离心式压缩机防喘振控制解析

2023-10-26严盛超范振华

设备管理与维修 2023年17期

严盛超，范振华

（兰州石化机电仪运维中心，甘肃兰州 730060）

0 引言

离心式压缩机具有重量轻、易损件少、输送气体无油气污染、供气均匀等优点，在石油化工生产装置中得到广泛应用。但是离心式压缩机在一些特定工况下会发生喘振，使压缩机不能正常工作，严重时甚至会损坏压缩机的机体，造成严重的生产事故。为此，离心式压缩机在运行过程中需要有相应的防喘振控制方案。本文介绍兰州石化汽油加氢装置离心式压缩机的喘振原因及防喘振控制原理，并对压缩机的防喘振控制算法进行解析。

1 离心式压缩机的喘振

1.1 喘振现象及原因

喘振是离心式压缩机本身的固有特性。造成喘振的原因是压缩机入口压力或流量突然降低，压缩机内的气体由于流量发生变化而出现严重的旋转脱离，形成突变失速。这时叶轮不能有效提高气体的压力，导致压缩机出口压力降低，小于管网压力，从而使气体由管网向压缩机倒流；当压缩机出口压力高于管网压力时，压缩机又开始排出气体。如此反复，气流在系统中产生周期性的振荡，机身也随之发生剧烈的振动，导致压缩机喘振的发生。由于这种循环过程极为迅速，因此压缩机的喘振也被称为“飞动”。

1.2 离心式压缩机的特性曲线

离心式压缩机的特性曲线通常是指压缩机的压缩比（出口绝对压力Pd与入口绝对压力Ps的比值）与入口气体体积流量Q 之间的关系曲线（图1）。每条曲线在不同的转速（n1、n2、n3）下都有一个最高点，连接每个最高点而形成的曲线a 即为压缩机的喘振曲线，也称为喘振极限线。曲线左侧为喘振区，如果压缩机的工作点在该区域内，则会发生喘振现象。为保障压缩机的安全运行，压缩机的实际工作点距离喘振曲线应留有一定的裕度，一般在喘振曲线右面再做一条与之近似平行的曲线b，即压缩机的安全操作线。

图1 离心式压缩机特性曲线

压缩机特性曲线是压缩机防喘振控制的重要原始数据之一，其准确性直接影响到防喘振控制方案的实际应用效果。生产厂家根据压缩机的性能在控制系统内做出相应喘振曲线和安全操作线，并将压缩机的工作点反映到操作画面上，这样操作人员就能实时监测到压缩机的工作状况（图2）。

图2 操作画面中的防喘振曲线

图2 中，纵坐标压缩比为Pd/Ps（即压缩机的出口压力与入口压力之比）；横坐标为H/Ps，H 为压缩机的入口流量孔板所测得的差压值，通过与压缩机入口压力的比值计算，经过数学模型的转换，可以理解为压缩机的入口流量。

1.3 防喘振控制原理

通常情况下，压缩机发生喘振是因为负荷减小，使被输送气体的流量小于该工况下特性曲线喘振点的流量所致。因此，只要在必要时采用部分回流的方法，使压缩机的入口流量既符合工艺生产要求，又满足流量大于最小极限值（喘振点流量）的需要，这就是防喘振控制的原理。本文介绍的防喘振控制方法是可变极限流量法，即为了减少压缩机的能量消耗，在压缩机负荷有可能经常波动的场合，采用调节转速的方法来保证压缩机的负荷满足工艺生产的要求。在不同转速下，压缩机的喘振极限流量是一个变量，它随转速的下降而变小。采用不同喘振点流量作为控制依据，使压缩机在不同转速下运行时，其入口流量均不小于该转速下的喘振点流量，这种方法叫做可变极限流量防喘振控制。该方法主要是运用随动系统，将不同工况下的压缩机喘振曲线经数学模型自动转化成为防喘振控制器的给定值，使压缩机的工作点始终保持在安全操作区域内。这种控制方式不仅安全而且节约能源，是当前运用比较广泛的一种方法。

2 防喘振控制算法

本文介绍的防喘振控制是采用TRICON 系统厂家提供的算法进行逻辑编写，通过采集压缩机入口差压、入口压力、入口温度、出口压力等数据，利用该系统内特有的功能块实现了压缩机的防喘振控制。

2.1 流量计算

根据压缩机厂家提供的孔板流量计规格书，入口温度和入口压力等数据，计算出补偿后的压缩机入口流量值。该循环氢压缩机的入口流量计算公式为：

2.2 压缩机的工况选择

根据工艺流程的需要，系统内将该压缩机的工况分为6 种，分别为：氮气工况、额定工况、SHU 硫化初期/末期工况、HDS 硫化初期/末期工况。在装置的正常运行中，压缩机运行选择额定工况。工况确定后，压缩机工作点横坐标的计算方法、压力比选取点和喘振线选取点（即压缩机的喘振曲线）就确定下来了。

