丙烯压缩机防喘振控制的实现

李文涛（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古 赤峰 025350）

丙烯压缩机的规格、规模与性能多种多样，在不同的化工生产环境中，其功率需求也不同。根据作者的工作经验与实际接触，以本厂的丙烯压缩机为研究对象，进一步展开关于丙烯压缩机防喘振控制的研究。

该丙烯压缩机属于单体类型，其结构水平分开，具有两段离心压缩机，在工作中可以分别提供0℃、-40℃两种冷量级别环境。设备应用包括五个工艺用户，利用可编程逻辑控制器（PLC）来实现防喘振控制；控制界面经过改造，采取触摸屏的方式进行操作和监督，对事故原因分析有很大的直观作用，生产中产生的数据可以上传到分布式控制系统，便于集中管理。

1 丙烯压缩机概论

喘振也称之为“飞动”，是压缩机性能反常的一种常见表现，其不稳定运行的过程中导致压力、流量的大幅度异常，产生类似剧烈喘息的噪音，并表现出一定规律的振动。喘振会导致压缩机的转子和定子部件经受交变动应力，导致轴承损坏，甚至发生转定碰撞和爆炸事故，造成后果恶劣的人身伤害和财产损失。

1.1 丙烯压缩制冷原理

丙烯（CH2=CHCH3）常温下为无色气体，冰点-185.3℃，沸点-47.4℃；制冷作用的实现是在高压液体的低压下蒸发，在等温条件下从外部吸收高于介质的热量，利用液体气化的相变特征转移热量，最终实现制冷的目的。

压缩机制冷是循环进行的，相对于丙烯压缩设备而言，蒸发器内的液体（丙烯）吸收热量之后变化为气体状态，返回到压缩机的入口，重新进行加压、液化，当压力达到一定级别之后再度进行凝结变成液体，从而形成循环。

1.2 喘振现象出现原因

理论上说，喘振是压缩机的一个设计缺陷，作为一种固有现象，产生喘振的原因来源于负荷降低之后，排气量小于当前转速下对应最大压缩比的体积流量，设备的机械力性能过大，气体形成周期性的倒流和排出，而这一时期的内部压力是不稳定的；由此产生较大的振动和噪音，这就是喘振现象的表现。

而喘振现象一旦出现，就意味着压缩机在介质运行上出现了漏洞，需要进行重新调整。

1.3 喘振现象控制原理

控制喘振现象就必须从内部设备功能入手，在不同的转速下，压缩机特有曲线的最高点轨迹是抛物线形状，理论上称之为“喘振极限线”；利用数学模型将其转化为二折线函数，进而采用放空和打回流的手段，来阻止喘振现象的发生。

2 丙烯压缩机防喘振控制的实现

根据对本厂丙烯压缩机的调试结果整理数据，计算可知，当喘振极限线坐标下放3%即可实现放空，而在实际的操作中，将放空线纵坐标下放5%之后，才进入丙烯压缩机的安全响应范围。

我厂所采购的丙烯压缩机有两个段，每段都可以设置防止喘振控制系统，按照现场测试的数据计算，入口差压变送器测量45%折返点作为喘振线对应处。

分析喘振形成的原因，不难发现要避免这一故障的出现，只要克服压力在同等条件下，入口流量大于喘振极限即可；如果压缩机发生失控现象（控制阀能源中断），就需要确保完全开放进口，引入最大流量。

2.1 入口流量值修订

入口流量是控制丙烯压缩机发生喘振的重要途径，可以采用差压阀测量气体的流量，在温度、压力等参数符合工作条件的状态下，确保修订的值大于喘振极限线。

2.2 喘振给定值获取

在喘振极限线描绘完成之后，包括折线函数在内的数学表达式计算，都可以作为压力补偿的入口差压值判断标准。为了确保其稳定性，一般可以设定系数标准（8%-12%），以满足防喘振控制器的设定值域。

2.3 防喘振控制策略

丙烯压缩机防喘振控制的实现，主要是通过数字信号微调实现的操作，具体方式包括开环和闭环作业。当实际工作点接近喘振极限线的过程中，控制器可以给出阶梯形操作型号，当数值进入8%系数获取领域之后，即可快速打开控制阀。

逻辑元件控制器的优势很明显，根据阶梯幅度可以快速调整实际需求，也可以结合自动化控制方式，来满足正常入口的实际流量调整，但这种做法目前并没有普及；同样，利用积分控制器也可以实现喘振控制需求，但这种控制方式很容易达到输出上线，如果打开不及时，喘振发生的频率很高。

综合分析测试，在防喘振控制策略方面，PLC控制的鲁棒性最好，同时操作简单、经济可靠，能够有效地节约运维成本。

3 丙烯压缩机防喘振控制系统分析

我厂引进的丙烯压缩机大致可划分为两个功能部分，其一为汽轮机驱动的离心式压缩机系统，其二为丙烯介质的热（冷）循环系统；以丙烯作为热传导介质，通过压缩、放热、冷凝、节流、降压、蒸发等环节，最终实现制冷效果。

理论上来说，防喘振控制系统应该介入这两部分系统。其中，压缩机通过汽轮机驱动，当叶轮转速达到一定级别之后，就会产生旋转离心力扩压气流，促使气体的压力不断提高，形成丙烯压缩机的执行动力；其工质变化包括气话制冷循环，蒸汽升压，高压蒸汽冷凝以及高压液体减压四个步骤。

整个控制系统主要包括PLC模块、电源和通讯模块，采用TRICONTMR控制系统，提高控制的灵敏性，同时确保其较高的安全性；由于通讯总线的均冗余特点，有效地提升了系统的纠错能力。鉴于三段的客观设备需求，该系统有三个完全相同的系统通道架设，丙烯压缩机单体系列中除了固有的主机架之外，另外加入两个辅助的扩展机架。

事实上，丙烯压缩机的应用在企业内部较为便利，PLC模块与高速局域网之间的贴合度很大，支持多种通讯协议，形成很好的通讯功能。同时，DCS系统支持通讯功能的数据备份，具有实时数据处理和历史数据处理的功能，在操作平台上较为便利地实现流程结构、调速画面和防喘振控制结构图。

在喘振极限线以内的区域中，丙烯压缩机的动态性调节除了PCL控制器之外，也包括调节阀装置，两只之间对数据的依赖性相同。如果不考虑仪表数据因素之外，控制方案的选择与控制时机的把握是决定性作用的，所以，无论是控制器还是调节阀，其操作都不是固定不变的。

从当前我国丙烯压缩机的应用实践来看，控制器功能的发挥有限，其主要原因是对性能图分析的能力不足，无法确定极限值参数的实际影响。此外，还需要合适的算法，针对影响极限值的参数进行合理调整。如果压缩机的动态性性能图实现标准化，即根据不同类型的压缩机需求满足控制设计，就能确定测量点和入口的工艺条件。

4 结语

随着我国经济发展的步伐加快，现代工业体系也日趋完善，煤化工产业、石油化工产业等项目的安全、稳定运行成为企业最大的诉求。丙烯制冷压缩机的应用中，要充分考虑丙烯原料的特性，结合机械性能稳定的需求，制定出符合企业实际操作的防喘振措施。开环和闭环结合的控制方式是目前应用范围较广的措施之一，作者结合自身的经验和实践，认为做好控制系统的合理设置是至关重要的。

总地来说，在社会化大生产的背景下，精细化操作需求日益普遍，任何一个生产设备的故障都会导致整体项目的影响，积极研究丙烯压缩机防喘振技术具有重要的意义。

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