輸氣管道離心壓縮機喘振線現場測定方法

黃忠勝

（國家管網集團西部管道公司，烏魯木齊 830011）

0 引言

離心式壓縮機具有運行效率高、調節性能好等優點，因此被廣泛地應用于現代石油化工行業[1]。離心式壓縮機是將機械能轉化為氣體壓力的動力設備，它的主要工作部件是葉輪和擴壓器，通過高速旋轉的葉輪和流通面積逐漸增大擴壓器，實現氣體增壓[2]。隨著天然氣領域的不斷發展，離心式壓縮機被廣泛應用于天然氣壓氣站中。例如，西氣東輸沿線的壓氣站就使用了大量的RR壓縮機、GE壓縮機[3]。近年來，輸氣管道離心壓縮機多次發生喘振故障，嚴重影響壓縮機安全平穩運行。喘振是離心式壓縮機的固有特性，壓縮機低流量的表征[4]。喘振現象是離心壓縮機工作在小流量時的不穩定流動狀態，它的出現輕則使壓縮機停機，中斷生產過程，造成經濟損失；重則造成壓縮機葉片損壞，導致壓縮機設備報廢，甚至造成人員傷害。因此，喘振現象在生產中應嚴格杜絕[5]。

輸氣管道離心壓縮機經過長期運行，因輸送介質、運行工況、工作環境等變化影響，其工作性能曲線可能會發生變化。若喘振極限線及防喘振保護曲線未進行相應調整，當壓縮機運行參數異常波動時，會引起壓縮機關鍵參數發生超限報警、聯鎖保護或發生跳機事件，甚至造成壓縮機喘振故障。喘振極限線，是指壓縮機特性曲線最高點連接起來形成的曲線。將喘振極限曲線右移，即得到防喘振保護曲線[6]。以下將喘振極限線簡稱喘振線，防喘振保護曲線簡稱控制線。喘振線作為壓縮機防喘控制的關鍵參數曲線，會在壓縮機投產時進行現場測試驗證，如果喘振線測試不準確，或壓縮機長期運行后工作性能曲線發生變化，而未相應調整喘振線，則會影響壓縮機安全和性能。為驗證壓縮機喘振線的準確性，確保壓縮機安全平穩運行，針對西氣東輸一線四道班壓氣站1＃RR壓縮機組多次發生振動高高報警跳機事件，開展喘振線現場測定工作，根據測試結果對壓縮機原喘振線進行修正及優化，形成新的喘振線和控制線。

1 RR壓縮機組防喘振控制

1.1 防喘控制功能

壓縮機的控制系統包括數據監測系統和控制系統。數據監測系統主要進行運行參數的采集，如壓縮機及驅動機的各項運行參數，包括壓力、溫度、流量、振動、位移和轉速等重要參數；控制系統則包含壓縮機防喘振系統、壓縮機組轉速條件控制系統、潤滑油壓力調節控制系統、干氣密封調節控制系統等[7]。

RR壓縮機防喘控制在過程控制系統UCP中實現。防喘控制程序采用梯形圖語言編寫，喘振線、喘振相關報警點和操作員下發命令等通過HMI上的Intouch軟件實現[8]。RR壓縮機組防喘控制分為手動控制、自動控制和手動/自動等同控制3種模式。當防喘控制處于手動控制模式時，防喘閥開度來自HMI上的輸入值；自動控制模式主要依據流量波動和防喘閥閥位開度變化，通過PID防喘控制器計算實時流量與控制設定值的偏差，從而調節防喘閥的開度；手動/自動等同控制，可實現手動與自動控制模式優先級選擇和無擾動切換。

PID防喘控制器由比例控制器、積分控制器、微分控制器3部分組成，PID防喘控制器對控制設定值與實時流量值的偏差分別進行比例、積分和微分計算，將3部分計算值相加得出防喘閥輸出控制量。

1.2 防喘特性曲線

RR壓縮機工作特性曲線由橫坐標流量和縱坐標壓比組成。橫坐標值由安裝在壓縮機入口的孔板流量計測量所得流量（差壓值）與壓縮機入口壓力值之比計算后得出，縱坐標值是壓縮機的出口壓力（絕壓）與入口壓力（絕壓）的比值。

