基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的閉式回路試驗(yàn)系統(tǒng)及應(yīng)用

摘要：介紹了一種基于國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的閉式回路試驗(yàn)系統(tǒng)及應(yīng)用，建立和應(yīng)用此系統(tǒng)的目的是考核該壓縮機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造質(zhì)量、氣動(dòng)性能指標(biāo)等是否滿足要求，繪制出氣動(dòng)性能曲線和喘振線，為現(xiàn)場(chǎng)配套的控制系統(tǒng)提供防喘振依據(jù)及性能參數(shù)設(shè)定依據(jù)。應(yīng)用基于ASME PTC10-1997標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)系統(tǒng)，如采用代氣體在閉式回路試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，首先計(jì)算出待檢測(cè)產(chǎn)品馬赫數(shù)和雷諾數(shù)偏差是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，然后取70%Nt、80%Nt、90%Nt、100%Nt和105%Nt轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)工況點(diǎn)待溫度穩(wěn)定后（大約需30分鐘）進(jìn)行記錄。在不超多15分鐘內(nèi)均勻定時(shí)讀取4組或更多組讀數(shù)，得出各個(gè)轉(zhuǎn)速下的全性能曲線，繪制出最佳性能曲線和喘振線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)考核，得出正確的結(jié)果，滿足合同要求。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；喘振線

1. 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

ASME PTC10-1997標(biāo)準(zhǔn)【1】規(guī)定有2種試驗(yàn)型式，Ⅰ型試驗(yàn)通常不使用，因?yàn)樗枰褂弥付怏w和指定條件，一般來(lái)說(shuō)壓縮機(jī)組在用戶現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的工作介質(zhì)為原料氣多組份混合氣體，在制造廠進(jìn)行的氣動(dòng)性能試驗(yàn)，不具備真實(shí)氣體的條件，故不能滿足ASME PTC-10中Ⅰ類試驗(yàn)的條件，因此選擇Ⅱ型試驗(yàn)。

在不能滿足ASME PTC-10中Ⅰ類試驗(yàn)的條件下，ASME PTC-10規(guī)定了Ⅱ類型試驗(yàn)，Ⅱ型試驗(yàn)采用相當(dāng)于一個(gè)用不同測(cè)試氣體（二氧化碳、氮?dú)狻134a、空氣等）的恒速試驗(yàn)。即試驗(yàn)氣體和運(yùn)轉(zhuǎn)條件都與設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)，但是必須滿足試驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件之間允許的偏差范圍。國(guó)內(nèi)通常會(huì)采用價(jià)格低廉的氮?dú)庾鳛榇脷怏w。

ASME PTC10-1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ⅱ類型試驗(yàn)，試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)條件與設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件之間參數(shù)允許偏差值（表1）

試驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)條件馬赫數(shù)的偏差范圍【1】規(guī)定如下：

試驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)條件雷諾數(shù)的偏差【1】規(guī)定如下：

2. 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1主管網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)輔助系統(tǒng)

主系統(tǒng)由試驗(yàn)壓縮機(jī)、變速機(jī)、液力偶合器、進(jìn)、出口管路，進(jìn)口管路上設(shè)置有測(cè)量流量的孔板，出口管路上設(shè)置由調(diào)節(jié)流量的閥門(mén)、冷卻器、放空閥等，出口氣體經(jīng)冷卻器冷卻后回到壓縮機(jī)進(jìn)口，進(jìn)口管路與出口管路相連，形成一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)。

輔助系統(tǒng)包括液氮儲(chǔ)罐、液氮泵、蒸發(fā)器、氣體壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣罐、補(bǔ)加氣調(diào)節(jié)裝置等。

