浅谈离心式压缩机的防喘振控制

曾庆天

沈阳鼓风机集团股份有限公司 辽宁沈阳 110000

离心式压缩机又叫透平式压缩机，整个压缩机没有中间罐等装置，也没有巨大且笨重的基础元件，整体结构十分紧凑，总体尺寸小，分量轻。机器内部耗油量很少，只有轴承部分需要润滑，减少了压缩空气被污染的可能性。压缩机运行过程中振动小，出口排气连续，易于调节，维修简单。因此广泛应用在石油化工行业的多种装置上。

1 喘振产生的原因

离心式压缩机主要由定子与转子两部分组成，在工作时转子中的叶轮会快速旋转，在旋转的过程中，压缩机内部气体在离心力作用下会进入后方的扩压装置中，而这时外部的新鲜气体则会进入叶轮当中。随着叶轮的不断转动，压缩机外部的气体不断被吸入入口并从出口排出，在这一过程中，气体压力增大，出口压力远大于入口压力。在离心机工作时如果入口气体流量过小或者出口堵塞引起憋压，会导致下游设备中的气体反向流入压缩机腔内，在压缩机内产生震荡，而这一震荡过程是周期性的，于是压缩机会产生周期性的振动，叫作喘振。发生喘振会导致压缩机转子振动、位移变大，有可能使转子发生磨损，对压缩机的安全运行过程造成很严重的负面影响，有时甚至会引起安全事故的发生。

2 防喘振的基本原理

在压缩机运行时，当气体介质固定后，在某个转速、压力、温度、差压下，可以通过计算得出一个流量最小的点，当流量低于这个值时，压缩机的性能就会变得很不稳定，也就是说机组会发生喘振，而这个点也被叫作喘振点。喘振点与压缩机中气体分子量，入口压力、温度、差压和出口压力、温度、差压相关，在不同条件下喘振点的位置也是不同的，因此可以计算出不同条件下的多个喘振点，再将这些点连接得到一条线，这条线就叫作喘振线。当工作点在这条线的右侧时，机组可以安全运行，这个区域就叫作运行区。当工作点在这条线的左侧时，机组会发生喘振，这个区域叫作喘振区，机组不允许在喘振区内运行。

图1 通用喘振线

压缩机的喘振点可由简化压头与简化流量计算得出。入口流量的测量值与出口压力Pd，入口压力Ps，出口温度Td以及入口温度Ts等可用来计算等价孔板值hr(该孔板可视为位于压缩机的入口)，从而做出喘振预测。

·R=Ru/MW

·Rt=Td/Ts温度比

·Rc=Pd/Ps压缩比

·Ru=通用气体常数

·R=特定气体常数

·MW=气体分子量

·Δpo，s=通过测量元件的差压

·Zs=压缩机入口气体的压缩因子

当工作点靠近喘振区时，防喘振控制器会控制防喘振阀开阀，增加回流量，使入口流量变大，降低出口压力，从而达到防止喘振的目的。

3 防喘振控制算法

由于防喘振控制有一定的滞后性，因此需要在工作点进入喘振区之前就进行调节才能保证安全生产的需要。在压缩机的防喘振控制中通常会使用到3条曲线：由喘振点组成的喘振极限线SLL；为了满足提前调节的需要，可以通过算法得出一个安全裕量b，在喘振线右侧且与喘振线距离b得到一条曲线，叫作防喘振线SCL，当工作点越过防喘振线后就开始进行调节，提前打开防喘振阀，从而避免工作点真正进入喘振区；当工作点越过防喘振线后，越向喘振线靠近表明情况越紧急，因此规定了一个极限操作距离，即RTL，其位于喘振线与防喘振线之间，得到一条曲线SOL，也叫作阶跃快开线，当工作点越过阶跃快开线后，普通开阀速度已经不满足调节要求，需要快速打开防喘振阀，因此在原开阀基础上增加一个周期性的阶跃开阀增量，以达到快速开阀的目的。防喘振控制器正是根据工作点与上述3条曲线的相对位置来做出不同的响应，从而保证机组安全运行的。

3.1 PID控制响应

防喘振控制算法中，当工作点越过防喘振线后，会通过比例作用与积分作用开阀，P越大，开阀速率越快；I越大，开阀越稳；微分功能则并不作用于此，而是一种提前响应，当工作点快速向防喘振线左侧移动时，微分响应会增加安全裕度，令防喘振阀提前开阀，当工作点平缓地向防喘振线左侧移动时，安全裕度不变，不提前开阀。这样可以保证在实际生产中，工艺有较大波动时仍能避免喘振的发生，满足安全生产的需要。

3.2 RTL响应

对于一般的扰动，可以通过PID响应保证工艺的稳定，如果一个扰动较大且快速，PID响应的调节不够及时，就有可能导致工作点直接进入喘振区，防喘振阀失电过度打开，从而导致上、下游工艺剧烈波动。为了解决这个问题防喘振控制器使用了一种快速响应机制，即RTL响应功能。当扰动很大，工作点在越过防喘振线后，PID响应并没有立刻把工作点拉出来，相反工作点继续左移越过了阶跃快开线，RTL响应机制就会在原来的开阀基础上增加一个周期性的阶跃开阀增量，在短时间内打开较多阀位，从而增加足够的流量来防止喘振，在保证机组设备安全的情况下，尽可能地保障生产，避免出现开阀过度引起上、下游工艺波动剧烈，导致生产停止的情况。

