离心式压缩机防喘振控制系统的研究与稳定性分析

蒋安荔，甘 捷，朱治鹏，韩 冲

(国家管网集团川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430000)

1 引言

离心式压缩机组在进行增压外输期间，当多台机组联合运行时，需要对机组的处理气量进行分配，在气量分配中，经常会遇到压缩机的工作点向喘振点移动，当机组的进口流量降低，工况点会进入压缩机喘振区域，压缩机就会出现喘振现象[1]。喘振是压缩机运行的一种不稳定状态，压缩机在每一个转速下都会对应一个进口流量值，当低于该流量时，压缩机运行工况就会不稳定。当机组发生喘振时，一般情况下，压缩机的出口压力将会出现大幅波动，进口流量也急剧下降，机组的振动值也出现明显变化，严重时会造成转子轴向窜动，烧坏止推轴承，叶轮也有可能会被损坏[2]，在很短的时间内造成机组严重损坏，针对此种情况，压缩机组都会设计一套防喘振控制系统，用来防止喘振现象的发生。因此，压缩机防喘振控制系统的稳定运行是保证压缩机安全运行的重要基础。

2 防喘振系统曲线方程计算

为了查找确定防喘振控制系统的影响因素，对防喘振控制曲线图的方程公式进行推导计算，得出影响防喘振控制系统的一些变量，对于单级离心压缩机组，可以用下列公式逐步进行推导，先引入下列假设公式

Qs=K1·N1

(1)

(2)

通过式(1)和式(2)，可以得到

(3)

Hp=K(Qs)2

(4)

式中Qs——为气体流量

Hp——多变功

K、K1、K2、N1——常量

由理想气体单级可逆绝热压缩功的计算公式

(5)

从式(4)和式(5)，我们可以得出

(6)

式中pd——出口压力

pS——进口压力

Z——气体物质的量

R——理想气体常数

T——理想气体的热力学温度

通过流量计算公式将孔板流量压差Δp进行换算，孔板流量计算公式为

(7)

从式(6)和式(7)可以得出

(8)

式中β——孔板常数

Δp——孔板流量压差

在得出的表达式中，通过两边同时除以ZRT，可以得出

(9)

从式(9)可以看出，通过流量孔板的压差Δp与气体温度和组分无关，也证明了喘振现象是不受气体温度和组分的影响。

根据ρm≅1+m(ρ-1)，我们将式(9)进行简化如下

得出

(10)

(11)

式中pd——出口压力

pS——进口压力

Z——气体物质的量

R——理想气体常数

T——理想气体的热力学温度

β——孔板常数

Δp——孔板前后压差

N、K——常量

图1 防喘振系统控制曲线图

3 防喘振系统影响因素分析

图2显示了防喘振控制系统与流量差压变送器、进出口压力变送器和防喘振阀的控制关系，防喘振控制系统是在进口压力pS、出口压力pd、孔板流量差压值Δp和防喘振阀的信号反馈基础上建立的一套控制系统，也必然会受到这些控制变量的影响，从这些变量对防喘振控制系统的影响因素进行分析，制定一些改进措施，用来提高防喘振控制系统的稳定性。

图2 防喘振系统控制工艺图

3.1 孔板流量差压变送器对防喘振系统的影响

孔板流量差压变送器采集的差压值Δp是作为防喘振系统控制曲线图的X轴坐标，它的大小将直接影响工作点在坐标系内的左右方向位置。若孔板流量差压变送器出现故障，当数值偏小时，将会使工作点向左移动，触碰到喘振限制线时，发出防喘振阀全开信号，影响机组正常运行；当数值偏大时，会使工作点向右移动，远离喘振限制线，如遇到输气量实际减小，机组需要开防喘振阀增大进口气量，但由于防喘振控制系统的工作点还处于远离喘振限制线，系统不会发出开防喘振阀的指令，随着进口气量继续不足，机组就会发生喘振现象，防喘振系统就失去保护作用。

