防喘振控制原理及方法

744.2离心压缩机防喘振控制4.2.1离心压缩机的喘振1．离心压缩机喘振现象及原因离心式压缩机在运行过程中，可能会出现这样一种现象，即当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏，气体的排出量时多时少，忽进忽出，发生强烈震荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。此时可看到气体出口压力表、流量表的指示大幅波动。随之，机身也会剧烈震动，并带动出口管道、厂房震动，压缩机会发出周期性间断的吼响声。如不及时采取措施，将使压缩机遭到严重破坏。例如压缩机部件、密封环、轴承、叶轮、管线等设备和部件的损坏，这种现象就是离心式压缩机的喘振，或称飞动。下面以图4.2-1所示为离心压缩机的特性曲线来说明喘振现象的原因。离心压缩机的特性曲线显示压缩机压缩比与进口容积流量间的关系。当转速n一定时，曲线上点c有最大压缩比，对应流量设为PQ，该点称为喘振点。如果工作点为B点，要求压缩机流量继续下降，则压缩机吸入流量PQQ，工作点从C点突跳到D点，压缩机出口压力CP从突然下降到DP，而出口管网压力仍为CP，因此气体回流，表现为流量为零同时管网压力图4.2-1离心压缩机的特性曲线也下降到DP，一旦管网压力与压缩机出口压力相等，压缩机由输送气体到管网，流量达到AQ。因流量AQ大于B点的流量，因此压力憋高到BP，而流量的继续下降，又使压缩机重复上述过程，出现工作点从BADCB的反复循环，由于这种循环过程极迅速，因此也称为“飞动”。由于飞动时机体的震动发出类似哮喘病人的喘气吼声，因此，将这种由于飞动而造成离心压缩机流量呈现脉动的现象，称为离心压缩机的防喘振现象。2．喘振线方程喘振是离心压缩机的固有特性。离心压缩机的喘振点与被压缩机介质的特性、转速等有关。将不同转速下的喘振点连接，组成该压缩机的喘振线。实际应用时，需要考虑安全余量。喘振线方程可近似用抛物线方程描述为：2121Qbapp（4.2-1）式中，下标1表示入口参数；p、Q、分别表示压力、流量和温度；ba、是压缩机系数，由压缩机厂商提供。喘振线可用图4.2-2表示。当一台离心压缩机用于压缩不同介质气体时，压缩机系数会不同。管网容量大时，喘振频率低，喘振的振幅大；反之，管网容量小时，喘振频率高，喘振的振幅小。图4.2-2离心压缩机的喘振线753．振动、喘振和阻塞喘振是离心压缩机在入口流量小于喘振流量时离心压缩机出现的流量脉动现象。震动是高速旋转设备固有特性。旋转设备高速运转到某一转速时，是转轴强烈震动的现象。它是因旋转设备具有自由振动频率（称为自由振动频率），转速到该自由有振动频率的倍数时，出现的谐振（这是的谐振称为谐振频率），造成转轴振动。振动发生在自由振动频率的倍数，转速继续升高或降低时，这这种振动会消失。压缩机流量过大时，气体流速接近或达到音速，压缩机叶轮对气体所做功全部用于克服振动损失，气体压力不再升高的现象，这种现象称为阻塞现象。离心压缩机的工作区、喘振区域阻塞区如图4.2-3所示，图4.2-3离心压缩机的工作区、图中也给出了压缩机的最大和最小转速。喘振区与阻塞区4．2．2离心压缩机防喘振控制系统的设计要防止离心式压缩机发生喘振，只需要工作转速下的吸入流量大于喘振点的流量PQ。因此，当所需的流量小于喘振点的流量时，例如生产负荷下降时，需要将出口的流量旁路返回到入口，或将部分出口气体放空，以增加入口流量，满足大于喘振点流量的控制要求。防止离心式压缩机发生喘振的控制方案有两种：固定极限流量（最小流量）法和可变极限流量法。图4。2-4固定流量极限防喘振控制1．固定极限线流量防喘振控制该控制方案的控制策略是假设在最大转速下，离心压缩机的喘振点流量PQ为（已经考虑安全余量），如果能够使压缩机入口流量总是大于该临界流量PQ，则能保证离心压缩机不发生喘振。