陳浩然，陳 奎，趙 冬，孟 飛，林 凡

(貴州省赤水市赤天化集團(tuán)正泰化建工程分公司，貴州 赤水 564700)

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離心式壓縮機(jī)防喘振方法的應(yīng)用現(xiàn)狀

陳浩然，陳 奎，趙 冬，孟 飛，林 凡

(貴州省赤水市赤天化集團(tuán)正泰化建工程分公司，貴州 赤水 564700)

喘振問題一直是困擾離心式壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)運(yùn)行的難題。喘振現(xiàn)象會(huì)造成離心式壓縮機(jī)出現(xiàn)周期性的物料倒流或者是由于壓力變化發(fā)生強(qiáng)烈的波動(dòng)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和很大的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)縮短設(shè)備壽命，造成機(jī)組的部件損壞，還可能造成嚴(yán)重的事故。針對(duì)以上問題，就離心式壓縮機(jī)防喘振技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了深入的探討，對(duì)傳統(tǒng)的固定極限流量法和可變極限流量法，以及新型的模糊控制法、壓縮機(jī)串并聯(lián)控制、預(yù)估防喘振控制等進(jìn)行了分析比較。為開發(fā)出更好的防喘振技術(shù)提供借鑒。

離心式壓縮機(jī)；防喘振

喘振是使離心式壓縮機(jī)性能出現(xiàn)反常的一種不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)使整個(gè)壓縮機(jī)管網(wǎng)系統(tǒng)的氣流出現(xiàn)周期性的振蕩現(xiàn)象[1]。喘振不但能使壓縮機(jī)的性能惡化，如氣體壓力、流量及溫度產(chǎn)生大幅度脈動(dòng)，還會(huì)發(fā)生一種呼哧的噪音，并大大加劇整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定性[2]。

當(dāng)離心式壓縮機(jī)入口流量逐漸減小到一定程度時(shí)，整個(gè)壓縮機(jī)擴(kuò)壓器流道內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)失速，其出口壓力會(huì)突然下降，當(dāng)與其對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)壓力高于壓縮機(jī)出口壓力時(shí)，管網(wǎng)的氣流會(huì)倒流回壓縮機(jī)，直到管網(wǎng)的壓力下降到比它的出口壓力低時(shí)，壓縮機(jī)才重新開始向管網(wǎng)排氣，此時(shí)壓縮機(jī)才能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)[1]。如果當(dāng)管網(wǎng)壓力恢復(fù)到正常壓力后，壓縮機(jī)入口流量依然小于產(chǎn)生喘振工況的最小流量，那么壓縮機(jī)擴(kuò)壓器流道內(nèi)將繼續(xù)產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)失速，出口壓力將會(huì)再次下降，管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)的排氣壓力，管網(wǎng)中的氣流就會(huì)再次倒流回壓縮機(jī)。這樣不斷循環(huán)，壓縮機(jī)系統(tǒng)中就產(chǎn)生了一種周期性的氣流振蕩現(xiàn)象[3]。

離心式壓縮機(jī)不允許在出現(xiàn)喘振時(shí)運(yùn)行，因?yàn)檫@樣會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，具體表現(xiàn)在:① 喘振會(huì)使其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和定子一直承受交變應(yīng)力，持續(xù)下去會(huì)使轉(zhuǎn)子和定子發(fā)生斷裂；② 喘振會(huì)使壓縮機(jī)的級(jí)間壓力失常，將會(huì)引起強(qiáng)烈振動(dòng)，從而導(dǎo)致級(jí)間密封以及推力軸承的損壞；③ 喘振會(huì)使轉(zhuǎn)子和定子之間發(fā)生相互碰撞，造成嚴(yán)重的事故[4]。

1 在壓縮機(jī)組中的防喘振技術(shù)

目前，國內(nèi)外采用的控制方案主要有傳統(tǒng)的固定極限流量法、可變極限流量法、壓縮機(jī)串并聯(lián)控制、模糊控制法以及新型的預(yù)估防喘振控制方法等[5-6]。

1.1 固定極限流量法

這種方法首先假設(shè)壓縮機(jī)在最大的轉(zhuǎn)速下發(fā)生喘振的工作點(diǎn)流量為Qp，只要使壓縮機(jī)入口的流量總是大于該臨界流量Qp，就能根據(jù)喘振發(fā)生的原因避免喘振發(fā)生。在實(shí)際操作時(shí)，一般增加一定程度的余量(5%～10%左右)，如圖1所示，那么壓縮機(jī)的流量將一直大于喘振線，從而保證離心壓縮機(jī)不發(fā)生喘振現(xiàn)象[7]。

