淺談蒸汽壓縮機防喘振控制方式

黃光明 饒 佳 鐘志輝

（中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙，410004）

蒸汽壓縮機是制鹽或廢水處理蒸發結晶系統（MVR）中的大型增壓關鍵設備，作用是將低壓或低溫蒸汽加熱升溫，以達到工藝所需的壓力和溫度的要求。蒸汽壓縮機整體主要由壓縮系統、蒸汽系統、潤滑系統和密封系統4 個基本單元組成[1-2]。蒸發器產生的蒸汽經過分離器去除蒸汽中的部分液體，然后再進入壓縮機。由于蒸汽壓縮機工況區較窄，容易出現液擊、頻繁喘振、振動值超過極限導致跳車等連鎖保護和自動控制問題。為此，本文通過控制蒸汽壓縮機出口壓力和溫度等工藝參數、設置防喘振預警控制程序及喘振畫面報警等措施，以及增加回流管線等方式，在蒸汽壓縮機喘振情況出現時，DCS通過喘振預警程序及喘振畫面報警等方式提前發出喘振信號，當喘振信號出現時，能自動開啟喘振閥門或手動開啟喘振閥門，以避免蒸汽壓縮機出現液擊和喘振等現象。

1 蒸汽壓縮機及其控制檢測系統的基本組成

蒸汽壓縮機主要由蒸汽壓縮機本體、高壓電機、潤滑油齒輪箱、油加熱器、油過濾器和油冷卻器等組成。本文以浙江某硫酸銨二期項目（以下稱本項目）為例，對蒸汽壓縮機的控制回路、保護措施及檢測點詳細情況進行論述。本項目共有3臺（兩種不同類型）蒸汽壓縮機，蒸汽壓縮機入口流量分別為90 t/h、112 t/h、4 t/h，主要為MVR 系統提供生產過程所需的蒸汽，蒸汽壓縮機工藝流程圖如圖1所示。具體如下：

（1）由蒸汽系統組成的回路控制。由入口蒸汽溫度、出口蒸汽溫度、入口蒸汽壓力、出口蒸汽壓力組成的控制檢測回路。

圖1 蒸汽壓縮機工藝流程圖

（2）由軸位移、軸振動和軸承溫度等檢測點組成的壓縮機機械保護系統。

（3）由壓縮機潤滑油壓力開關、壓力變送器和過濾器壓差開關組成的防止潤滑油壓力過低，損壞壓縮機組的潤滑油壓力檢測報警和連鎖控制保護系統。

（4）由壓縮機油箱溫度測點、供油溫度測點、油加熱器組成的潤滑油油溫檢測和保護系統。

（5）由回流管線上的防喘閥門（回流閥門）構成的防喘振控制回路及手動放空閥構成的降低出口管線壓力緩解壓縮機喘振的措施。

2 蒸汽壓縮機喘振原因和控制方式

2.1 蒸汽壓縮機防喘振方式

蒸汽壓縮機在運行過程中，當入口流量減少到極限流量時，蒸汽壓縮機就會產生喘振狀況，為了防止喘振狀況發生，通常有兩種控制方式，其一是打開排空閥門，降低出口管道的壓力，緩解蒸汽壓縮機喘振，但并不能增加入口流量，不能真正解決蒸汽壓縮機喘振問題；其二是打開回流管線上的防喘閥門，使出口管道的蒸汽回流，這樣既可以降低管道的壓力，又可以增加蒸汽壓縮機入口的流量；既解決了喘振問題，又避免了蒸汽的浪費。

2.2 兩種方式結合的防喘振方式實例

本項目使用了兩種方式結合的防喘振方式，如圖2 所示。具體為：①手動打開排空閥門，將蒸汽放空，降低出口壓力，避免了喘振帶來的損壞；②在回流管道上安裝防喘振閥門，目的是當蒸汽壓縮機入口流量接近喘振的最小流量時，開啟防喘閥門，使流量回流，增加入口流量，從而可以防止蒸汽壓縮機出現喘振狀況。

圖2 本項目的防喘振方式

2.3 蒸汽壓縮機性能曲線及防喘振自動控制

2.3.1 蒸汽壓縮機性能曲線

（1）蒸汽壓縮機的性能曲線可形象地表示壓縮機的特性，見圖3。圖3 中Pd為壓縮機出口壓力；PS為壓縮機入口壓力；qV為壓縮機入口蒸汽流量。從圖3可以看出，在轉速一定的情況下，蒸汽壓縮機的壓力與流量成反比；當流量達到某一值時，蒸汽壓縮機的效率最高，當流量大于或者小于這一點時，蒸汽壓縮機效率下降，一般將此點設計為工況點；當蒸汽壓縮機入口流量小于下限流量及喘振流量時，蒸汽壓縮機將會發生喘振；當蒸汽壓縮機入口流量大于上限流量時，蒸汽壓縮機會發生阻塞，因此蒸汽壓縮機正常開機狀況下需要避開此工況。

