丙烯制冷压缩机防喘振和石墙控制的探讨

郭飞虎，徐鹏，褚学文

(沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁 沈阳 110869)

在乙烯装置中会采用乙烯和丙烯制冷压缩机为深冷分离流程提供不同温度等级所需的制冷量，同时丙烯和乙烯制冷压缩机组成复叠制冷系统，以获得更低等级的制冷温度。丙烯压缩机所提供的制冷量大部分用于乙烯塔乙烯精馏以及乙烯冷剂的冷凝，因此丙烯压缩机的控制方案合理对乙烯压缩机以及整个乙烯装置的平稳运行有着非常关键的影响。

本文从乙烯装置的丙烯制冷压缩机的控制方案出发，对压缩机防喘振和石墙控制方案的优缺点进行比较分析，着重就石墙控制的原理和控制逻辑进行了探讨。

1 丙烯制冷压缩机原始控制方案

1.1 压缩机参数及工艺流程

某顺序分离流程用丙烯制冷压缩机为单缸3段压缩，1段和2段压缩机出口均设置有侧流抽气。丙烯制冷压缩机分别给裂解气干燥、脱丙烷塔冷凝、甲烷冷却以及乙烯冷凝提供冷量，同时为乙/丙烷汽化器、甲烷汽提塔再沸器和乙烯汽化器提供热量。丙烯制冷压缩机的主要设计参数见表1所列。

表1 丙烯制冷压缩机主要设计参数

丙烯制冷压缩机的工艺流程如图1所示。丙烯制冷压缩机最终出口气相介质进抽气预冷器E-1601经水冷却后冷凝为丙烯液态冷剂，然后进丙烯液相储罐D-1600。储罐出口液相丙烯进冷箱E-1321换热后，一部分进压缩机2段入口分离罐D-1602，另一部分分别给裂解气干燥、脱丙烷塔冷凝以及甲烷冷却提供制冷量。经换热后的这部分气态丙烯进压缩机2段D-1602罐。D-1602罐底液相丙烯一部分去乙烯塔再沸器E-1622提供热量，另一部分进冷箱E-1322换热。E-1322出口的丙烯一部分进压缩机1段入口分离罐D-1601，另一部分进乙烯冷凝器E-1624换热，吸收热量后的这部分气体与来自乙烯塔冷凝器E-1623的气相丙烯混合进入D-1601罐。在D-1601罐中气液分离后的气相进入丙烯制冷压缩机1段压缩。经压缩后的一部分气体抽出经抽气预冷器E-1603冷却后去E-1622和E-1623提供热量，换热后进入D-1601罐，压缩机1段抽出后剩余气体进2段压缩。丙烯压缩机2段压缩后的一部分气体抽出经抽气预冷器E-1602冷却后给乙/丙烷汽化器和甲烷汽提塔再沸器提供热量，换热后的液相丙烯进入D-1602罐，压缩机2段抽出后剩余气体进压缩机3段压缩。

图1 丙烯制冷压缩机工艺流程示意

1.2 原控制方案

根据丙烯制冷压缩机防喘振的需要，原工艺流程分别设置2个防喘振控制回路和2个石墙控制回路：

1)防喘振控制回路。压缩机3段出口气相经防喘振阀FV-1601进压缩机1段D-1601，作为压缩机1段的防喘振控制回路。为防止压缩机1段入口超温，在D-1601罐顶设置液相丙烯激冷线，用于控制进入压缩机1段的丙烯介质温度。FV-1601阀的开度由1段吸入罐顶去压缩机1段入口的流量、温度和压力，以及压缩机1段后抽气的压力和温度信号控制。

压缩机3段出口气相经防喘振阀FV-1602进压缩机2段D-1602，作为压缩机2段的防喘振控制回路。为防止压缩机2段入口超温，在D-1602罐顶设置液相丙烯激冷线，用于控制进入压缩机2段的丙烯介质温度。FV-1602阀由压缩机1段后抽气的压力和温度、压缩机2段后抽气的压力和温度，以及压缩机1段入口流量与压缩机1段后抽气流量的差值进行运算控制。