監(jiān)控系統(tǒng)包括PLC控制器（下位機(jī)），操作站、工程師站。

2.2測(cè)量參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

氣動(dòng)性能測(cè)量參數(shù)：進(jìn)、出口壓力，進(jìn)、出口溫度，流量（孔板壓差），上游壓力，上游溫度，轉(zhuǎn)速和平衡氣管流量、上游壓力、上游溫度測(cè)量等。測(cè)點(diǎn)位置在ASME-PTC10標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定。進(jìn)、出氣試驗(yàn)管路上應(yīng)分別設(shè)有供測(cè)量靜壓和溫度的測(cè)量孔。在管路指定的同一截面壁上，沿圓周方向均布鉆4個(gè)孔。測(cè)溫孔與測(cè)靜壓的孔等距錯(cuò)開(kāi)45°。測(cè)量時(shí)如截面測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題盡可能采取措施進(jìn)行排除，實(shí)在無(wú)法排除時(shí)每一截面力爭(zhēng)保證3個(gè)測(cè)點(diǎn)。氣體溫度采用Pt100鉑電阻測(cè)量。壓力可用精密壓力表或壓力變送器測(cè)量。流量由孔板、差壓計(jì)測(cè)定。功率采用熱平衡法確定，輻射損失可用機(jī)殼表面積計(jì)算方法確定，轉(zhuǎn)速可采用磁電脈沖式轉(zhuǎn)速表或便攜式數(shù)字轉(zhuǎn)速表測(cè)量。

2.3監(jiān)控系統(tǒng)【3】

2.3.1功能模塊

下位機(jī)功能主要分為四個(gè)模塊：（1） 裝置ESD：包括機(jī)組的啟車停車、報(bào)警聯(lián)鎖、報(bào)警記錄、油泵的控制。此模塊按照機(jī)組的不同做了劃分，一個(gè)機(jī)組占一個(gè)程序塊。（2） 調(diào)速模塊：壓縮機(jī)的原動(dòng)機(jī)有汽輪機(jī)和電機(jī)兩種，汽輪機(jī)采用調(diào)速器調(diào)速，電機(jī)一般采用變頻調(diào)速。此模塊可用于調(diào)速，也可用于恒速使用。（3）SOE模塊：能夠?qū)⒀b置發(fā)生的各種事件按時(shí)間順序記錄下來(lái)，精確到毫秒級(jí)。

2.3.2安全系統(tǒng)

三個(gè)安全等級(jí)：（1） 操作員：只能對(duì)下位機(jī)的邏輯進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)；（2） 調(diào)試工程師：可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制，可以對(duì)程序進(jìn)行部分下裝，不能中止系統(tǒng)運(yùn)行。（3） 系統(tǒng)工程師：具有最高權(quán)限，可以對(duì)程序進(jìn)行全部下裝，可以停止控制器。上位機(jī)也分三個(gè)安全等級(jí)：（1） 操作員：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最基本的操作，如開(kāi)關(guān)閥、各種查詢、監(jiān)控。（2） 裝置工程師：可以進(jìn)行聯(lián)鎖切除。（3） 儀表工程師：可以修改報(bào)警、聯(lián)鎖參數(shù)、PID參數(shù)等

2.3.3軟件功能【4】

采用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，首先利用I/O驅(qū)動(dòng)取得數(shù)據(jù)送入PDB中并在畫(huà)面上顯示；能在畫(huà)面上手工輸入一些設(shè)定值及控制器參數(shù)；報(bào)警及操作記錄存入數(shù)據(jù)庫(kù)已備查詢；一些重要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)用于歷史趨勢(shì)瀏覽以及生成報(bào)表等。