RR壓縮機防喘振特性曲線與壓縮機工作特性曲線的橫坐標和縱坐標保持一致，橫坐標軸為入口流量參數，縱坐標軸為壓比參數。RR壓縮機的防喘特性曲線由喘振線、失敗設定線、報警設定線、比例積分控制器設定線、安全設定線、微分控制器設定線和阻塞線組成。

喘振線的建立是基于壓比和入口流量的喘振點，一般將通過喘振測試得出的6個喘振點進行連線即為喘振線。喘振線的縱坐標壓比不變，將橫坐標流量值分別擴大2%、6%、8%、20%和40%，則分別得到緊急停車線（失敗設定線）、報警設定線、防喘閥快開線（比例積分控制器設定線）、防喘控制線（安全設定線）、微分設定線（微分控制器設定線）。

RR壓縮機防喘振特性曲線如圖1。

圖1 RR壓縮機的防喘特性曲線Fig.1 Anti-surge characteristic curve of RR compressor

2 喘振點測試方法

2.1 喘振點判斷方法

離心壓縮機在運行過程中，當負荷低于某一定值時，氣體的正常輸送遭到破壞，氣體的排除量時多時少，忽進忽出，發生強烈震蕩，并發出如同咆哮病人“喘氣”的噪聲。此時可看到氣體出口壓力表、流量表的指示大幅波動。隨之，機身本體帶動周圍管網一起震動，壓縮機會發出周期性間斷的吼聲[9]。

根據壓縮機喘振發生原理和現象，壓縮機工作點接近喘振區時，如果出現以下任意一項則認為即將發生喘振：

1）壓縮機入口和出口管線內出現異常低頻脈動聲音。

2）壓縮機振動參數明顯上升，當振動參數幅值超過35um時，判定發生喘振。

3）壓縮機入口壓力值出現明顯波動。

4）壓縮機的出口壓力最初先升高，繼而急劇下降，并呈周期性大幅波動[10]。

5）壓縮機轉速周期性大幅波動。

2.2 喘振點測試前準備

1）測試基于壓力越站流程進行，測試前站內所有壓縮機組均已停機，測試啟機前應進行壓縮機組本體設備檢查，確保壓縮機組本體設備工作正常。

2） 對壓縮機回流管路空冷器進行啟停測試，在整個測試期間空冷器全部處于運行狀態，以保證工藝氣體溫度的穩定。

3） 在壓縮機防喘閥快開回路中串入防喘閥快開手動開關，對防喘閥進行手動開關測試，驗證手動開關能迅速開關防喘閥，確保防喘閥定位器和執行機構動作滿足測試要求。

4）在壓縮機振動監測SYSTEM 1系統上，組態需要監測的振動和軸位移數據趨勢圖，檢查確認趨勢刷新和顯示正常。在便攜計算機上安裝在線壓縮機組控制程序，用LOGIX5000編程軟件組態快速趨勢，趨勢參數選取壓縮機轉速、入口壓力、出口壓力、入口差壓（流量）、壓比、防喘閥開度命令等。

2.3 喘振點測試過程

1） 將要測試的壓縮機組正常啟動至怠速，檢查運行參數，確認各項參數在正常范圍內。

2）將壓縮機轉速手動調整到準備測試的轉速值，檢查壓縮機組各項參數均正常。

3）在線修改防喘控制程序，屏蔽防喘控制程序中的防喘自動控制切換功能、防喘閥速開功能、防喘控制失敗停車功能。

4）待壓縮機運行穩定后，逐漸關小防喘閥開度，進行喘振點測試。在壓縮機組HMI上手動輸入喘振閥關度數值，每次關1%～2%，關閥的速度一定要慢，以防止流量突變導致壓縮機進入喘振區域。關閥過程中實時監視SYSTEM 1系統及LOGIX5000的趨勢數據，現場安排人員監聽壓縮機組管線內的氣流聲是否出現異常。當任何一喘振跡象出現時，通過快開手動開關快速打開防喘振閥，此點測試結束。

5）測出喘振點后，將相應LOGIX5000中的趨勢暫停，查看并對比LOGIX5000和SYSTEM1中的數據趨勢，選出喘振點的數值并記錄，對喘振點趨勢進行截圖保存，將歷史數據導出保存。