圖3 蒸汽壓縮機性能曲線示意圖

圖4 本項目壓縮機性能曲線

（2）本項目蒸汽壓縮機的性能曲線見圖4。

2.3.2 使用防喘閥門及回流閥門防止喘振的原理和作用

圖5 為蒸汽壓縮機防喘振過程示意圖。圖6 為本項目蒸汽壓縮機喘振時DCS報警畫面。

從圖5 可以看出，當蒸汽壓縮機在A點工作時，入口流量大于防喘振的最小流量，此時關閉防喘閥門；當蒸汽壓縮機入口流量減小至安全流量B點時，此時開啟防喘閥門；考慮到DCS 控制系統和防喘閥門的響應時間和閥門開關的動作執行時間，當移到C點時，打開防喘閥門，此時蒸汽壓縮機的入口流量逐漸增大，出口壓力逐漸降低，當進入D點時，避免了蒸汽壓縮機進入喘振區域，這是壓縮機防喘振的基本原理。在本項目中，通過蒸汽壓縮機的性能曲線，推算出防喘振計算公式。在不同轉速下，用流量和壓力的比值計算出喘振預警點，當比值小于這一值時，喘振程序判定蒸汽壓縮機正常運行，DCS 畫面不報警，喘振閥門關閉；當比值大于這一值時，喘振程序判定蒸汽壓縮機進入喘振區域，DCS畫面報警提示操作人員進入喘振狀態，需要注意開啟防喘閥門，此時如果防喘閥門未開啟，現場就會聽到蒸汽壓縮機的喘振聲音，蒸汽壓縮機進入喘振狀況。

圖5 蒸汽壓縮機防喘振過程示意圖

圖6 蒸汽壓縮機喘振時DCS報警畫面

3 幾種不同蒸汽壓縮機控制程序和防喘振信號判斷計算公式

在蒸汽壓縮機程序中防喘振控制程序是核心，設計好蒸汽壓縮機防喘振計算公式，是預防壓縮機喘振的關鍵節點，在防喘振控制程序中有幾個關鍵要素必須考慮：①安全下限值是壓縮機防喘振控制的關鍵參數之一，是防喘閥門開關的重要依據。通常，可以采用固定極限流量和可變極限流量設置壓縮機入口流量的安全下限值，如圖7 所示。圖7 中Pd為壓縮機出口壓力；PS為壓縮機入口壓力；qV為壓縮機發生喘振時的最大入口流量；S1為針對防喘振線1 的安全裕度值；S2為針對防喘振線2 的安全裕度值。②蒸汽壓縮機防喘振必須選用調節閥門，且為彈簧開啟的調節閥門，調節閥閥體性能為線性閥體。另外，在正常情況下，DCS 給出4 mA 信號對應0 開度，但防喘閥門需設置為4 mA信號對應100%開度。

3.1 蒸汽壓縮機壓力自動調節和防喘振控制程序

3.1.1 防喘振控制

圖7 固定極限流量和可變極限流量示意圖

當管網阻力波動或蒸汽壓縮機流量調小時，會出現整個蒸汽壓縮機管網周期性的震蕩現象，壓力和流量都在發生脈動并發生異響噪音，即發生了喘振，整個機組會遭嚴重破壞，因此嚴禁蒸汽壓縮機在喘振區域運行。為了防止喘振發生，本機組設有防喘振控制系統，要求控制系統在喘振發生時能自行開啟放空閥門，消除系統喘振。防喘振控制回路主要由進出口壓力變送器、調節器、放空調節閥門組成。

3.1.2 自動調節控制

蒸汽壓縮機自動出口壓力顯示值與出口壓力設定值有偏差時，自動調節蒸汽壓縮機運行頻率。DCS系統通過出口壓力顯示值和出口壓力設定值進行比較，調節PID 蒸汽壓縮機的運行頻率，當實際出口壓力小于設定壓力時，自動改變頻率信號，將頻率增大，自動調節蒸汽壓縮機的運行狀況。

