新型压缩机喘振控制曲线的设计

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

0 引言

喘振是压缩机的固有特性。当压缩机进口流量减小到发生喘振时，气流来回冲击压缩机叶轮，会造成压缩机推力不稳以及压缩机轴振动升高，严重的还会造成压缩机叶轮与密封刮碰，甚至危及到整个工艺流程的安全，所以合理的防喘振控制系统设计就成了保护压缩机安全运行的关键。

压缩机防喘振系统设计的品质主要取决于设计人员对压缩机气动性能算法的了解和对防喘振控制算法的理解。国内压缩机控制系统一般都外包给几家工业自动控制公司，他们更注重压缩机防喘振控制系统控制实现算法的研究，往往忽略了压缩机喘振控制曲线的设计和研究。国内外不同类型压缩机的防喘振系统中，预设的压缩机喘振曲线的算法大都是固定模式，没有根据不同类型压缩机定制精细的控制方案。

本文以压缩机设计原理、性能计算公式及现场经验为基础，提出了压缩机新型喘振控制曲线设计思路。根据压缩机不同的使用环境，将压缩机分成几种模式，分别设计了新型的压缩机防喘振控制系统的喘振曲线。

1 压缩机喘振曲线的确定

根据终端用户的工艺要求，压缩机一般都会有很多不同工艺工况下的运行曲线，同一工艺工况下压缩机不同转速的最小允许运行点连接成此工况下的喘振曲线（图1）。由于压缩机在不同工艺工况下的进口条件不同（如温度、压力、气体组份等），压缩机不同工况下的喘振曲线也是离散的。为了便于监控压缩机实时工作点与压缩机喘振曲线安全裕度，需要将压缩机不同工艺工况的喘振曲线通过拟合，实现统一科学的监控。

图1 压缩机不同工况下喘振曲线Fig.1 The surge curve of compressor under different conditions

通用的喘振控制曲线算法是根据压缩机理论及工程热力学知识，将不同工艺工况进口条件的喘振曲线中的横坐标进口流量换算到带进口条件修正的无量纲参数；将纵坐标出口压力考虑进口压力修正换算到压缩机的压比（图2）。压缩机的喘振曲线在压缩机控制系统中是一条固定的曲线。

图2 压缩机不同工况拟合后的喘振曲线Fig.2 The fitted surge curve of compressor under different conditions

压缩机喘振控制曲线的确定有三条途径：

①使用压缩机设计参数中预期的喘振参数。

②在生产工厂进行压缩机喘振线的测试参数。

③在用户现场进行压缩机喘振线的测试参数。

压缩机喘振区线由理论或者实测出的压缩机不同转速下的喘振点连接而成。实时工作点横坐标为压缩机实时的流量修正的无量纲参数；纵坐标Y轴为压缩机实时的压比（图2）。压缩机现场都会有压缩机防喘振保护阀门，当实时工作点靠近喘振曲线保护线（喘振曲线5%～10%安全裕度），压缩机控制系统自动发出保护指令，按自控程序指令打开阀门使压缩机出口气路回流到压缩机进口，从而增大压缩机进口流量，使实时工作点远离喘振曲线，从而保证压缩机安全运行。

2 压缩机喘振控制曲线的设计

压缩机在现场运行过程中，实际进口条件往往比设计的不同工况进口条件复杂，且压缩机进口条件实时变化。以空气压缩机为例，压缩机的进口压力为当地大气压，当地大气压冬天会比夏天偏大约2%；压缩机的进口温度为当地大气温度，当地大气温度冬天会下降到-30℃，夏天会升高到40℃；压缩机进口气体组分为湿空气，雨天的空气湿度能达到100%，而晴天的空气湿度最低只有10%。

