離心式壓縮機防喘振智能控制系統研究

韓永，林樂，趙惠

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

作為工業生產中的重要技術設備之一，離心式壓縮機的關鍵優勢不言而喻。在當前工業節奏發展持續加快的形勢下，必須客觀審視離心式壓縮機喘振問題出現的機理及特性，并通過構建性能穩定的防喘振智能控制系統，將喘振所造成的不良影響控制在合理范圍內。本文就此展開了探討。

1 壓縮機防喘振機理及特性分析

離心式壓縮機是一種常用于工業生產的設備裝置，用來壓縮和傳送工業生產中的各類氣體。它通過葉輪的高速旋轉，將中心部位的氣體通過離心力作用為氣體賦予較大離心速度，再通過擴壓器將氣體速度能轉換成為壓力能。同時，葉輪的中心部位形成負壓區，可將氣體連續不斷地吸入流道，完成對氣體的升壓和連續輸送過程。隨著科學技術的快速發展，離心式壓縮機的整體性能得以顯著優化提升，所占空間更小，結構樣式更科學，氣體傳送量更大，運行過程更加平穩。喘振問題是離心式壓縮機的固有特性，是壓縮機工作狀態失衡失穩的具體表象特征，嚴重情況下會造成氣體流動方向出現逆轉，產生強烈震動，加快壓縮機磨損進程，縮短壓縮機使用壽命，因此必須高度重視喘振控制問題。長期以來，廣大生產性單位在離心式壓縮機防喘振方面進行了大量有益探索，在防喘振智能控制系統的應用方面取得了令人矚目的現實成就，積累了豐富而寶貴的實踐經驗。盡管如此，隨著離心式壓縮機應用環境的日益復雜與應用強度的不斷提高，其防喘振控制系統依舊面臨著嚴峻挑戰與考驗，創新防喘振智能控制系統應用成效，為離心式壓縮機的穩定運行營造良好條件，任重而道遠。

2 離心式壓縮機喘振故障原因分析

2.1 壓縮機葉輪磨損或者黏附物太多

葉輪是離心式壓縮機的關鍵組成部分，主要通過自身曲線槽結構和快速旋轉來形成強大離心力，其性能好壞直接關系到壓縮機的運行穩定性。由于葉輪通常處于高強度、連續性的工況狀況中，因此其遭受到的外來應力干擾相對較多，若其磨損程度較高，或黏附了過多雜質，則其曲線槽結構將會出現被動變化，自身轉動能力系數下降，影響離心力的有效形成，打破了離心式壓縮機的平衡穩定運行狀態，造成喘振。研究表明，葉輪磨損程度越高，或黏附的雜質數量越多，則其喘振問題則越發突出。

2.2 壓縮機擴壓器腐蝕磨損

與葉輪相類似，擴壓器同樣在離心式壓縮機結構中發揮著關鍵作用，可通過其自身具有的特定曲線腔壁對內部空氣流動進行再次擴壓，調節壓縮機內部空氣流動頻率，保證離心式壓縮機順利完成工作。在外力的長期作用下，加之材質、強度、環境、維護等方面的影響，壓縮機擴壓器同樣會出現腐蝕磨損問題，使得氣體漩渦問題頻發，阻礙氣體順利進入，并導致無法實現擴壓，造成喘振。

2.3 葉輪與擴壓器之間的間隙變化

離心式壓縮機是一種專業性與特殊性較強的工業設備，對零部件之間的配合精度具有較高要求。通常情況下，應根據離心式壓縮機的性能、工況、運行要求等因素，在葉輪與擴壓器之間設定合理間隙，以滿足壓縮機內部空氣流通需求。部分離心式壓縮機在葉輪與擴壓器之間所設置的間隙大小尺寸不科學，對內部氣體的流動產生負面效應，間隙過大容易造成泄氣、漏氣、串氣，而間隙過小則容易導致氣體流量降低，無法形成特定壓縮效果，輸出壓力喪失基礎保障，進而形成喘振。

2.4 壓縮機進氣口溫度變化

離心式壓縮機進氣口溫度的變化屬于典型的客觀因素。在既有技術條件下，離心式壓縮機需在特定溫度與特定大氣壓下完成氣體壓縮全過程，但實際上進氣口溫度隨時處于變化之中，因此這種相對理想的狀態是難以達到的。當壓縮機進氣口溫度升高，則其工藝氣體密度隨之降低，氣流量減少，阻礙著壓縮機內部壓力的有序輸出，導致喘振。這也直接證明了離心式壓縮機在溫度相對較高的環境中比低溫環境更容易出現喘振。