2.3.4監(jiān)控畫(huà)面：

開(kāi)車條件畫(huà)面：有開(kāi)車條件和盤(pán)車條件，條件中當(dāng)各條件的實(shí)時(shí)值滿足設(shè)定值時(shí)，狀態(tài)燈變綠。當(dāng)所有條件的狀態(tài)燈都變綠時(shí)，允許啟動(dòng)燈會(huì)變亮，系統(tǒng)允許機(jī)組啟動(dòng)。該畫(huà)面中可以對(duì)盤(pán)車電磁閥進(jìn)行控制。畫(huà)面右上角是登錄控件。點(diǎn)擊登錄按鈕后，彈出對(duì)話框，輸入正確的用戶名和密碼，會(huì)得到權(quán)限，顯示在按鈕下方。注銷點(diǎn)擊注銷按鈕。圖中是系統(tǒng)開(kāi)車之前允許啟動(dòng)的界面狀態(tài)。工藝流程畫(huà)面：包括壓縮機(jī)氣路畫(huà)面，油路畫(huà)面，原動(dòng)機(jī)畫(huà)面，軸系監(jiān)測(cè)畫(huà)面，干氣密封畫(huà)面。進(jìn)入工藝流程畫(huà)面中可完整地看到機(jī)組本體的運(yùn)行情況，并且顯示有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在工藝流程各個(gè)畫(huà)面，先點(diǎn)擊測(cè)點(diǎn)，再點(diǎn)擊畫(huà)面上方頁(yè)眉中的趨勢(shì)按鈕，就會(huì)彈出單點(diǎn)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)，從實(shí)時(shí)趨勢(shì)可以切換到歷史趨勢(shì)。報(bào)警、聯(lián)鎖畫(huà)面：起車后各參數(shù)必須保證在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，一旦超出正常值，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警或者聯(lián)鎖。為了操作人員能及時(shí)了解產(chǎn)生故障的原因，上位機(jī)設(shè)計(jì)了報(bào)警、聯(lián)鎖畫(huà)面。在這兩幅畫(huà)面中可以方便的查找到產(chǎn)生報(bào)警或聯(lián)鎖的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并且能夠查詢到測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)信息，包括當(dāng)前測(cè)量值， 報(bào)警設(shè)定值，聯(lián)鎖設(shè)定值。各測(cè)點(diǎn)的報(bào)警值、聯(lián)鎖值均可進(jìn)行新的設(shè)定。通過(guò)點(diǎn)擊“聯(lián)鎖畫(huà)面”中的“聯(lián)鎖記憶”按鈕能夠進(jìn)入機(jī)組的聯(lián)鎖記憶畫(huà)面，準(zhǔn)確地得到聯(lián)鎖時(shí)的數(shù)據(jù)。（4）調(diào)速畫(huà)面：用于壓縮機(jī)組啟動(dòng)升速，當(dāng)系統(tǒng)需要啟動(dòng)時(shí)打開(kāi)“開(kāi)車條件”畫(huà)面，再打開(kāi)“調(diào)速畫(huà)面”，在中控室開(kāi)車按“啟動(dòng)”按鈕（按一下即可），即進(jìn)入暖機(jī)模式，，當(dāng)按下升速按鈕后，轉(zhuǎn)速設(shè)定點(diǎn)值為暖機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到臨界區(qū)內(nèi)，將自動(dòng)高速通過(guò)，不受手動(dòng)影響，此時(shí)模式為“加速”，轉(zhuǎn)速設(shè)定點(diǎn)為最小工作轉(zhuǎn)速。若要做超速試驗(yàn)，應(yīng)在運(yùn)行模式下，先按允許超速（一次），再一直按住“超速試驗(yàn)”按鈕，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，即發(fā)生電子跳閘，超速試驗(yàn)完成。

3.系統(tǒng)應(yīng)用程序

3.1確定試驗(yàn)方案

3.1.1比較試驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)條件比容比、馬赫數(shù)和雷諾數(shù)，是否符合ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相似條件。比如：

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)做出試驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)條件下馬赫數(shù)的差、雷諾數(shù)的比范圍如表4：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析， 該壓縮機(jī)以氮?dú)鉃榇脷怏w的熱力性能試驗(yàn)，滿足ASME PTC10標(biāo)準(zhǔn)的相似條件；試驗(yàn)壓力和溫度不超過(guò)壓縮機(jī)最大允許的壓力和溫度。試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速不超過(guò)壓縮機(jī)安全運(yùn)行轉(zhuǎn)速。在此條件下的性能試驗(yàn)，將會(huì)得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

3.1.2當(dāng)量轉(zhuǎn)速【2】的確定：

3.1.3根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布置測(cè)點(diǎn)，選擇必測(cè)參數(shù)。

3.2啟車前必要準(zhǔn)備

試驗(yàn)用儀器儀表試驗(yàn)之前，經(jīng)計(jì)量部門(mén)檢定，保證在合格有效期內(nèi)，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。所用儀表應(yīng)編制唯一編號(hào)，并且在測(cè)試時(shí)與采集系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)。

3.2.1向回路充入代用氣

液氮由液氮槽車送入液氮儲(chǔ)氣罐，液氮儲(chǔ)氣罐中液氮經(jīng)液氮泵輸送到蒸發(fā)器中，經(jīng)蒸發(fā)器充入高壓儲(chǔ)氣罐中，再由高壓儲(chǔ)氣罐經(jīng)自動(dòng)補(bǔ)加氣調(diào)節(jié)裝置送入閉式試驗(yàn)管路中。