3.2 蒸汽壓縮機開停機程序和邏輯連鎖

3.2.1 蒸汽壓縮機開機前準備工作

（1）確認油箱油位是否正常。

（2）潤滑油油溫是否大于15℃。

（3）潤滑油泵是否開啟，油壓是否正常。

（4）防喘閥門是否全開啟。

（5）軸承溫度是否小于15℃。

待這些條件都需滿足后，才能啟動壓縮機。

3.2.2 蒸汽壓縮機停機前準備工作

（1）關閉主電機前首先開啟防喘閥門。

（2）主油泵自動停機，輔助油泵自動啟動。

（3）本項目壓縮機邏輯連鎖圖見圖8。

3.3 蒸汽壓縮機防喘振計算公式和判定程序

本項目有兩種不同類別的壓縮機，即有兩種不同的防喘振控制方式。一種是根據防喘振計算公式來組態防喘振判定程序，當計算結果在某一臨界值時，防喘閥門自動開啟，同時出現報警信號。另一種是無防喘振計算公式，只提供了蒸汽壓縮機的特性曲線，要想實現防喘振自動控制，必須根據蒸汽壓縮機特性曲線來推導出防喘振判定程序，以此實現防喘閥門的自動控制。當喘振信號出現時，DCS畫面出現紅色閃爍的報警信號，給操作人員以提示。

3.3.1 防喘振控制方式一

防喘振控制方式一是利用防喘振計算公式組態的喘振判定程序，見表1。

圖8 本項目蒸汽壓縮機的邏輯連鎖圖

3.3.2 防喘振控制方式二

防喘振控制方式二是利用特性曲線推導出防喘振的判定程序。

利用額定轉速不同，進行分段計算；利用壓力和流量確定防喘振邊界線，確定邊界線的斜率為K0、K1、K2、K3、K4、K5，并將其與正常運行工況的斜率進行比較。當邊界線的斜率大于正常工況斜率，判斷為喘振；邊界線的斜率小于正常工況斜率，為正常（未喘振）。

（1）蒸汽壓縮機喘振判斷：根據廠商提供的性能曲線推出計算公式為：出口壓力/出口流量=K0。

（2）當蒸汽壓縮機實際轉速小于額定轉速的0.8倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K0，則判斷進入喘振區域，防喘閥門自動開啟。

（3）當蒸汽壓縮機實際轉速大于額定轉速的0.8倍，小于額定轉速的0.85 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K1，則判斷進入喘振區域，防喘閥門自動開啟。

（4）當蒸汽壓縮機實際轉速大于額定轉速的0.85倍，小于額定轉速的0.9 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K2，則判斷進入喘振區域，防喘閥門自動開啟。

（5）當蒸汽壓縮機實際轉速大于額定轉速的0.9倍，小于額定轉速的0.95 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K3，則判斷進入喘振區域，防喘閥門自動開啟。

（6）當蒸汽壓縮機實際轉速大于額定轉速的0.95倍，小于額定轉速的1.0 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K4，則判斷進入喘振區域，防喘閥門自動開啟。

（7）當蒸汽壓縮機實際轉速大于額定轉速的1.0倍，小于額定轉速的1.05 倍時，出口壓力/出口流量≥0.95K5，則判斷進入喘振區域，防喘閥門自動開啟。

3.4 蒸汽壓縮機防喘振報警畫面

為使操作人員不依靠耳朵聽壓縮機喘振時發出的噪音來判斷是否已發生喘振，在操作畫面上進行報警設置，蒸汽壓縮機防喘振報警畫面見圖9。通過計算P1與P2值進行比較，當P1＜P2時，通過計算判斷出蒸汽壓縮機出現喘振報警，DCS出現紅色閃爍報警畫面，同時出現紅色閃爍字體“壓縮機進入喘振區域，請打開防喘閥門”，給操作人員提示，起到預警作用。通過設置喘振預警，在喘振發生前，操作人員提前開啟防喘閥門或將防喘閥門打到自動模式（自動開啟），避免了因工藝參數變化引起的壓縮機喘振，起到了預警作用。

以上實例說明，若使蒸汽壓縮機的控制穩定，防喘振預警系統很重要。本項目調試過程中，在3臺蒸汽壓縮機中的1臺壓縮機未提供防喘公式和控制邏輯的情況下，通過蒸汽壓縮機性能曲線推導出防喘控制程序和預警公式，達到了提前預警和穩定控制蒸汽壓縮機的目的。

表1 防喘振控制方式一

圖9 蒸汽壓縮機防喘振報警畫面

4 結論

在DCS 上通過控制蒸汽壓縮機出口壓力、溫度，設置防喘振預警控制程序及喘振畫面報警等措施，以及增加回流管線等方式，在壓縮機喘振出現時，DCS通過喘振預警程序及喘振報警畫面等方式發出信號，當喘振信號出現時能自動開啟喘振閥，或者手動開啟喘振閥等方式，避免了壓縮機喘振和液擊等情況的出現。實踐證明，該方法達到了提前預警和壓縮機控制穩定的目的。