煤氣壓縮機(jī)防喘策略研究

侯靖宇

（華陽煤層氣開發(fā)利用分公司市區(qū)供氣管理中心， 山西 陽泉 045000）

0 引言

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組是與鋼廠配套的發(fā)電設(shè)備，其主要利用鋼廠富余的煤氣進(jìn)行發(fā)電，不僅對煤氣進(jìn)行充分的回收利用，而且還減少了煤氣直接排放對環(huán)境造成的污染。對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組而言，其對煤氣的流量、壓力以及溫度的要求較高；上述參數(shù)不穩(wěn)定極易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組造成嚴(yán)重的影響。壓縮機(jī)作為煤氣系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用是對煤氣進(jìn)行加壓[1-5]。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)煤氣的流量較小時(shí)，煤氣壓縮機(jī)極易發(fā)生喘振狀態(tài)，從而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重的振動(dòng)，進(jìn)而影響煤氣的流量、壓力等參數(shù)，對發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性造成威脅。本文將針對煤氣壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象提出相應(yīng)的防喘策略，并對防喘策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 煤氣壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)煤氣系統(tǒng)主要包括有除塵裝置、氣水分離裝置、加壓裝置以及調(diào)整熱值裝置。本文以其中的加壓裝置為例開展研究，所述的加壓裝置即為離心式壓縮機(jī)，其將煤氣加壓處理后作為煤氣系統(tǒng)的入料。在實(shí)際生產(chǎn)中，可將多級壓縮機(jī)聯(lián)合應(yīng)用，以保證煤氣的壓力滿足發(fā)電機(jī)組的要求。

煤氣壓縮機(jī)由五大流通部件組成，主要包括有蝸殼、擴(kuò)壓器、吸氣室、彎道和葉輪等。離心式壓縮機(jī)在實(shí)際工作中，由于工作狀態(tài)發(fā)生變化導(dǎo)致壓縮機(jī)的流量減小，從而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)較為嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象；而且，當(dāng)壓縮機(jī)的流量出現(xiàn)突變并且已經(jīng)失速后，流道內(nèi)煤氣的流動(dòng)情況會急劇惡化。在此情況下，雖然設(shè)備仍在不斷旋轉(zhuǎn)，但是其對煤氣的做功較小無法將煤氣壓力提高至預(yù)期值，導(dǎo)致煤氣壓縮機(jī)出口處的煤氣壓力下降。此時(shí)，煤氣向官網(wǎng)中倒流，當(dāng)官網(wǎng)壓力與壓縮機(jī)出口壓力相等時(shí)，倒流現(xiàn)象停止。上述現(xiàn)象的反復(fù)，使得壓縮機(jī)在設(shè)備的軸向方向出現(xiàn)了較大幅度的振動(dòng)現(xiàn)象。上述現(xiàn)象即為喘振現(xiàn)象。

當(dāng)壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象后，設(shè)備本身會發(fā)生異常的噪聲、爆炸音等，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)現(xiàn)象，直接導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部的軸承、密封等部件造成損壞；喘振現(xiàn)象會導(dǎo)致壓縮機(jī)的性能出現(xiàn)嚴(yán)重的惡化，進(jìn)而使其壓力和效率等指標(biāo)減小。

總的來講，導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的主要原因可以歸結(jié)為內(nèi)因和外因。其中，內(nèi)因是由于壓縮機(jī)內(nèi)部流量減小導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的失速現(xiàn)象；外因與壓縮機(jī)的官網(wǎng)容量及其特性相關(guān)。

2 壓縮機(jī)喘振控制方法

針對壓縮機(jī)發(fā)生的喘振現(xiàn)象，可采用被動(dòng)和主動(dòng)兩種控制方式達(dá)到防喘的目的。本文將對主動(dòng)和被動(dòng)兩種防喘方法展開研究。

2.1 被動(dòng)防喘控制技術(shù)

壓縮機(jī)初心喘振現(xiàn)象的根本原因在于其入口流量小于其喘振的控制線流量。因此，從原理上可以采用放空和回流的方法將壓縮機(jī)的工況點(diǎn)控制在喘振曲線上。根據(jù)應(yīng)用場合的不同可將被動(dòng)防喘控制技術(shù)分為固定極限流量法和可變極限流量法。

2.1.1 固定極限流量法

固定極限流量法主要應(yīng)用對壓縮機(jī)固定轉(zhuǎn)速工況下使用。該種控制方法的核心思路是將流過壓縮機(jī)的流量始終控制在喘振極限流量之上。該種控制方法具有操作簡單、可靠性高以及使用儀表少等特點(diǎn)。