圖1 固定極限法原理

該方法的優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場使用儀表少。缺點(diǎn)：當(dāng)壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速逐漸降低，也就是處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，因其入口流量很小，會(huì)直接處于喘振的發(fā)生區(qū)，故防喘振控制系統(tǒng)會(huì)過早地投入運(yùn)行，這樣就會(huì)造成回流量增大，能耗損失也較大[8]。所以只有當(dāng)在壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才最有效。

1.2 可變極限流量法

1.2.1 控制方法

在壓縮機(jī)負(fù)荷經(jīng)常波動(dòng)或者需采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的場合時(shí)，可采用可變極限流量法[9]。該方法的優(yōu)點(diǎn)：在每一轉(zhuǎn)速下的喘振流量會(huì)發(fā)生改變[10]，且當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，與固定極限流量法相比，所需回流的氣體量有很大程度的降低，這樣就可以大大節(jié)約能源[11]。當(dāng)離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷發(fā)生變化時(shí)，其喘振點(diǎn)變化軌跡可以歸納為一條二次拋物曲線，直接將這些喘振點(diǎn)連接起來就是喘振線。所以，為防止喘振發(fā)生，可以在各喘振點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加5%～10%的安全限度，這樣就可以直接得到與其平行的防喘振控制線，其作用是控制系統(tǒng)回流閥的開關(guān)，根據(jù)需要變化進(jìn)行快開和慢關(guān)[12]。

這種可變極限流量的控制方案可用在不同轉(zhuǎn)速的情況下，其喘振極限流量是一個(gè)變數(shù)，所以它會(huì)隨轉(zhuǎn)速下降而變小?？稍诖駱O限流量處留有適當(dāng)?shù)陌踩薅龋沟梅来竦目刂破餮刂摯駱O限流量的二次曲線工作，該方法稱為可變極限流量法?？勺儤O限流量的防喘振控制系統(tǒng)主要是依據(jù)模型的計(jì)算設(shè)定值來控制系統(tǒng)[13]。

(1)

式中：Kl代表流量常數(shù)；Pd代表入口的流量對(duì)應(yīng)差壓；Z代表壓縮系數(shù)；R代表氣體常數(shù)；M代表相對(duì)分子質(zhì)量。因此，可以得到喘振模型：

(2)

式中n=M/(ZR)[14]。若壓縮介質(zhì)確定后，則n是常數(shù)；如果節(jié)流裝置確定后Kl確定，則a和b都是與壓縮機(jī)相關(guān)的系數(shù)，變量就會(huì)更少。

實(shí)施該方案時(shí)需注意5點(diǎn)：① 因?yàn)榭勺儤O限流量防喘振控制的整個(gè)系統(tǒng)是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，為了在發(fā)生喘振時(shí)能及時(shí)打開旁路閥，控制閥流量特性需要采用線性特性或者是快開特性，且控制閥比例度最好能夠適當(dāng)選擇較小的。若采用其他方法，則會(huì)出現(xiàn)一些問題。例如采用積分控制時(shí)，現(xiàn)實(shí)條件下控制器的偏差長期存在，需要考慮積分飽和的問題。② 當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，為了使防喘振控制系統(tǒng)能及時(shí)運(yùn)作，所采用的氣動(dòng)儀表需要考慮縮短信號(hào)傳輸管線，必要時(shí)可以設(shè)置繼動(dòng)器或放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)放大。③ 防喘振控制系統(tǒng)中的控制閥兩端需存在較高的壓力差，開啟時(shí)候會(huì)造成噪聲和汽蝕，因此為了防止以上現(xiàn)象，需要選用具有特殊作用的控制閥。④ 該控制方案中有多種實(shí)施方案，例如可以將[n/(bK12)][(P2/P1)-a]作為設(shè)定值，將Pd/P1作為測量值，或者是將n/bK12作為設(shè)定值，Pd/(P2-aP1)作為測量值。一般情況下需要將計(jì)算環(huán)節(jié)設(shè)置在控制回路外，可以避免非線性特性的影響。⑤ 通常情況下可以根據(jù)離心式壓縮機(jī)的特性簡化計(jì)算[16]。例如，有些離心式壓縮機(jī)的a=0或a=1，這時(shí)模型就可以簡化為：

(3)

(4)

