60 000m3空压机喘振保护系统的研发

李学波

（山东莱钢集团公司 自动化部，山东 莱芜 271104）

0 引言

空气压缩机作为大型空分装置气源供应的大型设备，其运行的稳定性和安全性直接关系到全套制氧机的停机率和安全性。为此，从现有的维护经验出发，通过研究大型离心式压缩机的机械特性和拖动系统的电气特性以及现有控制系统的技术特点，采用硬件检测和软件编程相结合的手段，以60 000m3莱钢制氧机空压机为目标，通过建立一套喘振保护系统，有效地避免停机故障的发生以及缩短停机故障处理时间。

1 喘振的危害及形成原理

“喘振”在专业术语中一般是表示压缩机中不可控制的流量能引起压力、流量强烈的周期波动，这反过来又使压缩机出现高振动、高温，从而导致对压缩机组件（如轴承、密封件）的损坏，甚至对叶轮和转子都会产生破坏，从而导致维修费用提高。就算没有明显的损坏发生，也会影响压缩机的使用寿命以及生产效率。

图1为一个连续的喘振周期示意图。在点①到点②这个过程中，压缩机出口压力增大，出口流量减少；点②表示了在此过程中出口压力达到最大点，且是一个稳定极限值；在点③的位置一股流量拖动压缩机叶轮使其突然陷入停转的状态，此时压缩机内的压力小于其出口压力，从而导致气体从管路回流到压缩机，而回流的流量迫使压缩机出口压力急剧下降到点④的位置，因此形成了一个喘振周期。如果没有有效的调节，作用在压缩机叶片上的气流会一次再一次地出现，喘振周期也将会循环出现。这种现象可以通过一直调节足够的、微小的气流的方式来预防，但最有效的方式是通过适当地调节回流阀的开度来控制。

由于喘振是由流量的变化引起的，因此它的发生是非常快速的。就目前来说，还没有一种标准的仪器来衡量或者测量喘振，作为一个可以接受的方式，就是把压缩过程中的各种参数变化作为一个可依赖的警告。因此，在控制系统中，必须把喘振的参数控制在喘振线以内，最有效的方式就是调节放空阀或者回流阀。这两个阀的时间限制是必须在2s以内能够全部打开，有时候稍微开一点就可以使压缩机回到正常的工作范围中，从而保护压缩机远离不稳定的工作状态。

图1 连续喘振周期示意图

2 喘振保护系统的优化配置

我们采用软、硬件结合的手段，利用分布式模块的智能化功能和现场总线的通讯诊断能力，充分发挥福克斯波罗I／A Series DCS系统的先进理念，通过将ProfiBus现场总线技术、全光纤通信的MESH网技术有机结合，建立大型离心式空压机的喘振保护系统，对空压机的喘振进行有效地区分甄别，对有可能的喘振进行合理的判断和预处理，并为生产管理者提供所需的信息，从而使故障判断的准确性以及故障的处理速度显著提高，有效地降低空压机的喘振和停机率。

控制器采用ABB的PROTRONIC 500，并设有就地操作面板，对逆流保护、放空阀打开、喘振连锁等报警提示，并将控制器的处理结果传到DCS系统。系统的编程采用时间中断的方式，以尽可能短的扫描周期获得空压机排气压力和吸入流量的工艺参数，通过优化算法达到快速保护压缩机的目的。

3 喘振保护系统的控制方案

图2为防喘示意图。

动态压缩是由增加气流的特定机械能量（用多变压头表示）来实现的，这个多变压头的压力计算公式如下：

其中：T1为吸入温度；R为压缩比；p1为吸入压力；p2为排放压力；K为常数。

出口流量的计算公式如下：

其中：dp为出口差压。

将入口导叶打到不同的开度，通过压缩机喘振实验得到在入口导叶不同开度下压头压力H和出口流量Q的数据，再通过一个7波段的喘振曲线函数计算出喘振线1的位置，对喘振线右移5%得到安全线2，右移10%得到控制线3。一般我们把压缩机的工作区域控制在控制线以下。

图2 防喘示意图

3.1 入口导叶的控制

3.1.1 电流控制器的输出

将主电机的电流作为入口导叶电流控制器PID的输入值，主电机的额定电流作为控制器PID的设定点，PID的输出值作为入口导叶的电流控制器的输出值。

3.1.2 压力控制器的输出

将出口压力p2作为入口导叶压力控制器的输入值，通过PID计算后的输出作为入口导叶压力调节器的输出值。

3.1.3 流量控制的输出

将出口流量Q作为入口导叶流量控制器PID的输入值，PID的输出值作为入口导叶流量控制器的输出值。

3.1.4 卸载控制的输出

当压缩机卸载的时候，入口导叶要求全部关闭（开度≤5%）。

将以上4个输出值进行低选，最终的结果就是入口导叶的阀位控制值。

3.2 放空阀的控制

3.2.1 压力控制器的输出值

将出口压力p2作为放空阀压力控制器的输入值，通过PID计算后的输出作为放空阀压力调节器的输出值。

3.2.2 流量控制的输出

将出口流量Q作为放空阀流量控制器PID的输入值，PID的输出值作为放空阀流量控制器的输出值。

3.2.3 开度最小保护的输出

放空阀开度的高、低限幅分别为95%和5%，当阀位大于95%时，认为阀门打开；小于5%时，认为阀门关闭。同时设有联锁和报警（放空阀阀位大于95%是启动空压机的联锁条件之一）。当冷箱关闭时，放空阀阀位要求为75%。当增压机一段卸载时，放空阀阀位要求为60%；当增压机二段卸载时，放空阀阀位要求为45%。当设定点在安全线的左侧时，要求放空阀有10%的开度；当设定点在喘振线的左侧时，要求放空阀有75%的开度。

3.2.4 加载控制的输出

空压机刚加载时，放空阀通过斜坡控制来逐步关闭，斜坡的控制速度为每秒1%。

将以上4个输出值进行高选，最终的结果就是放空阀的阀位控制值。

3.3 喘振保护器的控制

喘振保护器通过采集空压机的入口差压、入口压力、出口压力、出口流量等数据，对空压机喘振前出现的逆流等现象进行有效的控制。如果出现喘振等状况，第一时间通过硬线连接对空压机进行卸载处理，并向DCS传出报警信息及处理结果。

3.4 移线控制

如果发生喘振，每喘振一次控制线右移1%，最多右移5%。控制画面上显示移线值、移线次数，并设有移线报警、移线到最大报警。同时设有喘振复位按钮，当按钮按下时，控制线回复原位。

4 结束语

压缩机喘振保障系统的设计，提高了压缩机运行的安全可靠性，防止因为意外原因造成的压缩机损害，避免了由此引起的长期停机和生产损失。