现在通用的压缩机喘振控制曲线流量的无量纲坐标考虑到进口压力、温度数值的补偿，但是没有考虑在不同进口条件下气体的热物性变化；喘振曲线的压比坐标更是只考虑了进口压力的补偿，没有考虑压缩机进口、出口的温度、气体组分和热物性的修正。虽然这些热物性的变化对实际数据影响一般在5%以内，对于压缩机用户来讲可能就需要调节压缩机工况，甚至打开压缩机回流阀门来保证压缩机的安全运行，这会带来很大的功耗。因此针对不同类型的压缩机制定不同的防喘振控制系统喘振曲线和实时工作点坐标的计算公式能更好的监控压缩机喘振，同时为压缩机用户节能降耗。

压缩机喘振曲线修正可以根据压缩机的使用环境分为以下几类：

①气体热物性稳定的压缩机：如氮气压缩机、低压力的单一气体介质的压缩机等。

②气体热物性不稳定的压缩机：如高压天然气压缩机。

③空气压缩机：进口条件为当地大气条件，进口条件不可控的压缩机。

3 气体热物性稳定的压缩机喘振控制曲线的设计

压缩机气体介质热物性稳定的情况下，气体介质在压缩机实际进口条件和出口条件下可压缩性系数Z值基本与设计进口条件和出口条件下的值相同，喘振曲线及实际工作点横坐标计算公式可直接使用带有进口条件修正的流量无量纲参数。喘振曲线及实际工作点纵坐标压比应考虑进口温度参数的简化修正，可得：

式中，Π为压比；n为多变指数；Yp为多变比功；N为压缩机转速；R为气体分子量；Z1为进口条件压缩性系数；Z2为出口条件压缩性系数；Z为平均压缩性系数；T1为进口温度；T2为出口温度；p1为进口压力；p2为出口压力；下角标te为测试状态，即压缩机实际工作状态；下角标co为换算状态，即压缩机的设计状态。

通过压比的修正公式可以看出，压比的简化修正公式也比较复杂。从压缩机的性能计算公式中可以开到多变比功Yp相对于是压比Π带有进口温度修正的参数，而且流量的无量纲量-多变比功Yp的性能曲线和流量的无量纲量-压比Π性能曲线线性极其相似，见图3，多变比功Yp也完全包含了进口条件的修正，所以选择多变比功Yp作为喘振曲线和实际工作点的纵坐标即准确又方便。

图3 压缩机不同工况新式喘振曲线Fig.3 The new surge curve of compressor under different conditions

4 气体热物性不稳定的压缩机喘振控制曲线的设计

气体热物性不稳定的压缩机（压缩机不同进口条件和出口条件下，通过压缩机的气体压缩性系数Z值会有较大变化），亦可使用流量的无量纲量-多变比功Yp的公式计算压缩机喘振曲线和实时工作点的坐标。只是压缩性系数Z不能使用设计条件的压缩性系数值。根据工程热力学的知识，对于不同用途的压缩机不同进出口工况条件选择不同的压缩性系数Z值的计算公式：

国际公认的计算精度较好的物性方程有BWRS方程、RKS方程、P-R方程、L-K方程、H-M方程以及针对天然气的AGA8-92DC等。它们都可以根据压缩机的实时工况条件计算相应的压缩性系数Z值，再将实时计算的压缩性系数Z值带入流量的无量纲量和多变比功Yp的公式，得到气体热物性不稳定的压缩机喘振曲线和实时工作点坐标的精确算法。

5 空气压缩机喘振控制曲线的设计

空气压缩机进口条件为当地大气条件，空气可以看做气体热物性稳定的介质进行喘振曲线和实时工作点的修正。

因为大气环境中水蒸气的存在，所以需要考虑不同的大气湿度对空气分子量的影响。喘振控制系统中应在压缩机进口处安装大气条件检测仪器仪表，实时获取压缩机进口处大气相对湿度、大气压力和大气温度等参数，对空气压缩机进口条件的分子量进行实时修正：