2)石墙控制。压缩机1段后抽气旁路气相经石墙阀FV-1611进压缩机1段D-1601罐，作为压缩机2段的石墙控制回路。FV-1611阀由压缩机1段后抽气的压力和温度、压缩机2段后抽气的压力和温度，以及压缩机1段入口流量与压缩机1段后抽气流量的差值进行运算控制。

压缩机2段后抽气旁路气相经石墙阀FV-1612进压缩机2段D-1602罐，作为压缩机3段的石墙控制回路。FV-1612阀由压缩机2段后抽气的压力、温度，以及压缩机3段出口压力、温度和流量信号控制。

1.3 存在的问题

当前丙烯制冷流程采用压缩机逐段抽气设计、压缩机各段流量逐渐降低的方式。从工艺运行的角度考虑，如果保证压缩机1段不发生喘振、则压缩机2段和3段发生喘振的机率非常小，所以原始设计并未设置单独的压缩机第3段防喘振控制。

另外，压缩机3段出口返D-1602罐作为压缩机2段的防喘振保护。但该回路流程较长： 气体进D-1602罐后需经过冷箱、乙烯塔后才能返回D-1601罐，然后进入压缩机1段再进入压缩机2段入口。当压缩机2段有喘振风险时，该回路设置是否能及时、有效保护压缩机值得讨论。

鉴于以上问题，有必要对该丙烯压缩机的控制进一步讨论。

2 建议措施

对以上问题分析，仍维持原4个控制回路不做调整，但对部分控制给出建议措施。

2.1 FV-1601防喘振控制回路

压缩机3段出口气相经FV-1601阀返回D-1601罐，同时负责压缩机1段和2段的防喘振： 压缩机1段和2段防喘振2个控制器同时比较做低选控制，2个控制回路达到设定的低值都可触发FV-1601阀的开启。其中，压缩机1段的防喘振功能与原设计完全一致，而对于压缩机2段的防喘振回路，原始设计为压缩机3段出口经FV-1602阀返D-1602罐，建议修改为压缩机3段出口经FV-1602阀返D-1601罐。这样压缩机1段出口气体经部分抽气后直接进入2段压缩，相对于原设计流程更短、更有利于压缩机2段的防喘振保护。

修改后的问题： 由于该制冷压缩机流程为逐段抽气设置，2段质量流量为1段的77%，3段质量流量为1段的39%(3段出口流量仅为2段入口流量的51%)。此时仅设置压缩机3段出口返D-1601罐的回流量是否能满足压缩机1段和2段防喘振的需要，仍需要再讨论。

针对以上问题，建议该防喘振回路的控制逻辑设定为： 当压缩机1段或2段流量减小、有发生喘振的风险时，首先应开启FV-1601阀；当FV-1601阀全开后回流量仍不满足压缩机1段或2段防喘振流量需要时，就需要开启FV-1611阀或FV-1612阀，分别弥补压缩机1段和2段的防喘振流量。

将FV-1611阀和FV-1612阀回路作为备用的原因在于压缩机1段抽气返回压缩机1段入口和压缩机2段抽气返回压缩机1段入口这两个回路的开启会导致丙烯压缩机1段和2段抽气下游乙烯塔等工艺的波动，影响装置的正常运行。因此在压缩机防喘振可控的前提下应尽量避免上述FV-1611阀和FV-1612阀控制回路的开启。而当FV-1601阀全开、仍无法避免压缩机喘振时就只能采用备用方案、优先保护压缩机的运行，否则一旦压缩机发生喘振导致机组停机，下游的工艺乃至整个装置也无法正常运行。

2.2 FV-1602防喘振控制回路

压缩机3段出口气相经FV-1602阀返回D-1602罐修改为3段出口气相返2段后抽气(E-1602前)，负责压缩机3段的防喘振控制。修改后的丙烯制冷压缩机工艺流程如图2所示。

图2 修改后的丙烯制冷压缩机工艺流程示意

当压缩机3段有发生喘振的风险时，通过3段的防喘振信号开启FV-1602阀，增加了压缩机2段出口的整体流量。回流增加的流量弥补了2段出口抽气的流量： 相当于压缩机2段出口抽气量的减小而实际去下游工艺的气量并未变更。由于压缩机2段出口抽气量的减小从而使压缩机3段入口的流量得到补偿，避免了压缩机3段发生喘振。