2.1.2 可變極限流量法

可變極限流量法用于壓縮機(jī)在變速工況下使用。鑒于壓縮機(jī)在低速運(yùn)行工況下設(shè)備對應(yīng)的效率偏低且損失的能量較大，該種控制方法可隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化；其也是解決固定極限流量法能量浪費(fèi)且回流問題的關(guān)鍵。

2.2 主動(dòng)防喘控制技術(shù)

主動(dòng)防喘控制技術(shù)主要從壓縮機(jī)本身出發(fā)，對導(dǎo)致壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象的根本原因進(jìn)行分析，研究氣流不穩(wěn)定的的主要原因，主要通過改善壓縮機(jī)工作性能、對流場反饋進(jìn)行預(yù)擾動(dòng)等措施阻止喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

綜合對比壓縮機(jī)的主動(dòng)防喘和被動(dòng)防喘控制技術(shù)的特點(diǎn)，煤氣壓縮機(jī)的工況特點(diǎn)，確定采用被動(dòng)控制技術(shù)中的可變極限流量法解決壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 循環(huán)流量法防喘振控制流程

3 壓縮機(jī)防喘振策略設(shè)計(jì)

本著壓縮機(jī)在任何工況下通過其中的流量均是足夠的；而且，在出現(xiàn)喘振現(xiàn)象時(shí)通過打開喘振閥補(bǔ)充流量損失的部分。基于上述原理，提出采用如圖2所示的控制圖對壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象進(jìn)行控制。

圖2 壓縮機(jī)防喘控制曲線

如圖2 所示，壓縮機(jī)喘振線對應(yīng)的最小流量為13.409 7 kg/s；閥跳變現(xiàn)對應(yīng)的最小流量為18 kg/s；控制線對應(yīng)的工作流量為23 kg/s；新控制線對應(yīng)的流量為25 kg/s。圖2 中，控制線與曲線、X 軸形成的區(qū)域?yàn)閴嚎s機(jī)的安全工作區(qū)域；控制線與閥跳變線、曲線形成的區(qū)域?yàn)閴嚎s機(jī)的調(diào)節(jié)區(qū)域；喘振線與閥跳變線、曲線形成的區(qū)域?yàn)閴嚎s機(jī)的跳變工作區(qū)域；喘振線與曲線、Y 軸形成的區(qū)域?yàn)閴嚎s機(jī)的喘振區(qū)域。

根據(jù)上述壓縮機(jī)在不同區(qū)域的工作情況，當(dāng)壓縮機(jī)工作在調(diào)節(jié)區(qū)域和跳變工作區(qū)域時(shí)，通過PID 控制器對防喘法進(jìn)行控制，避免壓縮機(jī)工況點(diǎn)落在喘振區(qū)域，具體控制策略如下：

1）當(dāng)壓縮機(jī)工況點(diǎn)落在安全區(qū)域時(shí)，無需進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；

2）當(dāng)壓縮機(jī)工況點(diǎn)落在調(diào)節(jié)區(qū)域時(shí)，將系統(tǒng)的防喘閥打開，并通過PID 控制算法對其開口大小進(jìn)行控制，使得壓縮機(jī)工況點(diǎn)落在安全工作區(qū)域；

3）當(dāng)壓縮機(jī)工況點(diǎn)已經(jīng)質(zhì)變至閥跳變點(diǎn)時(shí)，將防喘控制閥控制至0.05，將壓縮機(jī)的工況點(diǎn)落在安全工作區(qū)域。

4 結(jié)論

煤氣壓縮機(jī)為對煤氣進(jìn)行增加處理的設(shè)備，其是煤氣系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。壓縮機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，由于煤氣系統(tǒng)本身的流量波動(dòng)較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)了不同程度的喘振現(xiàn)象；進(jìn)而導(dǎo)致煤氣系統(tǒng)的壓力、溫度以及流量等指標(biāo)波動(dòng)嚴(yán)重，從而影響了整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文針對煤氣壓縮機(jī)的喘振問題展開系列研究，總結(jié)如下：

1）導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的主要原因在于其入口流量大幅減小。

2）針對壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象，可采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式控制；對于煤氣系統(tǒng)的壓縮機(jī)可采用被動(dòng)控制技術(shù)中的可變極限流量法解決喘振問題。

3）針對壓縮機(jī)的工況點(diǎn)將其劃分為不同的工作區(qū)域，并根據(jù)所在工作區(qū)域提出了不同的防喘策略。