3.2.2置換氣體：

在氣體充入系統(tǒng)前必須去除閉式回路中的空氣，將管路中充入試驗(yàn)氣體至0.2MPa放掉，進(jìn)行2次氣體置換，以保證試驗(yàn)氣體純度達(dá)到98%以上。機(jī)組靜態(tài)時(shí)向閉式回路充入氮?dú)猓瑱z查各法蘭連接處，測(cè)試管線等不得有漏氣現(xiàn)象。達(dá)到試驗(yàn)壓力后，啟動(dòng)壓縮機(jī)，并逐漸緩慢調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速達(dá)到中的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，此時(shí)出口閥全開(kāi)。試驗(yàn)前和試驗(yàn)期間用氣相色譜分析儀進(jìn)行管路取樣成分分析。

3.3進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)

確認(rèn)機(jī)組正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘后，經(jīng)檢查證明機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和測(cè)量?jī)x表正常后，進(jìn)入氣動(dòng)性能試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)氣裝置維持進(jìn)口壓力在試驗(yàn)條件的壓力，通過(guò)冷卻器水量調(diào)節(jié)進(jìn)口氮?dú)鈿怏w溫度滿足試驗(yàn)條件。入口壓力由補(bǔ)氣調(diào)節(jié)裝置根據(jù)設(shè)定的壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。所有操作過(guò)程需非常緩慢進(jìn)行，并同時(shí)觀察振動(dòng)情況，若機(jī)組出現(xiàn)喘振現(xiàn)象則立刻停止壓力調(diào)節(jié)，迅速打開(kāi)出口閥，在性能試驗(yàn)全過(guò)程中，注意觀察所有機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)保證機(jī)組平穩(wěn)正常運(yùn)行。

3.3.1調(diào)節(jié)和記錄

在進(jìn)口壓力恒定的條件下，用出口閥來(lái)調(diào)節(jié)工況，工況點(diǎn)包括滯止流量點(diǎn)、設(shè)計(jì)點(diǎn)和喘振點(diǎn)等五個(gè)工況。每個(gè)工況點(diǎn)待溫度穩(wěn)定后（大約需30分鐘）進(jìn)行記錄。在不超多15分鐘內(nèi)均勻定時(shí)讀取4組或更多組讀數(shù)基礎(chǔ)上，溫度的穩(wěn)定性是指溫度的跳升不超過(guò)溫升的0.5%。

3.3.2喘振測(cè)試取樣原則

最小流量工況為喘振工況，要經(jīng)過(guò)至少兩次重復(fù)驗(yàn)證.在上述測(cè)試中，為確定其喘振線，在保證機(jī)組安全正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在70%Nt、80%Nt、90%Nt、100%Nt和105%Nt情況下，進(jìn)行喘振線的測(cè)試。

3.3.3試驗(yàn)完成

試驗(yàn)完畢將出口調(diào)節(jié)閥門(mén)打開(kāi)，并緩慢打開(kāi)放空閥，壓力降至0.05MPa可停車。喘振流量工況測(cè)量是根據(jù)轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度等基本保持一定，逐漸減小流量時(shí)，所產(chǎn)生的壓力不穩(wěn)定或脈動(dòng)來(lái)確定的。測(cè)量的可靠性應(yīng)由讀數(shù)的可重復(fù)性所證明。

3.4考核

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)滿足以下條件

1、在規(guī)定的運(yùn)行點(diǎn)能量頭和流量應(yīng)該為零或非負(fù)偏差，而在該點(diǎn)的功率不超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期軸功率的104%。

2、分段能量頭-流量特性曲線從額定點(diǎn)到預(yù)計(jì)喘振點(diǎn)是連續(xù)上升的。

此案例考核結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)系統(tǒng)是考核出口產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造質(zhì)量、氣動(dòng)性能指標(biāo)的必要設(shè)施。產(chǎn)品越多的走向國(guó)際市場(chǎng)，基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)系統(tǒng)就應(yīng)該越多的建立并應(yīng)用于出廠前性能測(cè)試過(guò)程。消化掌握并貫徹應(yīng)用新標(biāo)準(zhǔn)，建立符合標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)系統(tǒng)是裝備制造行業(yè)共同的而且是永恒的任務(wù)，在學(xué)習(xí)、應(yīng)用、改進(jìn)、完善中提高，是獲得國(guó)際先進(jìn)水平的唯一途徑。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司）

作者簡(jiǎn)介：毛靚華（1978.02.10），性別：女；籍貫：河北盧龍；民族：漢；學(xué)歷：本科，學(xué)士；職稱：高級(jí)工程師；職務(wù)：儀控設(shè)計(jì)室主任；研究方向：大中型機(jī)械控制及故障診斷技術(shù)。