丙烯透平压缩机组防喘振控制优化改造方案解析

刘亚鹏(内蒙古大唐国际克什克腾旗煤制天然气有限公司，内蒙古 赤峰 025350)

0 引言

丙烯压缩机用于工业生产领域中，可以创造出相对较好的制冷成绩，具体是外供足够多的冷气量[1]。在全自动化控制下，丙烯压缩机组的投用率相对较低，防喘振回流阀开度偏大、能耗量较大，应尽早进行技术升级改造。

1 喘振现象的原理

喘振为涡轮压缩机运行阶段的独有现象(如图1所示)，当压缩机出口压力抵达一定值时，压缩机运行点会由D点顺着性能曲线提升至A，以上过程的特点是流量降低，压力上升。此时出口压力高于压缩机的最大压缩能力，压缩机形成了负流量，实质上就是发生了倒流问题，从A 点开始至B点。倒流抵达一定程度时，压缩机出口压力跌落下降，B→C又复原至正向流动C→D，以上这种气流在压缩机内往复流动的现象被叫做喘振。压缩机本体剧烈振动和喘振现象相伴随，在这样的工况下能够观察到气体的出口压力和流量示值出现明显波动，机身也会发生强烈振动，且会对出口管道、厂房振动过程起到一定驱动作用，压缩机会对外传送出周期性间断式的吼响声。若不能尽早采用相应措施处理，则会对压缩机造成严重损害。

图1 喘振原理图

喘振现象的发生和压缩机的功率存在相关性，不同功率之下压缩机的喘振点有区别，若能选择不同功率之下的几个典型喘振点，连接成曲线，便能顺利地获得喘振曲线[2]。

2 机组常见问题及改造难点

2.1 问题

本文以某化工企业化学品项目为实例进行分析，其内配置的丙烯压缩机利用了蒸汽透平方式进行驱动，在高温、高压特殊条件下，迅速将蒸汽整合到汽轮机中，利用其对压缩机运行过程起到驱动作用。丙烯作为压缩机的压缩介质。压缩机设计阶段利用变转速的方式进行调整， 2018年通过适度控制一二段防喘阀距控制线开度，收到节约蒸汽64 058 t的效果，净化气年单耗平均由2017年度的0.396 0 t/kNm3下降到2018年度的0.309 2 t/kNm3，环比下降0.086 8 t/kNm3，在提升经济效益方面有一定的收获。在驱动压缩机过程中，抽凝式汽轮机起到主导性作用，笔者所在单位2019年5月7日压缩机组一、二段分离器温度控制投用自控回路经24 h观察运行无异常后，8日压缩机一、二段防喘振控制择机投用半自动模式。投入自动控制模式经一个多月跟踪运行，在装置生产负荷稳定状况下，压缩机的半自动运行方式可适度简少中控和现场操作工作量。

压缩机组自开工以来，入口压力自动控制回路无法正常投用半自动模式，仅能人工调控，对操作人员的实践能力提出较高要求，现场控制效果整体偏差。压缩机的防喘振阀门无法正常闭合，张开度过大，以致压缩机能耗量长期较高。实测发现压缩机机组一、二段的防喘振阀门开度分别约15%、18%，这是造成装置能耗高的主要原因。没有实测得到压缩机喘振线，因为涉及、生产制造等方面存在偏差，导致压缩机实际喘振线和理论预测喘振线之间形成较大差异，仅利用理论喘振线很难达到精准与适度的防喘振维护。

2.2 改造难点

Triconex TS3000是本压缩机主机采用的控制系统，控制方案执行时暴露出如下问题：

(1)喘振线无法有效补偿真实工况和设计工况之间的偏差；

(2)喘振线的精准程度没有达到设计水平；

(3)利用人工手调的方式管理、控制机组状态；

(4)利用极简易的PID串级形式调节、控制压缩机的运行性能，但是以上过程中并没有深刻解读速度和喘振控制器之间的耦合性，以致设备性能无法正常启动应用。

在以上种种因素的作用下，导致压缩机机组防喘阀始终处于开启状态。

3 防喘振控制优化改造

3.1 实测防喘振控制

多数制造厂家在售卖压缩机时会主动为买家提供一套设备理论测算喘振线，因为设计院或厂家均持有一定设计余量，没有做到毫无保留的提供喘振线，并且在设备出厂以前，在无法制定工艺气配比参数等因素的作用下，基本上无法获得实测喘振线。但是如果能在设备启用环节中利用不同转速测得喘振线，则就能实现对压缩机喘振线精准勾画。较好地满足了压缩机工艺投用的实际需求，这样也能较整体地显现出压缩机的真实状态。