6）當前轉速下的喘振點測試完成后，全開防喘閥，調整壓縮機轉速至下一測試轉速值，待運行穩定后，再重復第4）和第5）測試步驟，進行下一喘振點測試。

依次調整壓縮機轉速至3120rpm、3600rpm、4200rpm、4800rpm（為安全起見，5040rpm轉速下喘振點不做測試），通過監控壓縮機的轉速、進出口壓力、軸承振動以及管線氣流聲等，測得壓縮機在各轉速下的喘振流量、壓比等參數。

3 喘振點分析及選取

對壓縮機3120rpm、3600rpm、4200rpm、4800rpm 4個不同轉速下的喘振點測試后，通過對測試過程中接近喘振點時的數據趨勢進行分析，可見壓縮機轉速、入口流量參數明顯出現波動，壓縮機振動參數幅值明顯升高。選取參數即將出現波動時的流量和壓比作為該轉速下新測喘振點的參數，4個不同轉速下新測喘振點的參數見表1。

表1 4個不同測試轉速下選取的新測喘振點參數Table 1 Parameters of the newly measured surge point selected under four different test speeds

4 新測喘振點與原喘振線對比分析

將新測喘振點的壓比參數分別為1.189、1.252、1.338、1.435時的流量與原喘振線上對應的流量進行對比，并計算兩者流量差百分比分別為5.8%、3.6%、7.6%、1.73%，發現4個新測喘振點較原喘振線向右有一定的偏移，偏移量從1.73%～7.6%不等，平均偏移量為4.68%。該平均偏移量比原設定的緊急停車線與喘振線之間2%偏移量大2.68%，說明實際喘振點已偏離原喘振線，也找出當壓縮機運行參數異常波動時會發生壓縮機關鍵參數超限報警、聯鎖保護或跳機事件的原因。

5 原喘振線和原控制線的修正

根據測試數據及分析結果可知，壓縮機在3120rpm、3600rpm、4200rpm和4800rpm轉速下的新測喘振點流量相比原喘振線上對應的流量均向右偏移。從安全運行角度出發，原喘振線須根據新測喘振點進行修正，新喘振線由原喘振線右移得到，右移百分比按照7.6%+2%的原則計算。其中7.6%為實新測喘振點與原喘振線對應的最大流量差百分比，2%為預留的安全裕度，即原喘振線向右平移9.6%為新喘振線。同理，原控制線向右平移9.6%為新控制線。

選取原喘振線上6個喘振點（0,1）、（0.0143,1.2043）、（0.0241,1.3201）、（0.0371,1.4418）、（0.0478,1.5606）、（0.065,1.68）為參照點，計算對應的修正喘振線、控制線坐標數值見表2。

表2 原喘振線、控制線坐標和修正喘振線、控制線坐標數值Table 2 The coordinates of the original surge line and control line and the coordinates of the corrected surge line and control line

根據表2中坐標數值，可繪制原喘振線、原控制線、修正后喘振線和修正后控制線。將4個新測喘振點的流量和壓比數據作為坐標數值（0.014，1.189）、（0.019，1.252）、（0.028，1.338）、（0.037，1.435），可繪制新測喘振線。

原喘振線、新測喘振線、修正后喘振線、原控制線、修正后控制線如圖2。

圖2 修正前后的喘振線和控制線Fig.2 Surge line and control line before and after correction

最后，將修正后的喘振線和控制線的X軸、Y軸坐標參數寫入壓縮機組UCP控制程序中，從而實現RR壓縮機喘振線和控制線的修正和優化。

6 結束語

西氣東輸一線四道班壓氣站1#RR壓縮機通過現場測試喘振線，驗證了原喘振線已存在偏差，從而多次造成壓縮機組因喘振問題跳機。通過現場測定、修正和優化喘振線、控制線后，壓縮機工作點能保持在新的喘振控制線附近平穩運行，其振動、轉速、入口流量、進出口壓力等參數均正常，壓縮機運行小流量工況下的安全性得到提升。本文以RR壓縮機喘振線現場測試及修正為例，闡述的喘振線現場測試、修正、優化方法，可供輸氣管道離心式壓縮機現場測定喘振線時借鑒應用。