离心压缩机防喘振控制方法的研究及应用

王园园

摘要：对离心压缩机喘振现象和传统的防喘振控制方法进行研究，分别采用变增益常数和变积分常数PID调节的方法对离心压缩机防喘振控制进行仿真试验，并讨论两种方法的优缺点，提出一种基于变增益常数和变积分常数结合的PID调节离心压缩机防喘振的新方法。数值试验结果表明该方法有效地克服了变增益常数法易扰动的不足和变增益积分常数法易滞后的缺点，提高了离心压缩机的安全和经济性能。

关键词：离心压缩机；防喘振；可编程控制器；增益常数；积分常数

在石油、化工、冶金等工业生产中，离心压缩机以它平稳高效得到了广泛应用，它们在生产中起着重要作用。喘振现象是离心压缩机的固有特性，它在压机入口流量低于最小流量时发生，轻则造成压缩机停机，中断生产过程造成经济损失；重则造成压缩机叶片损坏，引起压缩机设备报废，造成人员伤害。因此，喘振现象具有严重的破坏性。如何在离心压缩机的运行过程中，有效控制和保证生产过程的正常运行，防止喘振现象的产生，具有重大意义。

1风机的喘振机理及现象

从压缩风机特性曲线中可以看出，风机工作特性曲线分成两个区，一个为稳定区，另一个为不稳定区。喘振发生在不稳定区内。喘振是系统受的阻力因某种原因升高到一定值时，工况点从A点突然移到B点，排气压力达到最大值，在叶片上产生脱流现象，工况点又迅速移到负流量下的C点，然后迅速降到D点再瞬间移到A点，于是压缩机的工作状态就会出现周而复始的循环，导致压缩机无法运行在正常工况点。喘振是透平机械的固有特性，是压缩机在低流量的条件下，叶片上产生气流脱离形成的脉动流与出口管网的气阻之间形成的振荡现象。气流脉动和机内温度上升会危及叶片和轴承的正常工作，压缩机内的气流和附属管网的压力和流量脉动可能发展成增幅振荡，形成周期性的气流倒流和排出气体压力时高时低的现象，并产生巨大的噪声和急剧的温升。流量和压力的大幅振荡会导致压缩机从正的流量特性跃变到负的流量特性，使其运行不稳定，导致压缩机进入逆流工况。由于压缩机本身具有喘振、失速的特性，所以在实际操作中必须采用防喘振控制和安全保护措施，使压缩机工作在稳定的工作区。因此，防喘振控制是压缩机正常工作的关键。

2防喘振的控制原理

防喘振控制的目的就是要始终保证工况点运行在防喘振线以下的安全区域内。从喘振的形成过程可以看出，在一定的排气压力下，防止压缩机流量过小就能避免喘振发生。降低系统阻力是避免喘振的一项重要措施，然而工艺管网的阻力是一定的，所以实际中采用降低排气压力（放空）来增大压缩机流量，消除喘振。根据这一要求防喘振阀通常选为气关阀，并且要求快开慢关，快开速度约2s，慢关要求10s。防喘振控制就是利用这一原理，来设置防喘振线，防止喘振的发生。因喘振是一个迅速产生的过程，从最大流量到反向流动只需0。04s，又因喘振受机组本身因素和管网压力等因素的影响，其过程复杂难以建立精确的数学模型，所以喘振线无法准确地计算和检测。工程实际中常利用实测法得到喘振线。因出口流量是压缩机入口压差（喉部压差）的函数f（$p），而实际中采用的方法是实测出压缩机喉部压差$p与排气压力p的函数关系，得出压缩机的特性曲线和喘振曲线，即在不同的喉部压差下，测量对应的喘振压力，将测量的点用折线连接即可绘出横坐标为喉部差压，纵坐标为排气压力的曲线，称为该机组的喘振线。为了安全实际中将喘振线纵坐标参数下移3%作为喘振裕度（即放空线），工况点在放空线以下，放空阀关闭，如果工况点在放空线以上，放空阀全开来防止喘振。实测喘振线纵坐标参数下移8%得到该机组的防喘振线，当出口压力到达防喘振线时，控制系统自动调节防喘振阀放风，降低出口压力防止喘振发生。因离心压缩机在不同的转速下性能线为近似的平行线，因而离心压缩机的喘振线可近似地简化为二折线函数。实测点的选择根据入口调节阀的线性，通常选压差变送器44%处的点作为喘振点的一个重要的测试点。