2.3 工作点横坐标的计算

确定选择额定工况后，压缩机工作点的横坐标计算方法就确定了。由上述内容可知，工作点的横坐标与当前压缩机的入口流量有对应关系，可以理解为压缩机入口流量的计算，其计算公式为：

2.4 喘振线和喘振点

压缩机的工况确定后，逻辑内部会利用预先选取的6 个喘振线点在上位画面中自动计算出防喘振曲线，并将6 个喘振线点和6 个压力比代入喘振线计算功能块SRG_LINE 相应的管脚，通过5 部分线性插值算法和压缩机正常运行时的压力比计算出对应的喘振点位置（图3）。

由图3 可知，在计算压力比r1PART_1 时，需要将现场压力测量仪表所检测的压力转换成绝对压力。确定压力比后，喘振线计算功能块会根据线性的关系计算出当前压力比所对应的喘振点位置r1SRG_PT_1（也可理解为当前压力比下的流量极限值）。压缩机工作点横坐标r1Hx_1 与r1SRG_PT_1 的差值r1MARGIN_1（当前安全裕度）即为工作点距离喘振点的裕量（图2 中工作点与喘振线之间的水平距离）。

2.5 喘振线修正

为保障压缩机的安全运行，一般在喘振线右侧的安全区域内会再做一条安全操作线，也称为初始控制线。其的计算方法是在喘振线的基础上加一个安全操作裕度（即初始控制线=喘振线+安全操作裕度）。逻辑中安全操作裕度是通过功能块SAFETY_MAR 计算而来（图4），安全操作裕度=裕度常量（此处为8）+比例安全裕度×喘振点的横坐标。逻辑中比例安全裕度PROP_MAR 设为0，由此可知：初始控制线=喘振线+8，即初始控制线距离喘振线的裕度为8。

图4 喘振线修正计算

若当前裕度r1MARGIN_1≤-1 时，系统认为压缩机发生喘振，此时需要对喘振线进行修正。即当发生喘振时，通过功能块RECAL1_1 产生一个重新校准偏差加到安全操作裕度上，得到整体安全操作裕度r1TOT_SAFETY_1。喘振发生后，上位操作画面中会出现一条黄线（实际控制线），表示压缩机的安全运行区域再度向右偏移。在不进行复位的情况下，压缩机的工作点需要控制在黄线右侧，才能使其安全工作。实际控制线=喘振线+整体安全裕度。

喘振发生时，喘振标记位f1INSUR_1 置为1，重新校准偏差再原有的基础上加2，喘振计数器和重新校准计数各计1；若当前裕度r1MARGIN_1≥1 时，表示喘振恢复。在不进行喘振复位的情况下，喘振计数器最多累计10 次，重新校准偏差最多累加至20。此时压缩机仍然可以运行，只是控制条件变得更加严格而已。

2.6 盘旋点与防喘振控制器

功能块SP_HOVER02 的作用是使防喘振控制器PID_SUG_1的给定值追踪压缩机的当前安全裕度r1MARGIN_1。给定值r1SRG_SP_1=当前裕度-kHOV_INC（此处为5），如果实际裕度小于整体安全裕度，或实际裕度减5 后小于整体安全裕度，则给定值等于整体安全裕度。实际裕度增大，即工作点往右移动，远离喘振线，给定值会立即增加；若当前裕度减小，即工作点往左移动，靠近喘振线，则给定值会根据模块设置的速率缓慢变小，这里速率设为3，速率越小则变化越慢。

防喘振控制器的作用方式为反作用，当实际裕度大于给定值时，防喘振阀关闭。只有在当前裕度小于整体安全裕度（这时给定值为整体安全裕度）以及当前裕度小于给定值的时候，才会打开喘振阀。此外还可以由上位画面对控制器的比例系数及积分时间进行设置，使防喘振控制的效果达到最佳。

2.7 超驰调节与快开功能

在压缩机运行过程中，若当前安全裕度低于整体安全裕度的1%时，功能块DUMP_SOL 的输出f1DUMP_1为1，参与到逻辑运算当中，使喘振电磁阀失电，防喘振阀打开；若当前安全裕度恢复至大于整体安全裕度的值时，功能块输出恢复为0，喘振电磁阀得电。

作为常规PID 喘振控制算法的补充，TRICON 系统的防喘振算法中还有包含喘振超驰调节功能。利用功能块SRG_OVRD_03，对防喘振阀实施及时有效的控制。此功能块将会按操作点移动至作用区内的比例来打开喘振阀。

2.8 防喘振控制高选功能

压缩机在正常运行时有自动、半自动、手动三种模式。不同的模式下，防喘振控制的输出不同。在自动模式下，压缩机防喘振的输出是r1SRG_CON_1（防喘振控制器输出）、r1SRG_OVRD_1（喘振超驰）、r1PROC_OVRD_1（过程超驰）三者之间的最高值；在半自动模式下，压缩机防喘振的输出是以上三者与e1MAN_OVRD_1（手动输出）之间的最高值，半自动模式下，除了自动输出外，还可以由操作人员手动输出防喘振阀的阀位控制信号；在手动模式下，压缩机防喘振的输出等于上位画面的手动输出值。