控制方案适当入口流量小于该临界流量PQ时，打开旁路控制阀，使出口的部分气体返回到入口，使入口流量大于PQ为止。如图4.2-4所示为固定极限流量防喘振控制系统的结构示意图。固定极限流量防喘振控制具有结构简单、系统可靠性高、投资少等优点，但当转速较低时，流量的安全余量较大，能量浪费较大。适用于固定转速的离心压缩机防喘振控制。固定极限流量防喘振控制与流体输送控制中旁路控制方案的区别见表1-1表1-1防喘振控制与旁路控制的区别项目旁路流量控制固定极限流量防喘振控制检测点位置来自管网或送管网的流量压缩机的入口流量控制方法控制出口流量，流量过大时开旁路阀控制入口流量，流量过小时开旁路阀正常时阀的开度正常时，控制阀有一定开度正常时，控制阀关闭积分饱和正常时，偏差不会长期存在，无积分饱和偏差长期存在，存在积分饱和问题762．可变极限流量防喘振控制该控制方案根据不同的转速，采用不同的喘振点流量（考虑安全余量）作为控制依据。由于极限流量（喘振点流量）变化，因此，称为可变极限流量的方喘振控制。可变极限流量防喘振控制系统是根据模型计算设定值的控制系统。离心压缩机的防喘振保护曲线如图4.2-2所示，也可用模型描述为如果2121Qbapp,则说明流量大于喘振点处的流量，工况安全；如果2121Qbapp，则说明明流量小于喘振点处的流量，工况处于危险状态。采用差压法测量入口流量，则有MpZRppKQdd1111(4.2-2)式中1K、Z、R、1M分别为流量常数、压缩系数、气体常数和相对分子质量，dp是入口流量对应的差压。因此，可以得到喘振模型)(1221appbKnpd（4.2-3）式中，)(ZRMn，当被压缩介质确定后，该项是常数；当节流装置确定后，1K确定;a和b式与压缩机有关的系数，当压缩机确定后，它们也确定。式（4.2-3）表明，当入口节流装置测量得到的差压大于上述计算时，压缩机处于安全运行状态，旁路阀关闭。反之，当差压小于该计算值时，应打开旁路控制阀，增加入口流量。上述计算值被用于作为防喘振控制器的设定值，因此，称为根据模型计算设定值的控制系统。图4.2-5所示为防喘振控制系统的结构。图中PY1是加法器，完成21app的运算，PY2时乘法器，完成)(21app与)(21bKn的相乘运算，其输出作为防图4。2-5可变极限流量防喘振控制喘振控制器FC的设定值。PT1和PT2是绝对压力变送器，测量离心压缩机的入口和出口压力，PdT是入口流量测量用的差压变送器，其输出作为防喘振控制器FC的测量值。可变极限控制系统是随动控制系统。测量值是入口节流装置测得的差压值dp，设定值是根据喘振模型计算得到的)()]([1221appbKn，当测量值大于设定值时，表示入口流量大于极限流量，因此，旁路阀关闭；当测量值小于设定值时，则打开旁路阀，保证压缩机入口流量大于极限流量，从而防止压缩机喘振的发生。77实施该控制方案时注意事项如下：(1)可变极限流量防喘振控制系统是随动控制系统，为了使离心压缩机发生喘振时及时打开旁路阀，控制阀流量特性宜采用线性特性或快开特性，控制阀比例度宜较小，当采用积分控制作用时，由于控制器的偏差长期存在，应考虑防积分饱和问题。(2)采用常规仪表实施离心压缩机的防喘振控制系统时，应考虑所用仪表的量程，进行相应的转换和设置仪表系数；采用计算机或DCS实施时，可以直接根据计算式计算设定值，并能自动转换为标准信号。(3)为了使防喘振控制系统及时动作，在采用起动仪表示时，应缩短连接到控制阀的信号传输管线，必要时可设置继动器或放大器，对信号进行放大。(4)防喘振控制阀两端有较高压差，不平衡力大，并在开启时造成噪声、汽蚀等，为此，防喘振控制阀应选用消除不平衡力的影响、噪声及具有快开慢关特性的控制阀。(5)可以有多中实施方案，例如，可将)(12apppd作为测量值，将21bKn作为设定值；或将1ppd作为测量值，将]))][(([1221appbKn作为设定值等；应根据工艺过程的特点确定实施方案。