图2 RT响应

3.3 根据SLL线的安全响应

当意外的巨大波动使工作点急速向左移动，在防喘振控制器的PID响应与RTL响应起作用前，工作点就进入喘振区导致机组发生喘振后，安全响应会按照设定好的增量将防喘振线、阶跃快开线、喘振线向右平移，增加防喘振控制的裕度。这样在以后再发生类似扰动时，防喘振控制器就可以更早地做出响应，从而避免喘振再次发生。可以通过复位的方式复位掉防喘振线、阶跃快开线、喘振线的平移增量。

3.4 TSL响应

为应对防喘振阀门在小开度下开关不灵活的情况。防喘振控制算法根据喘振发生的特点设定了一条新的控制线，叫作TSL控制线，这条控制线可以保证压缩机工作点在接近控制线时阀门从全关位置快速响应，防止喘振的发生，同时又不会使生产工艺产生不必要的波动。

3.5 解耦控制响应

对于有些比较复杂的生产工艺，往往在一个机组中同时存在多个防喘振控制器，而有些控制回路的作用效果是相反的，比如为了消除一个扰动某个防喘振控制器需要开阀，而这个动作可能会导致其他的防喘振控制器憋压，从而造成系统的不稳定，使整个机组更容易发生喘振。因此，需要使用解耦控制将每个防喘振控制器的控制算法加权到其他的防喘振控制器的算法中，使得多个防喘振控制回路能够协调动作，从而使整个系统更加稳定。

4 防喘振的控制模式

在实际生产过程中，防喘振控制器根据控制方法的不同，通常存在4种控制模式，分别为硬手动模式、自动模式、半自动模式、手动模式。

4.1 硬手动模式

在这种模式下，防喘振控制器将完全变成普通手操器，防喘振控制将失效。此时，即使工作点进入喘振区，防喘振控制器也不会控制防喘振阀开阀。此模式只有在特殊情况(如仪表损坏更换、信号不准确等)下才会使用。

4.2 手动模式

此模式下，工作点不再受防喘振线的影响，PID控制响应失效，即使工作点越过防喘振线左侧，只要仍在阶跃喘振线右侧，那么防喘振控制器就不会开阀。同时当工作点在阶跃喘振线右侧时，可以自由手动控制防喘振阀开度，而工作点一旦越过阶跃喘振线左侧，则会按照设定好的开度以周期性的阶跃方式打开防喘振阀，从而让工作点回到安全区，此时无法手动控制防喘振阀开度。

4.3 自动模式

此模式下，防喘振控制器所有的响应都有效，当工作点在防喘振线右侧时，会按照设定好的速率自动缓慢地关闭防喘振阀；当工作点一旦越过防喘振线左侧，PID响应生效，会按照设定好的P、I参数以一定的速率打开防喘振阀，让工作点离开防喘振区；当工作点继续左移到阶跃喘振线左侧时，PID响应与RTL响应同时生效，防喘振控制器以普通开阀叠加阶跃开阀的形式快速打开防喘振阀。

4.4 半自动模式

半自动模式是手动模式和自动模式做高选后得到的结果。当工作点在防喘振线右侧时，与手动模式相同，可以手动控制防喘振阀开度，不会自动关闭防喘振阀。当工作点一旦越过防喘振线左侧，则与自动模式相同，会按照设定好的P、I参数以一定的速率打开防喘振阀，让工作点离开防喘振区。

5 防喘振控制器的工作状态

防喘振控制器的工作状态通常可以分为以下4种，分别为：全开、加载、运行、卸载。在机组的整个启、停过程中，当机组未启动时，防喘振控制器处于全开状态；当机组启动后，并且转速达到最小运行转速以上时，防喘振控制器进入加载状态；当防喘振控制器全关或工作点碰到防喘振线后，防喘振控制器处于运行状态；当机组停机，转速降到最低工作转速以下时，防喘振控制器进入卸载状态，进入卸载状态后防喘振开阀，当阀位至全开时防喘振控制器再次回到全开状态。防喘振控制器处于不同状态下，防喘振阀开、关速率由不同参数控制。

5.1 “全开”状态

当机组有联锁时，防喘振控制器处于“全开”状态，此状态下，防喘振阀门完全打开。

5.2 “加载”状态

当机组转速升速到最低运行转速以上，防喘振控制器进入“加载”状态：

(1)如果此时防喘振控制器在自动模式，则会以设定速率自动关闭防喘振阀，直到阀位全关或工作点碰到防喘振线以后，防喘振控制器进入“运行”状态。

(2)如果此时防喘振控制器在手动或半自动模式下，则需要人为手动关闭防喘振阀，直到阀位全关或工作点碰到防喘振线以后，防喘振控制器进入“运行”状态。

5.3 “运行”状态

当机组进入“运行”状态以后，防喘振控制器进入正常工作状态。

5.4 “卸载”状态

当机组转速降速到最低工作转速以下后，防喘振控制器进入“卸载”状态：

(1)如果此时防喘振控制器在自动模式，则会以设定速率打开防喘振阀，直到阀位全开以后，防喘振控制器进入“全开”模式。

(2)如果此时防喘振控制器在手动或半自动模式下，则需要人为手动打开防喘振阀，当防喘振控制器监测到防喘振阀全开且转速小于最低工作转速后，防喘振控制器进入“全开”状态。

结语

离心式压缩机是工业领域重要的机械设备，而喘振又是其固有属性，为了保证安全、高效的生产，必须有效解决喘振问题。选用合适的防喘振控制方案可以在保证生产设施安全的基础上，同时保证工艺生产流程的稳定，从而带来更大的经济效益。目前防喘振的控制方式仍然有很大的进步空间，关于防喘振控制的研究仍然需要不断努力，通过更加合理化的策略，以及更加精细化的控制，可以提高压缩机的使用效率，进而促进压缩机更加安全、高效地运转，具有很高的应用价值。