淺談離心式壓縮機的防喘振控制

曾慶天

沈陽鼓風機集團股份有限公司 遼寧沈陽 110000

離心式壓縮機又叫透平式壓縮機，整個壓縮機沒有中間罐等裝置，也沒有巨大且笨重的基礎元件，整體結構十分緊湊，總體尺寸小，分量輕。機器內部耗油量很少，只有軸承部分需要潤滑，減少了壓縮空氣被污染的可能性。壓縮機運行過程中振動小，出口排氣連續，易于調節，維修簡單。因此廣泛應用在石油化工行業的多種裝置上。

1 喘振產生的原因

離心式壓縮機主要由定子與轉子兩部分組成，在工作時轉子中的葉輪會快速旋轉，在旋轉的過程中，壓縮機內部氣體在離心力作用下會進入后方的擴壓裝置中，而這時外部的新鮮氣體則會進入葉輪當中。隨著葉輪的不斷轉動，壓縮機外部的氣體不斷被吸入入口并從出口排出，在這一過程中，氣體壓力增大，出口壓力遠大于入口壓力。在離心機工作時如果入口氣體流量過小或者出口堵塞引起憋壓，會導致下游設備中的氣體反向流入壓縮機腔內，在壓縮機內產生震蕩，而這一震蕩過程是周期性的，于是壓縮機會產生周期性的振動，叫作喘振。發生喘振會導致壓縮機轉子振動、位移變大，有可能使轉子發生磨損，對壓縮機的安全運行過程造成很嚴重的負面影響，有時甚至會引起安全事故的發生。

2 防喘振的基本原理

在壓縮機運行時，當氣體介質固定后，在某個轉速、壓力、溫度、差壓下，可以通過計算得出一個流量最小的點，當流量低于這個值時，壓縮機的性能就會變得很不穩定，也就是說機組會發生喘振，而這個點也被叫作喘振點。喘振點與壓縮機中氣體分子量，入口壓力、溫度、差壓和出口壓力、溫度、差壓相關，在不同條件下喘振點的位置也是不同的，因此可以計算出不同條件下的多個喘振點，再將這些點連接得到一條線，這條線就叫作喘振線。當工作點在這條線的右側時，機組可以安全運行，這個區域就叫作運行區。當工作點在這條線的左側時，機組會發生喘振，這個區域叫作喘振區，機組不允許在喘振區內運行。

圖1 通用喘振線

壓縮機的喘振點可由簡化壓頭與簡化流量計算得出。入口流量的測量值與出口壓力Pd，入口壓力Ps，出口溫度Td以及入口溫度Ts等可用來計算等價孔板值hr(該孔板可視為位于壓縮機的入口)，從而做出喘振預測。

·R=Ru/MW

·Rt=Td/Ts溫度比

·Rc=Pd/Ps壓縮比

·Ru=通用氣體常數

·R=特定氣體常數

·MW=氣體分子量

·Δpo，s=通過測量元件的差壓

·Zs=壓縮機入口氣體的壓縮因子

當工作點靠近喘振區時，防喘振控制器會控制防喘振閥開閥，增加回流量，使入口流量變大，降低出口壓力，從而達到防止喘振的目的。

3 防喘振控制算法

由于防喘振控制有一定的滯后性，因此需要在工作點進入喘振區之前就進行調節才能保證安全生產的需要。在壓縮機的防喘振控制中通常會使用到3條曲線：由喘振點組成的喘振極限線SLL；為了滿足提前調節的需要，可以通過算法得出一個安全裕量b，在喘振線右側且與喘振線距離b得到一條曲線，叫作防喘振線SCL，當工作點越過防喘振線后就開始進行調節，提前打開防喘振閥，從而避免工作點真正進入喘振區；當工作點越過防喘振線后，越向喘振線靠近表明情況越緊急，因此規定了一個極限操作距離，即RTL，其位于喘振線與防喘振線之間，得到一條曲線SOL，也叫作階躍快開線，當工作點越過階躍快開線后，普通開閥速度已經不滿足調節要求，需要快速打開防喘振閥，因此在原開閥基礎上增加一個周期性的階躍開閥增量，以達到快速開閥的目的。防喘振控制器正是根據工作點與上述3條曲線的相對位置來做出不同的響應，從而保證機組安全運行的。