基于压缩机防喘振回路的功能，防喘振回路上、下游应尽量接近压缩机的进口、排气管口，同时应减少中间设备以避免沿程的流动损失，从而迅速有效地缓解压缩机喘振。因此，上述压缩机3段出口至2段出口抽气的设置是最直接有效避免压缩机3段发生喘振的方案。因此，根据上述需要调整了原FV-1602防喘振回路管线的走向和设计。

2.3 石墙控制回路

压缩机1段出口抽气经FV-1611阀返D-1601罐负责压缩机2段石墙控制，同时负责压缩机1段防喘振控制。压缩机2段出口抽气经FV-1612阀返D-1601罐负责压缩机3段石墙控制，同时负责压缩机2段防喘振控制。以上2个回路的石墙设置与原方案完全一致，仅分别增加了当前段的防喘振功能。

压缩机1段抽气返回压缩机1段入口回路上的FV-1611阀同时具备压缩机2段石墙控制和压缩机1段防喘振的功能： 阀门控制器同时接收压缩机1段防喘振信号和压缩机2段石墙信号的控制，任何一个信号触及控制器，该阀门均开启。同样的原理压缩机2段抽气返回压缩机1段入口回路上的FV-1612阀同时具备压缩机3段石墙和压缩机2段防喘振的功能。

如2.1节中所述，该制冷压缩机逐段抽气、各段流量逐渐降低，因此压缩机3段出口至D-1601罐的压缩机3段出口返回压缩机1段入口的防喘振回路流量不可能满足压缩机1段和2段防喘振的需要，因此需要增加其他的防喘振回路(或功能)来补充。故增加的压缩机1段抽气返回压缩机1段入口和压缩机2段抽气返回压缩机1段入口2个回路的防喘振功能既能弥补压缩机3段出口返回压缩机1段入口防喘振回路的流量不足，同时还能避免2，3段发生石墙的可能。

通常压缩机某段发生石墙而导致石墙线开启的根本原因是压缩机抽气段下游工艺已经出现了较大的波动，此时首先应保证压缩机运行的安全而不能单独考虑工艺的运行。

在整个乙烯装置开车初期、丙烯制冷压缩机没有运行时，压缩机1，2段出口抽气下游的工艺流程如乙烯精馏塔和乙烯制冷工艺等并未投入运行，因此压缩机1段抽气返回压缩机1段入口和压缩机2段抽气返回压缩机1段入口的2个阀FV-1611，FV-1612均需全部开启，以满足压缩机2，3段开车阶段的需要，否则2，3段会因为流量滞止发生石墙(此为石墙阀的作用之一)。但如果开车阶段石墙阀开度不合理，又会导致石墙线返回量过大、导致压缩机段入口流量增加过大而升速困难。因此，在压缩机开车阶段应根据实际的工艺需求和压缩机转速-流量的匹配去调整石墙阀的开度。只有当压缩机抽气段下游工艺运行稳定后，FV-1611和FV-1612阀才为常闭状态。而当下游工艺与设计预期有较大偏离或压缩机停机时，需要根据工艺和压缩机的运行状态来确定FV-1611和FV-1612阀是否开启。

3 石墙控制总结

为便于理解离心压缩机的石墙现象，以下对石墙的原理和控制进行讨论。

3.1 石墙原理

离心压缩机石墙也叫做堵塞或阻塞，是压缩机一种异常的运行状况。当压缩机出口管网系统背压降低，压缩机的出口压力高于管网系统背压、压缩机的工作点会向大流量方向(性能曲线的右侧)移动，压缩机预期性能曲线如图3所示。由于压缩机的入口流量增加，使压缩机出口压力有下降的趋势，因此当压缩机出口压力与管网系统背压达到新的平衡时，压缩机就稳定地工作在这个状态下。而如果压缩机出口管网系统背压持续降低，压缩机的入口流量就会一直增加，当压缩机入口流量达到当前段某级叶轮所能吸入的最大流量时，叶轮流道内的气流速度会急剧增加、在压缩机当前段某级叶轮流道通流截面的最小处就会达到当地声速。通常情况下气体的流动速度是不会超过当地声速的，因此压缩机的入口流量不可能再增加，压缩机就会发生堵塞现象，从而导致压缩机的压力急剧下降。