为了避免此种现象发生，可以在流量孔板处安装2台流量差压变送器，同时进行数据采集，当一台流量差压变送器出现故障时，会自动切换另一台流量差压变送器传输数据，避免单台流量差压变送器故障对防喘振系统产生的影响。

3.2 压力变送器对防喘振系统的影响

进、出口压力变送器的数值直接影响到防喘振系统控制曲线图中的Y轴坐标位置，出口压力与进口压力比值越大，工作点越向上移动，喘振区域范围就越大，当流量孔板的压差越小时，更容易触碰到喘振限制线。对于进、出口压力变送器故障问题，机组在运行期间不能在线对其进行处理维修，这样将导致机组的工作点处于喘振死区，防喘振系统将会命令防喘振阀全开，但也不能将工作点脱离喘振死区，在喘振死区运行对机组危害较大。在日常巡检中，要关注各个变送器的工作情况，定期开展变送器的回路测试和排污检查维护工作，确保变送器处于完好状态。

3.3 防喘振阀对防喘振系统的影响

在压缩机防喘振控制系统中，通过自动或手动的方式调整压缩机的转速和防喘振阀开度，用来增加压缩机的进口流量，如果机组的运行工况瞬间发生变化导致运行工作点直接触碰到喘振限制线，此时防喘振阀瞬间全开，开阀时间在1 s左右，最大限度地增加机组进口流量。防喘振阀是防止压缩机喘振的重要设备，当压缩机进口流量较低时，逻辑控制将自动调整防喘阀一定开度，使出口管线部分气量回流至进口管线，满足压缩机正常运行要求。当压缩机进口流量急剧下降，压缩机即将发生喘振的时候，逻辑控制将自动把防喘阀全部打开，将压缩机出口管线的气量尽最大可能回流至进口管线，防止喘振发生。因此，防喘振阀是保证防喘振控制系统稳定运行的前提条件。

防喘振阀具有可靠的快开慢关功能，也具有良好的调节作用，充分调节气量防止管道产生起浪点。当防喘振阀出现故障时，如阀门卡滞、定位器损坏等，这会导致阀门无法正常开关动作，影响到防喘振系统的动作响应，机组无法正常增压外输，停机时防喘振阀不能全开，进气量受到影响，停机过程容易出现喘振现象。对于阀门开关卡滞的问题，部分防喘振阀的阀体构造是阀笼、阀芯组合，在运行中容易出现焊渣等异物堵塞阀笼，导致阀芯在阀笼内无法正常提升。

在某压气站压缩机投产初期，曾出现过一起由于防喘振阀卡滞的问题，阀门无法进行开关动作的情况，在对压缩机防喘振管线吹扫时，防喘振阀能够正常开关动作，压缩机启动后，在对防喘振阀进行关阀操作时，发现现场阀门动作反馈信号和给出的指令不一致，防喘振阀存在卡滞现象，当阀门关闭到23%时，阀门无法向下关闭，也无法再向上打开。将压缩机停机后，在保压、放空泄压的情况下，阀门均无法动作，后又对防喘振管线进行吹扫，阀门仍无法动作，初步判断是由于阀笼内存在杂质造成阀芯和阀笼卡滞，将防喘振阀从管道上拆卸，发现阀笼上有丝杆等硬物，阀芯表面存在划痕，对阀笼和阀芯的划痕进行抛光、打磨处理后回装，对阀门进行开关动作测试，工作正常。

在防喘振阀的日常维护中，要定期对防喘振阀进行开关测试，记录阀门开关动作完成时间，也要对电磁阀定期检查，确保阀门动作可靠。另外，机柜内的继电器和通信模块的故障也会影响到防喘振阀正常开关动作，这些也是需要在日常检查维护中重点关注。

4 结语

本文通过对防喘振控制系统曲线方程的推导计算，得出防喘振系统控制曲线与孔板流量差压值、进出口压力值有关，然后，根据对防喘振系统的影响因素进行分析，提出了一些改进措施。在机组启机前和运行中，要加强对孔板流量差压变送器、进出口压力变送器等仪表设备的检查确认，发现问题及时处理，确保防喘振控制系统始终处于完好状态。