离心式压缩机组防喘振控制及应用

离心式压缩机组防喘振控制及应用

丁捍道 1 刘永东 2

1中国石油天然气第一建设工程有限公司 河南洛阳 471000 2 中国石油天然气第七建设工程有限公司 山东青岛 266300

摘要：本文以揭阳石化空压站压缩机为例阐述了离心式压缩机喘振控制原理、操作点算法、防喘振控制功能及防喘振系统的调试与应用，对今后进行机组调试有着借鉴意义。

关键字：防喘振控制 ． 操作点 ． 性能曲线．

压缩机是石油化工装置的核心设备，其安全平稳运行对安全生产起着至关重要的作用,防止喘振是压缩机运行中极其重要的问题，许多事实证明，压缩机的大量事故都与喘振有关。

－:喘振发生的条件:

①压缩机特性决定了转速一定的条件下，流量对应于出口压力或升压比，并且在一定的转速下存在一个喘振流量。当压缩机运行中实际流量低于这个喘振流量时压缩机便发生喘振。这些流量、出口压力、转速和喘振流量的综合关系构成压缩机的特性线，也叫性能曲线。在一定转速下使流量大于喘振流量就不会发生喘振。②如果压缩机与系统管网联合运行，当系统压力大大高出压缩机在该转速下运行对应的极限压力时，系统内高压气体便在压缩机出口形成很高的“背压”，使压缩机出口阻塞，流量减少，甚至管网气体倒流；入口气源减少或切断，压缩机都可能发生喘振。③机械部件损坏或者部件安装不全，安装位置不准或者脱落，会形成各级之间或各段之间串气，可能引起喘振；过滤器阻力太大，逆止阀失效或破坏，也都会引起喘振。④实际操作中升速升压过快，降速之前未首先降压可能导致喘振。升速、升压要缓慢均匀，降速之前应先采取卸压措施，⑤工况改变，运行点落入喘振区。如改变转速、流量、压力之前，未查看特性曲线，使压缩机运行点落入喘振区。⑥正常运行时，防喘系统未投自动。当外界因素变化时，如蒸汽压力下降或汽量波动；汽轮机转速下降而防喘系统来不及手动调节；或来气中断等；由于未用自动防喘装置可能造成喘振。⑦介质状态变化。因为气体的状态影响流量，从而也影响喘振流量，当然影响喘振，比如进气温度、压力、气体成分即分子量等对喘振都有影响。

二、压缩机防喘振控制性能曲线：

压缩机防喘振性能曲线（如图1）。图中描绘了压缩机的操作极限（即喘振控制线），喘振线（即喘振区）和喘振裕度。每台压缩机经过重新装配或解体检修后，机器性能会有所变化。根据厂家提供的机器性能曲线需要对SCL、 SLL、喘振安全裕度进行重新校验。压缩机在不同转速(n1＜n2 ＜n3)其特性曲线都有一最高点（即喘振临界点），将各曲线的最高点连在一起便形成一条喘振线，为了保证压缩机发挥其最高效率，要求其最高点离喘振线有一定的裕度，此裕度一般为喘振点的5%--20%左右。（Surge Control Line）与压缩机喘振线（Surge Limit Line）之间设定有一条喘振加强控制线（Boost），即喘振线的3%—5%。当操作点越过SCL左侧向SLL线迅速逼近到达Boost临界控制线， Boost加强调节功能激活，压缩机操作点能够被快速控制并恢复，使控制系统平稳而快速地过渡到新的平衡状态。

特性响应曲线 图1

SCL—防喘振控制线 SLL—喘振线 Boost— 加强控制线

二、防喘振控方法：

防喘振控制方法有固定极限流量法和可变极限流量法两种。（1）固定极限流量法：在机组低转速运行时，效率较低，一般不采用。（2）可变极限流量法控制：即喘振发生或即将发生时，通过控制压缩机工艺介质的回流量从而改变入口流量，使工艺控制过程达到新的动态平衡。不同的工况防喘振控制线是不同的，压缩机组的操作点最终是控制在防喘振控制线上，以提高压缩机的功效。该控制器主要由开环控制：比例加强控制、喘振检测和闭环：防喘振PID控制、速率(斜坡)PID控制等功能块的输出引入一个高值选择器组成（如图2）。防喘振控制的难点是喘振线、防喘振控制线的精确定位把压缩机的操作点始终控制在防喘振控制线上，使机组运行达到最大功效，又不发生喘振。（1）首先确定操作点控制算法，根据压缩机入口体积流量、压力（绝压）、温度以及出口压力，温度等工艺介参数，利用防喘振控制器功能块进行运算，通过对操作点的计算，确定压缩机喘振临界操作点；（2）引用控制变量进一步计算出实际操作点与喘振控制线的比值，判断操作点的位置和移动速率，通过输入／输出与各功能块连接和相互作用，输出控制信号去调节防喘振控制阀，构成一套完整的防喘振控制系统。