3 離心式壓縮機防喘振智能控制系統研究

3.1 智能控制系統功能需求分析

由于離心式壓縮機處于連續性工況運行狀態，因此在防喘振智能控制系統應用中必須建立適用的數學模型，以精準獲取壓縮機喘振點，并在部分情況下確保防喘振閥能夠有效達到全開狀態，優化調整氣體氣流調節作用。為提高防喘振智能控制系統的響應速度，需增設適配增益功能，有效調節閥門啟閉速率。壓縮機防喘振的工作區域相對較小，這意味著必須對工作點進行智能管控，通過優化調整工作點與防喘振工作區域的相對位置，降低智能控制系統可能出現的執行偏差。此外，比例超馳同樣是智能控制系統需要具備的重要功能之一，在控制器控制作用微弱的情況下，相對獨立地調控防喘振閥。

3.2 防喘振控制系統總體設計

以離心式壓縮機的各項基本性能參數為基礎，測定其運行特性曲線，獲取喘振工況狀態下的各類數據信息，構建數學模型，得到離心式壓縮機喘振點。根據離心式壓縮機可能導致喘振的諸多要素，形成喘振點控制區域，滿足其防喘振的各項功能需求。對部分相對獨立的系統工作模塊進行單獨設計，并進行線性優化調整，提高防喘振智能控制過程中的針對性和有效性。在此過程中，需精準掌握壓縮機出入口壓力的絕對值，在空氣流通量恒定狀態下，建立線性方程，防止壓縮機轉速下降時容易出現的間斷性喘振問題。

3.3 系統功能初步設計

首先按照離心式壓縮機壓力與溫度等各項額定參數，在選定數學模型的基礎上，建立空氣流量與壓力存在一一對應關系的坐標系，為坐標系中橫坐標與縱坐標分別賦予不同數值，精準反映二者之間的相互影響關系與邏輯關系。其次在同一坐標系中進行控制線設計，主要包括離心式壓縮機徘徊線、防喘振線、比例控制線、快開線等，盡管不同的控制線具有不同的指導意義，所形成的細部設計價值有所差異，但可在多種智能控制方式下優化離心式壓縮機的運行穩定性，將可能出現的各種喘振現象消除在萌芽階段，形成多重智能性功能保護。

3.4 系統詳細設計及功能實現

為提高離心式壓縮機防喘振智能控制系統運行效果，必須對各項組成程序進行詳細設計，并對具體功能做出有效說明與標注。在特定程序塊開發軟件平臺中，可將智能控制系統細化分為：喘振線函數，用于通過壓縮機壓比獲取喘振點；電磁閥啟閉模塊，用于向電磁閥發出啟閉信號，根據壓縮機工況條件，控制電磁閥的隨時啟閉；工作點顏色模塊，用于控制工作點顏色，根據不同顏色的定義，協調實際偏置與總安全偏置的關系；徘徊點計算模塊，用于實現喘振控制設定點的徘徊功能；自適應調節模塊，為智能控制系統提供自適應調節功能，完成適配增益與不對稱響應；重矯正模塊，用于喘振發生后對安全偏置進行重新矯正。此外，還有總安全偏置模塊、喘振超馳模塊、喘振PID 模塊等，實現各自相應功能。

3.5 智能防喘振控制系統調試運行

調試運行環節是離心式壓縮機防喘振智能控制系統的關鍵步驟，主要目的在于查找發現存在于系統內部的薄弱之處，找準容易出現運行故障的具體點位，并采取特定技術措施進行優化與強化。通常情況下，防喘振智能控制系統的調試運行平臺可采用AB ControlLogix平臺，其穩定性好，運行速度快，運算效率高，可在更短的時間內完成更多調試任務，并可實現對主循環控制回路的定向掃描控制。

4 結語

綜上所述，受技術方法、行為理念、管理模式等方面的影響，離心式壓縮機防喘振智能控制系統的實際應用過程依舊存在著諸多方面的缺陷與不足，制約著離心式壓縮機整體應用性能的優化提升。因此，技術人員應該從離心式壓縮機的客觀實際應用環境與需求出發，充分遵循防喘振智能控制系統的基本應用規律，創新思維方法，強化技術措施，切實優化離心式壓縮機應用條件，將喘振造成的不良影響降到最低，為保障工業生產順利有序進行奠定基礎，為促進工業經濟高質量發展保駕護航。