离心式压缩机防喘振控制

林波（中国石油天然气第一建设有限公司，河南 洛阳 471023）

压缩机是石油化工装置的核心设备，其安全平稳运行对安全生产起着至关重要的作用。当压缩机的进口流量足够小的时候，会在整个扩压器流道中产生严重的旋转失速，压缩机的出口压力突然下降，使管网的压力比压缩机出口压力高，迫使气流倒回压缩机；一直到管网压力降到低于压缩机出口压力时，压缩机又向管网供气。当管网压力又恢复到原来压力时，压缩机又产生旋转失速，出口压力下降，管网中的气流又倒流回压缩机。如此反复，使得压缩机的流量和出口压力周期性大幅度波动，这种现象就叫做喘振，是离心式压缩机固有的一种现象，是压缩机损坏的主要诱因之一。

防喘振控制程序是控制系统厂家根据机组厂家提供的实验数据开发的具有防喘振控制功能的标准功能模块，它能够确保压缩机安全运行并提高机组运行效率，但是如果应用不当将导致使机组发生喘振、损坏设备甚至造成停产等事故。

1 压缩机防喘振控制性能曲线

压缩机防喘振性能曲线有三条（图1）。图中描绘了压缩机的操作极限（即喘振控制线）、喘振线（即喘振区）和喘振裕度。压缩机经过重新装配或解体检修，机器性能会有所变化。根据厂家提供的机器性能曲线，对SCL、SLL、喘振安全裕度进行重新校验。从压缩机在不同转速n1，n2，n3(n1＜n2 ＜n3)下的特性曲线可以看出，每条特性曲线都有一最高点（即喘振临界点），将各曲线的最高点连在一起便形成一条喘振线。曲线的右边为压缩机的安全操作区，左边为喘振区。为了保证压缩机不发生喘振又能达到最高效率，要求其实际控制点离喘振线有一定的裕度，一般为喘振点的5%--20%左右。将各转速下的喘振裕度连成一线，即为防喘振控制线。压缩机在实际操作时，其操作点应始终稳定在防喘振控制线上。在压缩机喘振控制线（SCL）与压缩机喘振线（SLL）之间设定有一条喘振加强控制线（Boost），为喘振线的3%—5%。当操作点越过SCL 左侧向SLL迅速逼近到达Boost时，加强调节功能激活，操作点能够被快速控制并恢复，使控制系统平稳而快速地过渡到新的平衡状态。

特性响应曲线 图1

防喘振控制器图2

SCL—防喘振控制线SLL—喘振线Boost—加强控制线

2 防喘振控制器

不同工况防喘振控制线是不同的，压缩机操作点最终控制在防喘振控制线上，以提高压缩机的功效。该控制器主要由开环控制（比例加强控制、喘振检测）和闭环（防喘振PID控制、速率(斜坡)PID 控制）等功能块的输出引入一个高值选择器组成（图2）。

防喘振控制的难点是喘振线、防喘振控制线的精确定位以及如何把压缩机的操作点始终控制在防喘振控制线上。首先，确定操作点控制算法：根据压缩机入口体积流量Qa2、入口压力Ps（绝压）、出口压力Pd、入口温度Ts、出口温度Td及工艺介质常数等参数，利用防喘振控制器功能块进行运算，通过对操作点的计算确定压缩机喘振临界操作点；其次，引用控制变量“WS_PV”进一步计算出实际操作点与喘振控制线的比值，判断操作点的位置和移动速率；通过输入/输出与各功能块连接和相互作用，输出控制信号去调节防喘振控制阀。

2.1 操作点控制算法

常用的操作点控制算法：（1）压比Pd/Ps--入口流量Qa2，（2）出口压力Pd--入口流量差压ΔPs。压比Pd/Ps控制算法由多变压头（Hp）、实际体积流量Qa2和压缩机转速之间的相互关系确定压缩机操作点，其运算关系：OP=Qa2/Hp

OP—Operation_point（工况操作点）Qa—实际工况气体体积流量(Am3／h) Hp—多变压头(Nm／kg)

2.2 控制变量“WS_PV”

防喘振控制器引用控制变量“WS_PV”参数来判断操作点离SCL 的远近。变量“WS_PV”是实际操作点与喘振控制线的比值，标准值为100。防喘振控制线（SCL）为100，若操作点与SCL比值为150，那么操作点在距离SCL为50%远的安全区。运算公式如下：

3 防喘振控制程序调试及应用

3.1 逻辑联锁调试

图3是湖北黄冈500万方/天LNG工厂丙烯压缩机一段、二段防喘振控制操作画面，它包括比例积分、喘振计数调整、喘振裕度复位、自动/半自动/手动模式切换、逻辑判断、防喘振控制性能曲线、防喘振控制阀等七项需要逐项进行参数设定和校验调试的内容。

防喘振操作画面 图3

图4

首先，逻辑判断与输出继电器、防喘振控制阀连接组成逻辑联锁回路，逻辑判断应设计成“与”逻辑，“0”触发、“1”为正常状态；输出继电器和电磁阀设计成“事故安全型”接线方式；防喘振控制阀选用信号切断时，必须在2 秒之内快速全开（FO），且在气源切断后具有阀位保位功能。

3.2 防喘振控制性能曲线校验及应用

调试过程中必须对防喘振控制性能曲线进行5点以上模拟校验，校验点必须均匀分布在整条曲线上。

在湖北黄冈500万方/天LNG工厂开车过程中，因控制系统内压缩机出口流量参数FT350组态量程（0—16KPa）与现场变送器FT350 量程（0—6KPa）不一致，导致防喘振控制系统联锁停车。从图3操作画面可以看出，由于一段入口流量没有设计差压变送器FT350，参与防喘振控制计算。

为了便于分析联锁停车事件，做操作点运行趋势分析简图（图4）。当出口流量差压FT350 实际测量值为3KPa时，假设出口压力为0.8MPa，参与操作点计算的就是8KPa和0.8MPa数值，那么操作画面上防喘振控制性能曲线上显示的操作点就是B，是个虚假点，而实际操作点在A 点，不会显示在操作画面上。由于B点离SCL右侧较远，为了使压缩机达到最佳工况操作点，操作工或防喘振自动控制程序会根据B点去调节防喘振阀，使操作点B 向左移动，同时实际操作点A 也向左移动。当B 点移动到D 点时，点A 则到达C 点，正好在压缩机喘振线上，从而引起机组喘振联锁停车。

4 结语

防喘振控制技术是离心式压缩机控制技术中的核心，不同的压缩机有不同的机械性能曲线，即使同一台压缩机，在经过解体检修后，它的机械特性也会改变。因此，一台压缩机的性能曲线的校验和正常操作点的确定必须在现场设备安装结束，具备条件后实际在线测试。