3.1 PID控制響應

防喘振控制算法中，當工作點越過防喘振線后，會通過比例作用與積分作用開閥，P越大，開閥速率越快；I越大，開閥越穩；微分功能則并不作用于此，而是一種提前響應，當工作點快速向防喘振線左側移動時，微分響應會增加安全裕度，令防喘振閥提前開閥，當工作點平緩地向防喘振線左側移動時，安全裕度不變，不提前開閥。這樣可以保證在實際生產中，工藝有較大波動時仍能避免喘振的發生，滿足安全生產的需要。

3.2 RTL響應

對于一般的擾動，可以通過PID響應保證工藝的穩定，如果一個擾動較大且快速，PID響應的調節不夠及時，就有可能導致工作點直接進入喘振區，防喘振閥失電過度打開，從而導致上、下游工藝劇烈波動。為了解決這個問題防喘振控制器使用了一種快速響應機制，即RTL響應功能。當擾動很大，工作點在越過防喘振線后，PID響應并沒有立刻把工作點拉出來，相反工作點繼續左移越過了階躍快開線，RTL響應機制就會在原來的開閥基礎上增加一個周期性的階躍開閥增量，在短時間內打開較多閥位，從而增加足夠的流量來防止喘振，在保證機組設備安全的情況下，盡可能地保障生產，避免出現開閥過度引起上、下游工藝波動劇烈，導致生產停止的情況。

圖2 RT響應

3.3 根據SLL線的安全響應

當意外的巨大波動使工作點急速向左移動，在防喘振控制器的PID響應與RTL響應起作用前，工作點就進入喘振區導致機組發生喘振后，安全響應會按照設定好的增量將防喘振線、階躍快開線、喘振線向右平移，增加防喘振控制的裕度。這樣在以后再發生類似擾動時，防喘振控制器就可以更早地做出響應，從而避免喘振再次發生。可以通過復位的方式復位掉防喘振線、階躍快開線、喘振線的平移增量。

3.4 TSL響應

為應對防喘振閥門在小開度下開關不靈活的情況。防喘振控制算法根據喘振發生的特點設定了一條新的控制線，叫作TSL控制線，這條控制線可以保證壓縮機工作點在接近控制線時閥門從全關位置快速響應，防止喘振的發生，同時又不會使生產工藝產生不必要的波動。

3.5 解耦控制響應

對于有些比較復雜的生產工藝，往往在一個機組中同時存在多個防喘振控制器，而有些控制回路的作用效果是相反的，比如為了消除一個擾動某個防喘振控制器需要開閥，而這個動作可能會導致其他的防喘振控制器憋壓，從而造成系統的不穩定，使整個機組更容易發生喘振。因此，需要使用解耦控制將每個防喘振控制器的控制算法加權到其他的防喘振控制器的算法中，使得多個防喘振控制回路能夠協調動作，從而使整個系統更加穩定。

4 防喘振的控制模式

在實際生產過程中，防喘振控制器根據控制方法的不同，通常存在4種控制模式，分別為硬手動模式、自動模式、半自動模式、手動模式。

4.1 硬手動模式

在這種模式下，防喘振控制器將完全變成普通手操器，防喘振控制將失效。此時，即使工作點進入喘振區，防喘振控制器也不會控制防喘振閥開閥。此模式只有在特殊情況(如儀表損壞更換、信號不準確等)下才會使用。