图3 离心压缩机的预期性能曲线示意

与喘振类似，离心压缩机发生石墙也会对机组造成损坏。如果压缩机在阻塞点长时间运行，压缩机与管网系统会达到一种往复变化的不稳定状态： 压缩机的工作点会一直在堵塞-正常-堵塞之间徘徊，压缩机的轴向力会发生循环往复的变化，从而有压缩机转-定子的挂碰导致压缩机转子损坏的风险。

为防止压缩机阻塞或石墙发生，就需要避免压缩机在大流量状态下运行。与防喘振控制完全相反，避免石墙就需要提升压缩机进出口的压比或降低压缩机的入口流量。

3.2 石墙控制

为了分析压缩机的石墙控制，建立以下简单模型： 某2段压缩的压缩机的1段出口抽气去下游工艺；在抽气管线上游设置石墙阀及控制回路，负责压缩机1段的防喘振和压缩机2段的石墙控制。带中间侧流抽气的压缩机流程如图4所示。

图4 带中间侧流抽气的压缩机流程示意

压缩机在开机转速提升的过程中，石墙阀为开启状态。当机组运行稳定后，石墙阀为关闭状态。如果压缩机下游负荷增加、工艺所需的抽气量加大时，只能通过调整压缩机的转速以增加压缩机吸入能力来满足后续工艺需要。

如果压缩机1段在较小的流量状态下运行，当压缩机1段出口下游工艺调整、抽气量需求增加时，会有压缩机2段入口流量不足而发生喘振、而1段发生石墙的可能。此时应关闭石墙阀开度，相当于增加了1段的出口背压、弥补了压缩机2段的入口流量。

如果压缩机1段以较大流量状态运行，当压缩机1段出口下游工艺调整、抽气量需求减小时，会有压缩机1段出口压力憋压而发生喘振、压缩机2段入口流量增加而发生石墙的可能。此时应打开压缩机1段出口抽气至1段入口的石墙控制回路阀门，对压缩机1段抽气管线进行泄压操作，降低压缩机1段的进出口压比从而缓解喘振、同时增加2段的压比避免石墙的发生。因此，石墙阀开启后若压缩机选型通流能力合理，只要压缩机1段不发生喘振，就能避免压缩机2段发生石墙现象。

作为石墙阀，其最大通流能力可按照压缩机在额定操作工况的最大抽气量考虑，同时应考虑压缩机开车阶段、低压状态下压缩机下游没有抽气时的全回流状态下的流通能力。其正常状态下的通流量可按照压缩机正常操作工况的抽气量与压缩机2段正常工作点流量与压缩机2段石墙状态时压缩机入口最大流量(性能曲线最右侧点)之间的差值来考虑。在压缩机2段达到预期堵塞控制流量之前石墙阀可以不用开启，随着压缩机2段入口流量进一步增加达到预期堵塞的控制流量时，则必须开启该阀门。这与压缩机2段实际运行工作点和堵塞点之间的流量域度有关，也就是上面提及的开启石墙阀之前“压缩机2段有发生石墙的可能”但并非一定会发生的原因。

4 结 论

通过对带抽气制冷丙烯压缩机防喘振和石墙控制方案的讨论，修改了原设计方案，并着重对压缩机的石墙控制进行了讨论：

1)对于带有抽气的压缩机，抽气下游回路即可承担抽气段前压缩机的防喘振功能，同时承担抽气段后压缩机的石墙功能。

2)对于有抽气的压缩机，石墙阀还承担工艺开车的作用。所以，在压缩机升速、开车以及停车过程，石墙阀必须开启。

3)升速、开车以及停车过程，石墙阀的具体开度与抽气流量和抽气段上游段的入口流量有关。应根据不同的工艺和压缩机各段流量来判断，无法统一。

4)按照压缩机额定操作工况的最大抽气量作为石墙阀的通流能力来校核，阀门有足够的流通余量。