始的循環，導致壓縮機無法運行在正常工況點。喘振是透平機械的固有特性，是壓縮機在低流量的條件下，葉片上產生氣流脫離形成的脈動流與出口管網的氣阻之間形成的振蕩現象。氣流脈動和機內溫度上升會危及葉片和軸承的正常工作，壓縮機內的氣流和附屬管網的壓力和流量脈動可能發展成增幅振蕩，形成周期性的氣流倒流和排出氣體壓力時高時低的現象，并產生巨大的噪聲和急劇的溫升。流量和壓力的大幅振蕩會導致壓縮機從正的流量特性躍變到負的流量特性，使其運行不穩定，導致壓縮機進入逆流工況。由于壓縮機本身具有喘振、失速的特性，所以在實際操作中必須采用防喘振控制和安全保護措施，使壓縮機工作在穩定的工作區。因此，防喘振控制是壓縮機正常工作的關鍵。

2防喘振的控制原理

防喘振控制的目的就是要始終保證工況點運行在防喘振線以下的安全區域內。從喘振的形成過程可以看出，在一定的排氣壓力下，防止壓縮機流量過小就能避免喘振發生。降低系統阻力是避免喘振的一項重要措施，然而工藝管網的阻力是一定的，所以實際中采用降低排氣壓力（放空）來增大壓縮機流量，消除喘振。根據這一要求防喘振閥通常選為氣關閥，并且要求快開慢關，快開速度約2s，慢關要求10s。防喘振控制就是利用這一原理，來設置防喘振線，防止喘振的發生。因喘振是一個迅速產生的過程，從最大流量到反向流動只需0。04s，又因喘振受機組本身因素和管網壓力等因素的影響，其過程復雜難以建立精確的數學模型，所以喘振線無法準確地計算和檢測。工程實際中常利用實測法得到喘振線。因出口流量是壓縮機入口壓差（喉部壓差）的函數f（$p），而實際中采用的方法是實測出壓縮機喉部壓差$p與排氣壓力p的函數關系，得出壓縮機的特性曲線和喘振曲線，即在不同的喉部壓差下，測量對應的喘振壓力，將測量的點用折線連接即可繪出橫坐標為喉部差壓，縱坐標為排氣壓力的曲線，稱為該機組的喘振線。為了安全實際中將喘振線縱坐標參數下移3%作為喘振裕度（即放空線），工況點在放空線以下，放空閥關閉，如果工況點在放空線以上，放空閥全開來防止喘振。實測喘振線縱坐標參數下移8%得到該機組的防喘振線，當出口壓力到達防喘振線時，控制系統自動調節防喘振閥放風，降低出口壓力防止喘振發生。因離心壓縮機在不同的轉速下性能線為近似的平行線，因而離心壓縮機的喘振線可近似地簡化為二折線函數。實測點的選擇根據入口調節閥的線性，通常選壓差變送器44%處的點作為喘振點的一個重要的測試點。

3防喘振控制系統的設計

3.1喘振線的計算

喘振線是設計防喘振控制系統的依據，喘振線的計算是設置防喘振線控制的關鍵。喘振線的計算是根據實測喘振點的出口壓力和壓縮機喉部差壓的關系，利用兩點法分別計算出各段喘振線的斜率k1和k2，然后結合截距法計算出對應的截距b1和b2，再分別利用直線公式得到該機組的喘振線。

3.2防喘振線的計算

防喘振線的計算如圖1所示，控制系統采集當前的喉部壓差$p，經入口溫度t和設計溫度td轉化為絕對溫度的補償后得到$p1，再根據當前喉部壓差所處的位置來選取對應的斜率和截距k1、b1或k2、b2。該斜率k乘以當前壓縮機的喉部差壓，加上截距b再乘以0。92的系數，就得到當前點的計算出口壓力p1。因而，每一個工況點都對應一個計算所得到的防喘振點，這些防喘振點的連線就形成防喘振線。防喘振調節就是將當前點的計算出口壓力p1作為PID調節的設定值SP1，當前點的實際出口壓力p作為檢測值PV1，經PID自動調節來控制防喘振閥開度的大小，達到預防喘振的效果。防喘振線是一個動態折線，隨著壓縮機喉部壓差的變化而動態的變化，其調節過程也是一個動態折線的響應過程。

圖1 防喘振線的計算模塊

3.3防喘振控制系統

防喘振控制系統是通過西門子S7-300可編程控制器（PLC）來實現的。將設定值和檢測值各自除以其對應的量程（定標）后，經PID處理完成自動調節。為了實現快開慢關的功能，系統采用變增益常數和變積分常數結合的PID調節方法。當設定值壓力SP1大于等于出口壓力PV1時，將增益常數K3和積分常數K5輸入PID，當設定值壓力SP1小于出口壓力PV1時，將增益常數K4和積分常數K6輸入PID。當壓縮機組處于正常的工作情況時，防喘振閥處于關閉狀態。若壓縮機工作點接近防喘振線時，控制系統將根據其計算的當前設定值和測量值的偏差來自動調節防喘振閥進行放風，以降低壓縮機的出口壓力，使壓縮機的工作點遠離喘振線，保證機組工況點不至于到達喘振點。若自動調節還不能消除喘振，當排氣壓力升至放空線（0.97SP1）時，系統自動給一個值0，防喘振閥全開，進行放空，并設置出口壓力過高聯鎖停機信號，以便在確實發生喘振的情況下執行放空和停機聯鎖，確保機組絕對安全。壓縮機的入口設有電動調節閥，對風壓的調節通常是通過調整入口閥的開度來實現的。若需要小風壓調節時，也可以通過人為手動給定值來調節防喘振閥的開度，調節出口風壓，且手動值自動跟蹤PID的調節輸出MV。在自動調節輸出值MV和手動給定值之間設有低選功能模塊手動值的給定始終受到自動值的跟蹤和保護，若手動值大于自動調節的輸出，系統自動選擇自動值輸出。這一功能有效地防止了誤操作，保證了系統的安全性。

4結論

本文結合離心壓縮機喘振的特點和工藝實際要求，在可靠地保護壓縮機安全性能的前提下，利用變增益常數和變積分常數相結合的PID調節方法實現了對離心壓縮機的防喘振控制。改變了傳統PID調節的固有模式，使調節更加靈活、方便，提高了離心壓縮機控制系統的穩定性、可靠性和經濟性，是一種較為完善的離心壓縮機喘振控制方法。仿真結果也表明此方法簡單、實用，尤其在實現防喘振的快開慢關功能中發揮了重要的作用，達到了預期的目的。

參考文獻

[1]李劍峰. 離子壓縮機防喘振控制策略的研究及動態模擬[D].西南石油大學，2014.

[2]姜波. 離心壓縮機模型參數辨識與防喘控制研究[D].東北大學，2011.

（作者單位：天津聯維乙烯工程有限公司）