4.2 手動模式

此模式下，工作點不再受防喘振線的影響，PID控制響應失效，即使工作點越過防喘振線左側，只要仍在階躍喘振線右側，那么防喘振控制器就不會開閥。同時當工作點在階躍喘振線右側時，可以自由手動控制防喘振閥開度，而工作點一旦越過階躍喘振線左側，則會按照設定好的開度以周期性的階躍方式打開防喘振閥，從而讓工作點回到安全區，此時無法手動控制防喘振閥開度。

4.3 自動模式

此模式下，防喘振控制器所有的響應都有效，當工作點在防喘振線右側時，會按照設定好的速率自動緩慢地關閉防喘振閥；當工作點一旦越過防喘振線左側，PID響應生效，會按照設定好的P、I參數以一定的速率打開防喘振閥，讓工作點離開防喘振區；當工作點繼續左移到階躍喘振線左側時，PID響應與RTL響應同時生效，防喘振控制器以普通開閥疊加階躍開閥的形式快速打開防喘振閥。

4.4 半自動模式

半自動模式是手動模式和自動模式做高選后得到的結果。當工作點在防喘振線右側時，與手動模式相同，可以手動控制防喘振閥開度，不會自動關閉防喘振閥。當工作點一旦越過防喘振線左側，則與自動模式相同，會按照設定好的P、I參數以一定的速率打開防喘振閥，讓工作點離開防喘振區。

5 防喘振控制器的工作狀態

防喘振控制器的工作狀態通常可以分為以下4種，分別為：全開、加載、運行、卸載。在機組的整個啟、停過程中，當機組未啟動時，防喘振控制器處于全開狀態；當機組啟動后，并且轉速達到最小運行轉速以上時，防喘振控制器進入加載狀態；當防喘振控制器全關或工作點碰到防喘振線后，防喘振控制器處于運行狀態；當機組停機，轉速降到最低工作轉速以下時，防喘振控制器進入卸載狀態，進入卸載狀態后防喘振開閥，當閥位至全開時防喘振控制器再次回到全開狀態。防喘振控制器處于不同狀態下，防喘振閥開、關速率由不同參數控制。

5.1 “全開”狀態

當機組有聯鎖時，防喘振控制器處于“全開”狀態，此狀態下，防喘振閥門完全打開。

5.2 “加載”狀態

當機組轉速升速到最低運行轉速以上，防喘振控制器進入“加載”狀態：

(1)如果此時防喘振控制器在自動模式，則會以設定速率自動關閉防喘振閥，直到閥位全關或工作點碰到防喘振線以后，防喘振控制器進入“運行”狀態。

(2)如果此時防喘振控制器在手動或半自動模式下，則需要人為手動關閉防喘振閥，直到閥位全關或工作點碰到防喘振線以后，防喘振控制器進入“運行”狀態。

5.3 “運行”狀態

當機組進入“運行”狀態以后，防喘振控制器進入正常工作狀態。

5.4 “卸載”狀態

當機組轉速降速到最低工作轉速以下后，防喘振控制器進入“卸載”狀態：

(1)如果此時防喘振控制器在自動模式，則會以設定速率打開防喘振閥，直到閥位全開以后，防喘振控制器進入“全開”模式。

(2)如果此時防喘振控制器在手動或半自動模式下，則需要人為手動打開防喘振閥，當防喘振控制器監測到防喘振閥全開且轉速小于最低工作轉速后，防喘振控制器進入“全開”狀態。

結語

離心式壓縮機是工業領域重要的機械設備，而喘振又是其固有屬性，為了保證安全、高效的生產，必須有效解決喘振問題。選用合適的防喘振控制方案可以在保證生產設施安全的基礎上，同時保證工藝生產流程的穩定，從而帶來更大的經濟效益。目前防喘振的控制方式仍然有很大的進步空間，關于防喘振控制的研究仍然需要不斷努力，通過更加合理化的策略，以及更加精細化的控制，可以提高壓縮機的使用效率，進而促進壓縮機更加安全、高效地運轉，具有很高的應用價值。