在这种工况下，参照理论喘振线进行调控不能防控发生压缩机喘振，存在着较多的风险因素。也可以用以上观点去解释部分防喘振控制即便是使用很长时间也不能达到智能化控制水平问题。因而，防喘振控制过程中，获得实测喘振线是重要内容之一。基于实测喘振线，从而达到自动化压线控制，不单纯是在压缩机负荷较高、工作点远离喘振线的工况下使用，即便是在低负荷之下或者开工早期运转波动性较大时也能控制，即便是在低负荷工况中，或者启动早期运转状态变动较大时，也能实现自动化投运，采用加强压线管控的形式，一方面能减少能源、资源的耗损量，另一方面较显著地拓展了压缩机本体的操作时间。

3.1.1 临界喘振点

参照既往实践经验，压缩机设备正常运转时，整个防喘振阀后工作点位会整体远离喘振区域，但在启、停或异常工况下，启动防喘振阀基本不会干扰正常工艺的操作过程。

3.1.2 喘振点

为了能精准检出喘振点的机组，多依赖观测出口压力表盘值去做出相应判断，以上这种类型的仪表延时反应迟缓。如果能利用人耳认真倾听声音的变化，当即将发生喘振现象时，设备运转声音会出现明显的改变，这种改变早于参数数值的变化，从而精准、快速地探测到喘振点。通常会应用过往局部速度值周边的3～5个速度开展喘振实测活动，分别是75%，80%，85%，95%，100%。

3.2 解耦控制

过去有研究发现，压缩机内不同防喘振控制回路、控制回路与性能控制回路之间都会生成程度不一的耦合关联性，调整其内单个回路，会对周边回路形成即时、明显的影响，如果不具有解耦控制关系，则也容易造成部分控制系统不能顺利投入自动运转。

如果进气调速阀门的张开度明显扩张时，进气量随之增加，会诱导压缩机组更快速运转，此时提供给压缩机组出力变大。如果张开度增加的是抽气阀，在这样的工况下设备转速会降低，为压缩机组提供的出力值也下降。结合以上分析情况，回路之间形成的相互作用影响，转速调整达到稳定水平的难度相应提高，因为它并不是在压缩机满负荷状态下发生改变的，是更为显著的。

为了能完全解离不同回路之间的相互耦合扰动，应用控制系统时操作人员仅需将阀门调整到手动，且通过人为适度开大，使压缩机的运行点和喘振控制线相距更远一些。以上这种方法尽管可以解除掉部分干扰，但导致能耗量增加。则需要应用级别更高的解耦控制算法，能实现对各区段运行状况监测、调控的同步性，真正实现了全智能化的调控。

3.3 无关坐标系算法

主要是通过计算确定喘振极限线SLL和气体分子量MW、入口压力Ps、入口温度Ts、入口气体比热比Ks与口气体压缩因子Zs之间无关，且只和压缩机组本体的内部机械构造相关。可以基于无关坐标系算法获得为归一化的喘振极限线。

简化压头计算：

精简流量平方计算：

式中：Pd、Ps分别为压缩机出口、入口压力(进出口压差比)；Td、Ts分别为压缩机出口、入口温度(进出口体积质量比)。

从本质上分析，防喘振控制算法是以无关坐标系的5条测算和控制曲线为基础，参照了闭环式主PI控制与开环阶梯保护响应，确保了压缩机设备运转阶段不管是面对单次迟缓的降负荷过程扰乱，还是面对因工艺装置反常工况引起的强烈扰动，均能十分迅速、精准地增加压缩机的流量，确保压缩机设备一致在安全区域内运作。并且，因为应用了高端的、精准的以无关坐标系为基础的防喘振控制算法，能使用压缩机的回流流量始终维持在最低水平，这是减少设备能耗量的重要基础。

4 结语

以原有原进气阀开度喘振曲线为基础上，整合进透平压缩机出口流量喘振曲线，能较好地解除伴随气温升高透平空压机出口流量喘振曲线逐渐右移的情况，规避了压缩机容易进到喘振区的问题。通过执行以上防喘振控制优化措施后，节省8.5 MPa高压蒸汽3 t/h，创造了较多的经济效益；于3 910～4 876 r/min范围中选择了5个转速点，依次测出了各区段的喘振点，进而生成了实测喘振线；防喘振实现了全自动化调控，能在确保不出现喘振现象的基础上使控制线智能运转。