陳正忠

（開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，河南 開封 475000）

基于20000m3/h空分增壓透平膨脹機(jī)防喘振設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳正忠

（開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，河南 開封 475000）

本文以20000m3/h空分設(shè)備為背景，介紹了增壓透平膨脹機(jī)產(chǎn)生喘振的原因，描述了ACD增壓透平膨脹機(jī)壓差與流量雙變量防喘振控制方案。詳細(xì)介紹了防喘振曲線的制作過(guò)程，以及防喘振邏輯在DCS上的組態(tài)。

增壓透平膨脹機(jī)；防喘振控制；壓差

青海鹽湖集團(tuán)二期化工項(xiàng)目配建1套20000Nm3/h空分設(shè)備，采用分子篩吸附預(yù)凈化、空氣增壓透平膨脹機(jī)提供裝置冷量、雙塔精餾、無(wú)氫制氬、液氧泵內(nèi)壓縮流程，控制系統(tǒng)采用Honeywell Experion PKS系統(tǒng)，由開封空分集團(tuán)有限公司成套供貨。增壓透平膨脹機(jī)采用美國(guó)ACD公司和開封空分集團(tuán)的產(chǎn)品，一用一備。在調(diào)試出氧階段由于進(jìn)口膨脹機(jī)資料中沒(méi)有防喘振制作的資料所以需要現(xiàn)場(chǎng)制作防喘振控制。

1　喘振產(chǎn)生的原因

當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中流量太小，出口壓力太高時(shí)，流動(dòng)就成為不穩(wěn)定狀態(tài)。流量小，所以流動(dòng)速度就低，氣體前進(jìn)的動(dòng)力就小；出口壓力高，氣體前進(jìn)的阻力就大；再由于軸向渦流的存在，這樣就會(huì)出現(xiàn)氣體瞬間的倒流（或局部倒流）現(xiàn)象。出現(xiàn)倒流之后，就會(huì)減輕出口壓力，壓縮機(jī)便恢復(fù)了正流方向的流動(dòng)。但是如果不設(shè)法增加流量需求，又要重復(fù)上述過(guò)程，再次發(fā)生倒流，再次恢復(fù)正流，如此反復(fù)進(jìn)行。壓縮機(jī)的這種不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)就稱為“喘振”。由于正流和反流交替發(fā)生，狀態(tài)劇烈變化，對(duì)機(jī)器（特別是對(duì)葉輪）產(chǎn)生沖擊，因此壓縮機(jī)發(fā)出強(qiáng)烈的聲音和振動(dòng)。

圖1　

增壓器需要最低體積流量，以便在穩(wěn)定的范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)體積流量低于規(guī)定的最低體積流量時(shí)，增壓機(jī)將喘振，其機(jī)械部件承受的應(yīng)力過(guò)大，因此應(yīng)加以避免。為了能在穩(wěn)定的范圍內(nèi)運(yùn)行增壓器，透平膨脹機(jī)組的增壓側(cè)裝備了回流閥，用于補(bǔ)償當(dāng)前流量與最低體積流量之間的差值。回流閥的開度由防喘振控制器控制。穩(wěn)定與非穩(wěn)定運(yùn)行之間的分界線被稱為喘振線。其線路取決于各種因素（如溫度、壓力等）。必須在喘振線與喘振控制線之間確定一個(gè)安全的限度，以確定穩(wěn)定的控制特性。安全區(qū)域在喘振線的右下側(cè)如下圖1。

2　喘振曲線的制作

一般制造商會(huì)隨機(jī)器出廠提供壓縮機(jī)的性能曲線圖，性能曲線可以是由該樣機(jī)試驗(yàn)得出的，也可以是同類樣機(jī)的試驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出換算方法而計(jì)算出來(lái)的，通常是用壓比與流量的關(guān)系來(lái)表示的，壓比為縱坐標(biāo)，流量為橫坐標(biāo)。在一定的轉(zhuǎn)速下有一條性能曲線，通常流量減小壓比增加，流量小到某一值時(shí)便會(huì)發(fā)生喘振，這一點(diǎn)稱為喘振點(diǎn)。如果機(jī)器轉(zhuǎn)速是可變的，對(duì)于不同的轉(zhuǎn)速就有不同的喘振點(diǎn)，將這些點(diǎn)連起來(lái)為一條曲線就稱為喘振曲線。喘振線將性能曲線圖劃分成安全區(qū)和喘振區(qū)，喘振線的右下方為安全區(qū)，左上方為喘振區(qū)。ACD膨脹機(jī)中的壓縮機(jī)就屬于這種情況［1］。

ACD采用MOORE提出的防喘振方法，也是許多壓縮機(jī)防喘振實(shí)際采用的方法，就是用進(jìn)出口壓差（用DP表示）—流量壓差（用DP2表示）圖來(lái)代替壓比—流量圖并且提供了喘振曲線上DP與DP2的對(duì)應(yīng)數(shù)值。用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只要測(cè)量出運(yùn)行時(shí)的兩個(gè)壓差即可，這時(shí)喘振線上各點(diǎn)的DP與DP2接近線性關(guān)系，并且不受壓縮機(jī)進(jìn)口條件如壓力，溫度和氣體組分的影響，顯然是十分方便的。喘振線上DP2的每一點(diǎn)代表不同的轉(zhuǎn)速，進(jìn)口導(dǎo)葉位置或進(jìn)口壓力。

在DCS屏幕上制作一個(gè)DP—DP2的坐標(biāo)圖，圖上畫出喘振曲線，利用運(yùn)行時(shí)測(cè)量的兩個(gè)壓差標(biāo)出工作點(diǎn)位置，這樣可以直觀地看出工作點(diǎn)離喘振線有多遠(yuǎn)，以便于實(shí)際操作，在避免喘振的同時(shí)有效的提高了膨脹機(jī)的工作效率。