3防喘振控制系统的设计

3.1喘振线的计算

喘振线是设计防喘振控制系统的依据，喘振线的计算是设置防喘振线控制的关键。喘振线的计算是根据实测喘振点的出口压力和压缩机喉部差压的关系，利用两点法分别计算出各段喘振线的斜率k1和k2，然后结合截距法计算出对应的截距b1和b2，再分别利用直线公式得到该机组的喘振线。

3.2防喘振线的计算

防喘振线的计算如图1所示，控制系统采集当前的喉部压差$p，经入口温度t和设计温度td转化为绝对温度的补偿后得到$p1，再根据当前喉部压差所处的位置来选取对应的斜率和截距k1、b1或k2、b2。该斜率k乘以当前压缩机的喉部差压，加上截距b再乘以0。92的系数，就得到当前点的计算出口压力p1。因而，每一个工况点都对应一个计算所得到的防喘振点，这些防喘振点的连线就形成防喘振线。防喘振调节就是将当前点的计算出口压力p1作为PID调节的设定值SP1，当前点的实际出口压力p作为检测值PV1，经PID自动调节来控制防喘振阀开度的大小，达到预防喘振的效果。防喘振线是一个动态折线，随着压缩机喉部压差的变化而动态的变化，其调节过程也是一个动态折线的响应过程。

图1 防喘振线的计算模块

3.3防喘振控制系统

防喘振控制系统是通过西门子S7-300可编程控制器（PLC）来实现的。将设定值和检测值各自除以其对应的量程（定标）后，经PID处理完成自动调节。为了实现快开慢关的功能，系统采用变增益常数和变积分常数结合的PID调节方法。当设定值压力SP1大于等于出口压力PV1时，将增益常数K3和积分常数K5输入PID，当设定值压力SP1小于出口压力PV1时，将增益常数K4和积分常数K6输入PID。当压缩机组处于正常的工作情况时，防喘振阀处于关闭状态。若压缩机工作点接近防喘振线时，控制系统将根据其计算的当前设定值和测量值的偏差来自动调节防喘振阀进行放风，以降低压缩机的出口压力，使压缩机的工作点远离喘振线，保证机组工况点不至于到达喘振点。若自动调节还不能消除喘振，当排气压力升至放空线（0.97SP1）时，系统自动给一个值0，防喘振阀全开，进行放空，并设置出口压力过高联锁停机信号，以便在确实发生喘振的情况下执行放空和停机联锁，确保机组绝对安全。压缩机的入口设有电动调节阀，对风压的调节通常是通过调整入口閥的开度来实现的。若需要小风压调节时，也可以通过人为手动给定值来调节防喘振阀的开度，调节出口风压，且手动值自动跟踪PID的调节输出MV。在自动调节输出值MV和手动给定值之间设有低选功能模块手动值的给定始终受到自动值的跟踪和保护，若手动值大于自动调节的输出，系统自动选择自动值输出。这一功能有效地防止了误操作，保证了系统的安全性。

4结论

本文结合离心压缩机喘振的特点和工艺实际要求，在可靠地保护压缩机安全性能的前提下，利用变增益常数和变积分常数相结合的PID调节方法实现了对离心压缩机的防喘振控制。改变了传统PID调节的固有模式，使调节更加灵活、方便，提高了离心压缩机控制系统的稳定性、可靠性和经济性，是一种较为完善的离心压缩机喘振控制方法。仿真结果也表明此方法简单、实用，尤其在实现防喘振的快开慢关功能中发挥了重要的作用，达到了预期的目的。

参考文献

[1]李剑峰. 离子压缩机防喘振控制策略的研究及动态模拟[D].西南石油大学，2014.

[2]姜波. 离心压缩机模型参数辨识与防喘控制研究[D].东北大学，2011.

（作者单位：天津联维乙烯工程有限公司）