綜上可知：可變極限流量防喘振控制方案設(shè)計(jì)是相對(duì)比較復(fù)雜的，由于使用的儀表較多，適用于轉(zhuǎn)速變化較頻繁的場合，而且具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 可變極限流量法的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 離心式壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的防喘振控制

在工業(yè)生產(chǎn)中，往往一臺(tái)壓縮機(jī)的出口壓力滿足不了生產(chǎn)要求，這樣就需要2臺(tái)或者2臺(tái)以上的壓縮機(jī)進(jìn)行串聯(lián)來滿足要求。圖3為離心壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)采用的可變極限流量的防喘振控制方案。

圖3 離心式壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行的防喘振控制方案

圖3中:P1T，P2T和P3T是壓力變送器；PY4，PY5是乘法器；PY1，PY2是加法器；PY3是低選器；Pd1T，Pd2T是測量流量所用的差壓變送器；F1C，F(xiàn)2C是防喘振的控制器。該方案的主要特點(diǎn)與單臺(tái)壓縮機(jī)的防喘振控制相同，對(duì)兩臺(tái)壓縮機(jī)采用一樣的可變極限流量的防喘振控制，可將計(jì)算的設(shè)定值送到防喘振控制器的一端。為了減少旁路閥的數(shù)量，可以增加一臺(tái)低選器。如果其中任何一臺(tái)壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，都可以通過這個(gè)低選器使旁路閥打開，從而達(dá)到后續(xù)的要求。相應(yīng)的防喘振控制器選用正作用，旁路閥選用氣關(guān)型[17]。

綜合以上分析，多臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)雖然能達(dá)到生產(chǎn)要求所需要的出口壓力，但此方案只適用于低壓力的壓縮機(jī)。如果考慮到機(jī)體的強(qiáng)度，對(duì)高壓力的壓縮機(jī)就不宜采用這種方案。同時(shí)，使用該方案時(shí)，為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，要求后級(jí)壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況一定要大于前級(jí)的穩(wěn)定工況[18]。

1.2.3 離心式壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的防喘振控制

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)一臺(tái)壓縮機(jī)的出口壓力滿足不了生產(chǎn)要求，從而需要2臺(tái)或者2臺(tái)以上的壓縮機(jī)并聯(lián)來達(dá)到進(jìn)氣量的工藝要求[19]。然而，有時(shí)并聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)特性不一致，會(huì)影響到負(fù)荷的分配，關(guān)鍵是還會(huì)影響防喘振控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前，在離心式壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，防喘振控制主要采用前面所提到的低選器以及相應(yīng)的選擇開關(guān)，這樣在整個(gè)控制過程中只用一個(gè)防喘振的旁路控制閥就可達(dá)到要求，如圖4所示。

圖4 壓縮機(jī)并聯(lián)時(shí)的防喘振控制方案

圖4中:PY1，PY2，PY3分別為加法器、乘法器和低選器；Pd1T，Pd2T為壓縮機(jī)入口流量測量用的差壓變送器；P1T，P2T為入口壓力變送器和出口的壓力變送器；FC為防喘振控制器；HS為手動(dòng)開關(guān)。當(dāng)開關(guān)切換到A處時(shí)，組成壓縮機(jī)稱為“1”的防喘振控制系統(tǒng)；當(dāng)開關(guān)切換到B處時(shí)，組成壓縮機(jī)稱為“2”的防喘振控制系統(tǒng)；當(dāng)開關(guān)切換到C處時(shí)，由圖中可以看出防喘振控制器所需測量的信號(hào)是2個(gè)壓縮機(jī)入口流量中較小的值，也就是圖中低選器的輸出[20]?？刂频脑O(shè)定值的計(jì)算通過加法器和乘法器來實(shí)現(xiàn)的。

值得注意的是：當(dāng)采用2臺(tái)以上的壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，要求每個(gè)壓縮機(jī)的特性一致；為了滿足并聯(lián)的獨(dú)立工作特性以及使每臺(tái)壓縮機(jī)能獨(dú)立啟動(dòng)，需要單獨(dú)設(shè)置各自的手動(dòng)旁路閥。

綜上所述，雖然離心式壓縮機(jī)可以并聯(lián)運(yùn)行也可以串聯(lián)運(yùn)行，但這會(huì)使運(yùn)行操作更加復(fù)雜，從而增加能耗。所以，一般情況下只有當(dāng)壓力或者是流量無法滿足工藝要求時(shí)才采用這種控制方案。