当进口温度在0℃＜t≤30℃时

当进口温度在30℃＜t＜100℃时

式中，R为气体分子量；hu为空气相对湿度；t为大气温度；pa为大气压力；psat为大气饱和水蒸气压力。

根据该计算公式修正后得到的压缩机进口处气体分子量R带入到流量的无量纲量和多变比功Yp的公式，得到空气压缩机喘振曲线和实时工作点坐标的精确算法。

6 压缩机防喘振控制系统介绍

根据不同情况设计的压缩机喘振控制曲线和实时工作点坐标，按照压缩机用户工艺流程要求，将喘振控制曲线考虑一个安全裕度（一般5%～10%）计算一条防喘振控制曲线（图4）。当实时工作点随着压缩机工艺工况的变化，触碰到喘振曲线之前的防喘振曲线时，压缩机喘振控制系统就发出指令自动调节压缩机防喘振管路的保护阀门，使压缩机出口的一部分流量直接返回到压缩机进口处，既能增加压缩机进口处的流量，又能减小压缩机出口压力值，使压缩机实时工作点远离防喘振线（图5）。

图4 压缩机防喘振曲线示意图Fig.4 The anti-surge curve of compressor

图5 压缩机防喘振联锁控制示意图Fig.5 The anti-surge interconnected control of compressor

7 实例对比

以气体热物性稳定的氮气压缩机参数（表1）的计算结果（表2）为算例，对比以流量的无量纲量-多变比功Yp为坐标的喘振曲线计算（图6）与通用流量的无量纲量-压比为坐标的喘振曲线计算（图7）。

图6 压缩机以压比坐标的喘振曲线Fig.6 The surge curve with pressure ratio as the ordinate

图7 压缩机以多变比功坐标的喘振曲线Fig.7 The surge curve with multiple transformation radio power as the ordinate

氮气压缩机喘振点数据为表1中的的数据点1，2，3，实时工作点数据为表1中的数据点4。

表1 氮气压缩机喘振曲线点和工作点参数Tab.1 The surge points of nitrogen compressor

氮气压缩机喘振点结果为表2中的数据点1，2，3，实时工作点结果为表2中的数据点4。

表2 氮气压缩机喘振曲线点和工作点换算结果Tab.2 The calculated surge points of nitrogen compressor

通过对比曲线可以看出，当喘振曲线采用压比坐标时，实时工作点与喘振曲线的安全裕度为25%；当喘振曲线采用多变比功坐标时，实时工作点与喘振曲线的安全裕度为29%。这仅仅是压缩机进口条件温度值有偏差时的对比结果。当压缩机进口条件与压缩机设计进口条件有更多偏差时，只使用纵坐标为压比（无进口温度修正）的喘振曲线，其喘振控制就不够准确。当实际工作点靠近喘振曲线运行时，在压缩机喘防振控制界面上就不能准确的监控实时工作点与喘振曲线的安全裕度，不能有效保护压缩机安全运行，会造成压缩机运行风险或者过度保护压缩机安全运行，造成功耗浪费。使用流量的无量纲量-多变比功Yp的公式计算的压缩机喘振曲线与实时工作点就能准确的在压缩机喘振控制系统中监控实时工作点与喘振曲线的安全裕度，当实际工作点靠近喘振曲线运行时，能准确保护压缩机安全运行。

8 结语

本文以压缩机喘振曲线的特点及用户工艺系统实际的要求为基础，通过研究压缩机气动性能计算公式的推导过程，设计了以压缩机流量的无量纲量-多变比功Yp为坐标的喘振控制曲线。根据压缩机的不同使用环境和不同使用方式，给出了三种更加精确的喘振控制曲线设计方案，引入了更多的实时参数进行压缩机喘振控制曲线及实时工作点的修正，提高了压缩机防喘振控制系统控制精度。通过实例对比，验证了压缩机行业现行防喘振控制系统中喘振控制曲线和实时工作点算法的不足，压缩机新型喘振控制曲线在压缩机防喘振控制系统中能很好地监控压缩机运行的安全裕度，为用户提供准确的控制避免意外的发生，并能为压缩机节能降耗，达到了预期的设计目的。

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