高值选择器

加强功能块

加强控制线

（％）

预置功能块

喘振检测

喘振恢复

增益补偿

防喘振控制线

（％）

防喘振控制

PID

速率控制

PID

设定点调整

操作点移动速率判断（δ/δ_t）

防喘振控制器 图2

Q_a²

—

H_P

三、防喘振控制程序调试及应用

1、逻辑联锁调试：针对仪表自控专业与其它专业之间衔接以及仪表设备之间的相互兼容问题，设计环节是关键。仪表调试人员就是最后的对接者和把关人。调试前应对包括比例积分、喘振计数调整、喘振裕度复位、自动/半自动/手动模式切换、逻辑判断、防喘振控制性能曲线、防喘振控制阀等七项参数需要逐项进行确认。首先在调试过程中，每一环节、每一步骤必须认真执行、做到逻辑判断与输出继电器、防喘振控制阀连接组成逻辑联锁回路。逻辑判断应设计成“与”逻辑，“0”触发，“1”为正常状态；输出继电器和电磁阀设计成“事故安全型”接线方式；防喘振控制阀选用信号切断时，必须在2秒之内快速全开（FO），且在气源切断后，具有阀位保位功能。调试时一定要把整个逻辑联锁回路连起来进行。

四、防喘振控制性能曲线校验及应用

调试过程中必须对防喘振控制性能曲线进行均匀5点以上模拟校验，任何一个工艺参数出现误差，压缩机组都会发生喘振而停车。为

H_P

H_P

了便于分析联锁停车事件，以图5表达式做如下操作点运行趋势分析简图。当出口流量差压实际测量值为3KP_a时，假设出口压力为0.8MP_a，参与操作点计算的就是0.8KP_a和0.8MP_a数值，那么操作画面上防喘振控制性能曲线上显示的操作点就是B，是个虚假点，而实际操作点在A点，不会显示在操作画面上。由于B点离SCL右侧较远，为了使压缩机组达到最佳工况操作点，操作工或防喘振自动控制程序会根据B点去调节防喘振阀，使操作点B向左移动，同时实际操作点A也向左移动。当B点移动到D点时，点A则到达C点，正好在压缩机组喘振线上，从而引起机组喘振联锁停车。

P_d(MP_a)

SLL（喘振线）

1.0

SCL（防喘振控制线）

0.8

A

D

B

C

0.6

0.4

0.2

(KP_a)

4

2

8

6

10

0 h_s

图4

另外，在防喘振阀单体校验时，阀门开和关速度正常一致，联校时阀门匀速关阀却很慢，许多仪表调试人员对此感到困惑不解。防喘振控制性能曲线是压缩机组操作点移动的控制轨迹，也就是操作点慢慢调节的过程，主要由防喘振PID和速率PID实现，PID根据操作点移动的方向和速率去控制防喘振阀开和关的速度，尤其对关阀速度进行特殊限制，从而实现防喘振阀快开慢关功能。当操作点离开SCL向左侧偏离，防喘振阀执行快开调节过程；当操作点离开SCL向右侧偏离，防喘振阀执行慢关调节过程。 在升压和变速时，要强调“升压必先升速，降速必先降压”的原则。

五、总结

防喘振控制技术是压缩机控制技术的核心.控制系统和控制程序复杂，控制理论专业性很强，涉及的面广。不同的压缩机有不同的机械性能曲线，即使同一台压缩机，在经过解体检修后，它的机械特性会改变。因此压缩机的性能曲线的校验和正常操作点的确定必须在现场设备安装结束具备条件后实际在线测试.通过本文的论述，对压缩机防喘振控制原理及应用有更深一步的认识,对压缩机的运行操作有可靠的理论依据和实践经验，有效促进和完善控制策略，提高压缩机防喘振控制实战调试水平和控制精度，并保障压缩机高效、长周期安全运行。

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