通常，应将计算环节设置在控制回路外，以避免引入非线性特性。(6)根据压缩机的特性，有时可简化计算，例如，有些压缩机的0a，或1a等，这时，模型可简化为：当0a时221pbKnpd（4.2-4）当1a时)(1221ppbKnpd（4.2-5）4.2.3测量出口流量的可变极限流量防喘振控制有些应用场合，例如，压缩机入口压力较低，压缩比有较大时，在压缩机入口安装节流装置造成的压降可能是压缩机为达到所需出口压力而需增加压缩机的级数，使投资成本提高。这时，为防止喘振的发生，可将测量流量的节流装置安装在出口管线，组成可变极限流量防喘振的变型控制系统。该控制系统是基于同一压缩机出口的质量流量应等于入口的质量流量。问题的提出：入口流量无法测量（如无安装位置、入口压力低不允许大的压损等）。图4。2-6可变极限流量防喘振控制变型依据：出口处测得的重量流量和入出测得的重量流量时相等的设入口和出口孔板的校正系数K1和K2相等。特点：采用孔板测量出口流量，可允许较大的压力损失可用于高压缩比的场合需要考虑出口和入口温度（重度变化）的影响有些场合，计算式可更简化。784.2.3离心压缩机串并联时的方喘振控制离心压缩机可以串联运行或并联运行，但这将增加运行操作的复杂性，并使能量消耗增大，因此，并不推荐使用，仅当工艺压力或流量不能满足要求时才不得不采用。这时，串并联运行的防喘振控制系统要比单台压缩机的防喘振控制系统复杂，即操作系统需要协调。离心压缩机串联运行时的防喘振控制1．压缩机串联运行时的变极限流量的防喘振控制当一台离心压缩机的出口压力不能满足生产要求时，需要量太或两台以上的离心压缩机串联运行。串联运行与多级压缩相似。图4.2-7所视为离心压缩机串联运行时采用的一种可变极限流量防喘振控制的控制方案。图4.2-7压缩机串联运行时的变极限流量的防喘振控制图中，PY1、PY2时加法器，PY3是低选器，PY4、PY5是乘法器。P1T、P2T和P3T是压力变送器，Pd1T、Pd2T测量流量的差压变送器，F1C、F2C是防喘振控制器。与单台压缩机的防喘振控制相同，对压缩机1和压缩机2都采用可变极限防喘振控制，将计算机的设定值送防喘振控制器，为了减少旁路阀，增加了一台低选器，只要其中任一台压缩机出现喘振，都通过低选器，是旁路阀打开。防喘振控制器选用正作用，旁路控制阀选用气关型。图中未画出得控制器积分外反馈信号引自低选器输出，与选择性控制系统防积分饱和时的连接相同。使用时注意：离心压缩机的串联运行只是用于低压力的压缩机，对高压力压缩机，考虑机体的强度，不宜采用串联运行；为保证系统的稳定运行，对后级压缩机的稳定工况宜大于前级。2.离心压缩机并联运行时的防喘振控制当一台压缩机的打气量不能满足工艺要求时，需要两台或两台以上离心压缩机并联运行。如果并联运行的压缩机特性不一致，就会影响负荷的分配，并影响防喘振控制系统的正常运行。压缩机并联运行的防喘振控制有两种方案。一种方案时每台压缩机设置各自的防喘振控制系统，这时，任一台压缩机都能够单独运行，并可前后启动运行，但仪表设备、工艺管线的投资较大，不常采用。另一种方案是采用低选器和选择开关，只用一个防喘振的旁路控制阀，如图4.2-8所示。79图4.2-8并联离心压缩机可变极限流量选择性防喘振控制图4.2-8中，P1T、P2T时入口和出口的压力变送器，Pd1T、Pd2T时压缩机入口流量测量用差压变送器，P1Y、P2Y、P3Y分别是加法器、乘法器和低选器，FC时防喘振控制器，HS是手动开关。当开关切换到A时，组成压缩机1的防喘振控制；当开关切换到B时，组成压缩机2的防喘振控制；当开关切换到C时，防喘振控制器的测量信号是两个压缩机入口流量的低值，即低选器的输出，因此，用于两个压缩机并联运行时得防喘振控制。防喘振控制得设定值计算采用加法器和乘法器实现。实施时注意：两个压缩机的特性应一致；不能实现两台压缩机前后启动运行；为使单台压缩机独立启动，须设置各自的手动旁路阀。