根據(jù)說(shuō)明書提供的兩組壓差的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（可以是壓差數(shù)據(jù)，也可以是百分比數(shù)據(jù)）在坐標(biāo)圖上可以得到若干點(diǎn)（這些點(diǎn)近似于一條直線，但不要作成直線，誤差較大），用數(shù)學(xué)處理方法（例如樣條函數(shù)）通過(guò)這些點(diǎn)連成一條曲線（如有困難，連成一條折線也可）而得到表示兩者關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式提供給DCS組態(tài)人員。這樣，只要知道DP，便可算出喘振線上的對(duì)應(yīng)DP2。

將喘振流量安全值設(shè)置為喘振流量值的1.1倍。就是說(shuō)，當(dāng)流量下降到喘振流量的1.1以下時(shí)，回流閥（也稱防喘振閥）會(huì)自動(dòng)打開使壓縮機(jī)流量增大，避免喘振。但是我們用的是壓差而不是流量。因?yàn)閴翰钆c流量的平方成正比，所以喘振壓差安全值應(yīng)該是喘振壓差的1.21倍。

在避免喘振的同時(shí)，我們更不希望壓縮機(jī)的運(yùn)行工況突然產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)。在正常工作時(shí)，回流閥應(yīng)該是全關(guān)的。如果DP2下降到喘振值的1.21時(shí)將回流閥突然全開，壓縮機(jī)突然受到?jīng)_擊，容易損傷機(jī)器；而且一旦轉(zhuǎn)速落到共振區(qū)，會(huì)造成操作上的慌亂；另外，工況遭到大幅度破壞以后，想要恢復(fù)也比較費(fèi)力。因此對(duì)于回流閥的動(dòng)作在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定一個(gè)緩沖區(qū)，例如設(shè)置成喘振壓差值的1.15～1.25。這樣，喘振曲線就有3條曲線。一條是喘振線；一條是在喘振線的基礎(chǔ)上將DP2乘以1.15得到的喘振保護(hù)線；另一條是在喘振線的基礎(chǔ)上將DP2乘以1.25得到的喘振動(dòng)作線。

圖2　壓差與流量對(duì)應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)

根據(jù)給定的一組參數(shù)及上面的計(jì)算方法可以得到三條線段，分別是喘振線、防喘振保護(hù)線以及動(dòng)作線。在

DCS畫面上取一個(gè)基點(diǎn)作為原點(diǎn)，橫坐標(biāo)為DP2，縱坐標(biāo)為DP，這樣就會(huì)得到一個(gè)矩形區(qū)域，在此矩形坐標(biāo)框中繪制三條線，分別是喘振線、防喘振保護(hù)線、動(dòng)作線。繪制出的坐標(biāo)圖如下圖3。

圖3　流量壓差坐標(biāo)圖

3　防喘振控制邏輯

由繪制出的三條線可以得到動(dòng)作線的斜率W0和防喘振保護(hù)線的斜率W1。膨脹機(jī)投入運(yùn)行時(shí)，控制器實(shí)時(shí)采集動(dòng)坐標(biāo)的數(shù)值PV制與設(shè)定值W0做比較PV＜W0，回流閥處于手動(dòng)控制狀態(tài)；PV≧W0，回流閥處于程序控制狀態(tài)，每秒回流閥打開1%；隨著PV值的繼續(xù)增大，同時(shí)動(dòng)坐標(biāo)向防喘振保護(hù)線移動(dòng)；動(dòng)坐標(biāo)移動(dòng)到防喘振保護(hù)線，即PV=W1時(shí)電磁閥失電回流閥全開。這樣就能防止增壓透平膨脹機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)而發(fā)生喘振。

防喘振控制邏輯如上。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試發(fā)現(xiàn)該喘振的方案和方法都是可靠的。后期該空分裝置運(yùn)行正常且產(chǎn)品都達(dá)到了設(shè)計(jì)值進(jìn)一步說(shuō)明該防喘振方案的正確性。

圖4　防喘振控制邏輯

4　結(jié)語(yǔ)

增壓透平膨脹機(jī)在一定的進(jìn)口壓力、轉(zhuǎn)速和閥門的開度下，當(dāng)出口壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，機(jī)器會(huì)發(fā)生喘振。發(fā)生喘振時(shí)其機(jī)械部件承受的壓力過(guò)大，對(duì)葉輪有很大的傷害，該防喘振控制方法能有效的避免增壓透平膨脹機(jī)的喘振，同時(shí)也防止了喘振對(duì)工況的影響，更好的保護(hù)了機(jī)器。

［1］鐘連山.引進(jìn)增壓透平膨脹機(jī)的運(yùn)行維護(hù)［J］.深冷技術(shù)，2011（6）：32-35.

Anti-surgeDesign and Application of Boosted TurbineExpander Based on the20000m3/h Air Separation

Chen Zhengzhong
（Kaifeng Air Separation Group Design and Research Institute，Kaifeng Henan 475000）

This paper takes 20000m3/h air separation equipment as the background，introduces the causes of surge in boosted turbine expander，and describes the ACD boosted turbine expander differential pressure and flow bivariate anti-surge control scheme.The paper introduces the making process of the anti-surge curve，as well as the configuration of anti-surge logic on DCS in detail.

boosted turbine expander；anti-surge control；differential pressure

TQ116.11

A

1003-5168（2015）12-0036-3

2015-12-1

陳正忠（1985.10-）男，本科，助理工程師，研究方向：儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。