1.3 模糊控制法

由于實(shí)際工業(yè)過程控制系統(tǒng)中往往存在很多的非線性、不確定、時(shí)變影響無規(guī)律的因素[21]，會(huì)導(dǎo)致PID控制器的參數(shù)設(shè)定非常困難，且控制效果不是很理想，有時(shí)甚至達(dá)不到控制的最低要求，因此還需要對(duì)以上控制方法做進(jìn)一步修訂。由于現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在防喘振系統(tǒng)中出現(xiàn)了很多新的控制理論，模糊控制就是其中較熱門且研究成果較豐碩的控制理論之一[22-23]。相比之下，模糊控制的優(yōu)點(diǎn)主要是無需對(duì)控制對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型，主要根據(jù)人工控制的規(guī)則來組織其決策表，再根據(jù)該控制表最終決定控制量的大小[24]。模糊控制對(duì)于存在隨機(jī)干擾、滯后、部分參數(shù)未知的工業(yè)控制過程等具有較好的控制效果[25]。

模糊控制的關(guān)鍵是構(gòu)造模糊控制器，主要是由4部分組成：模糊化、模糊推理控制、知識(shí)庫和清晰化[26-27]。研究最多的是模糊PID控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用二維結(jié)構(gòu)，對(duì)偏差和偏差的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行模糊化，再由所形成的模糊參數(shù)整定器生成PID的控制參數(shù)。當(dāng)偏差較小時(shí)，進(jìn)行常規(guī)的PID控制；當(dāng)偏差較大時(shí)，自動(dòng)切換到模糊PID控制[28]。模糊控制器的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外有很多學(xué)者都在研究這項(xiàng)技術(shù)，并且取得了一些較大突破。一般的方法是將入口的流量以及它的偏差作為二維模糊控制器輸入，再通過模糊控制器的運(yùn)算生成控制規(guī)則，進(jìn)而控制防喘振系統(tǒng)控制閥的開度。但是模糊控制法的主要技術(shù)還不是很成熟，整體而言還沒有工業(yè)上所要求的成熟可靠的模糊PID控制器。化工行業(yè)對(duì)控制的安全性要求較高，因此壓縮機(jī)防喘振模糊PID控制目前還沒有大規(guī)模投入壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中[29]。

1.4 防喘振的新型控制方案

2 結(jié)束語

由于在現(xiàn)代石油、化工、冶金等很多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，大多都是將管道中的物料流和能量流連在一起，以完成各種各樣的物理化學(xué)反應(yīng)、分離及吸收等過程[31]。為了強(qiáng)化生產(chǎn)，流體常常連續(xù)傳送，以便連續(xù)生產(chǎn)。壓縮機(jī)是生產(chǎn)過程中十分重要的氣體輸送設(shè)備[32]，而喘振又是壓縮機(jī)的固有特性，所以必須對(duì)防喘振技術(shù)進(jìn)行研究，在已有的技術(shù)上進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)壓縮機(jī)出廠參數(shù)(流量、壓力等)確定設(shè)計(jì)工況下特性曲線和防喘振特性曲線[33-34]。應(yīng)通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，測取實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)情況考慮更多的影響參數(shù)，從而得出壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)最佳工作范圍。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Application Status of Surge Methods of Centrifugal Compressor

CHEN Hao-ran, CHEN Kui, ZHAO Dong, MENG Fei, LIN Fan

(Chishui Chint Building Engineering Branch of Chitianhua Group in Guizhou Province, Chishui 564700, China)

Surge problem has always been the problems in compressors’ achieve safety, economy and running smoothly. Surge phenomenon can make the compressor be of a cyclical material back or strong fluctuation pressure, at the same time produce heat stress and the vibration of large, and it may affect the service life of equipment, damage the unit parts, and also can cause serious accidents when it is serious. In this paper, the surge technology the application was carried on thorough the discussion about compressor, the traditional fixed limit flow method and the variable limit flow method. A new type of fuzzy control, the control of series parallel compressor, forecast control method were analyzed and compared. For the better development the surge technology, we provided a powerful model based on the research of the current technology.

centrifugal compressor; anti-surge

2014-11-18 基金項(xiàng)目：重慶市科委基金資助項(xiàng)目 (0211002432057)

陳浩然(1981—)，男，助理工程師，主要從事壓縮機(jī)防喘振技術(shù)研究。

陳浩然，陳奎，趙冬，等.離心式壓縮機(jī)防喘振方法的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(3):42-47.

format：CHEN Hao-ran, CHEN Kui, ZHAO Dong, et al.Application Status of Surge Methods of Centrifugal Compressor [J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):42-47.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.009

TH13.2+5

A

1674-8425(2015)03-0042-06