余世玲

（北京溫菲爾德石油技術(shù)開發(fā)有限公司 基建處，北京100016）

1 概述

對于固定轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)（簡稱壓縮機(jī)）流量、壓力關(guān)系見圖1。當(dāng)流量降至Q1，操作點(diǎn)移至S1，壓縮機(jī)發(fā)生喘振工況，葉輪和擴(kuò)散器開始出現(xiàn)倒流，出口壓力降低，噪音和振動(dòng)發(fā)生，壓縮機(jī)失去維持穩(wěn)定操作的能力。嚴(yán)重的喘振可能導(dǎo)致壓縮機(jī)機(jī)械密封、軸承及葉輪的損壞，造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。對于離心式壓縮機(jī)，啟動(dòng)、停車、以及入口介質(zhì)的壓力、溫度、比熱、摩爾質(zhì)量和壓縮系數(shù)等任何參數(shù)發(fā)生變化，都可能使壓縮機(jī)操作點(diǎn)到達(dá)S1，引起壓縮機(jī)的喘振。在喘振系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常通過設(shè)定喘振控制點(diǎn)S2（圖1）和喘振實(shí)際發(fā)生點(diǎn)之間的安全余量來為喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供反應(yīng)、調(diào)節(jié)時(shí)間。

圖1 離心壓縮機(jī)的性能曲線

通過打開喘振控制回流閥，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口流量，避免壓縮機(jī)因流量太小使操作點(diǎn)到達(dá)S1，因喘振工況對壓縮機(jī)造成損壞。

2 壓縮機(jī)的喘振控制工藝流程

喘振控制的工藝流程通常有熱氣、冷氣循環(huán)流程以及冷氣加熱氣旁通循環(huán)流程。

2.1 熱氣循環(huán)流程

圖2為熱氣循環(huán)流程。熱氣循環(huán)流程是指當(dāng)壓縮機(jī)的操作點(diǎn)達(dá)到S2時(shí)，為防止壓縮機(jī)操作點(diǎn)接近或達(dá)到S1（圖1），從壓縮機(jī)出口止回閥的上游（盡可能靠近壓縮機(jī)出口）將壓縮機(jī)出口氣體通過喘振控制調(diào)節(jié)閥循環(huán)到壓縮機(jī)入口，增大壓縮機(jī)流量以避免喘振工況的發(fā)生。熱氣循環(huán)流程中出口管道的體積較小，有利于提高壓縮機(jī)喘振系統(tǒng)的反應(yīng)速度；較小的出口管道系統(tǒng)體積有利于快速降低出口管道系統(tǒng)的壓力，在壓縮機(jī)緊急停車時(shí)，有利于控制喘振。但其系統(tǒng)容積較小，壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中容易由于壓縮機(jī)出口氣體過熱而引起壓縮機(jī)喘振。

圖2 熱氣循環(huán)流程

2.2 冷氣循環(huán)流程

圖3為冷氣循環(huán)流程。冷氣循環(huán)流程是指當(dāng)通過壓縮機(jī)的操作點(diǎn)達(dá)到S2時(shí)，為防止壓縮機(jī)操作點(diǎn)接近或達(dá)到S1，從壓縮機(jī)出口冷卻器或分離罐的下游將壓縮機(jī)出口氣體通過喘振控制調(diào)節(jié)閥循環(huán)到壓縮機(jī)入口，增大壓縮機(jī)流量以避免喘振工況的發(fā)生。相對于熱氣循環(huán)系統(tǒng)，冷氣循環(huán)系統(tǒng)流程使壓縮機(jī)出口管道系統(tǒng)有較大的容積，由于較大的管路系統(tǒng)體積，系統(tǒng)各參數(shù)的變化相對較慢（主要為壓力、溫度參數(shù)），喘振系統(tǒng)獲得變化的工藝信號(hào)的時(shí)間相對較長，在一定程度上降低了壓縮機(jī)喘振系統(tǒng)的反應(yīng)速度，不利于在壓縮機(jī)緊急停車時(shí)喘振的控制。但在壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中，在一定程度上延長了啟動(dòng)時(shí)的循環(huán)時(shí)間，降低了對壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的限制要求。

圖3 冷氣循環(huán)流程

2.3 熱氣旁通循環(huán)流程

圖4為熱氣旁通循環(huán)流程。熱氣旁通回路是指系統(tǒng)中考慮了熱氣循環(huán)的同時(shí)也考慮了冷氣循環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)以熱氣循環(huán)為主，冷氣循環(huán)為輔的一種氣體循環(huán)調(diào)節(jié)模式。熱氣旁通流程在一定程度上兼顧了冷氣和熱氣循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，克服了熱氣循環(huán)和冷氣循環(huán)系統(tǒng)的不足。在熱氣旁通循環(huán)系統(tǒng)中，冷氣回路的閥門推薦選用調(diào)節(jié)型，而熱氣回路的閥門推薦選用快開型，冷氣調(diào)節(jié)閥推薦獨(dú)立于熱氣調(diào)節(jié)閥的計(jì)算口徑。

圖4 熱氣旁通循環(huán)流程

3 壓縮機(jī)的喘振控制工況

壓縮機(jī)喘振控制工況通?？煞譃閱?dòng)工況（發(fā)生在壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中）、正常工藝操作工況和緊急停車工況。

3.1 啟動(dòng)工況

在壓縮機(jī)啟動(dòng)的過程中，出口閥門關(guān)閉，氣體在出口截?cái)嚅y和入口截?cái)嚅y之間循環(huán)。直至喘振控制調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，壓縮機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，出口閥門開啟，上游系統(tǒng)開始持續(xù)進(jìn)氣，壓縮機(jī)進(jìn)入正常操作狀態(tài)。在壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中，由于整個(gè)系統(tǒng)處于密閉循環(huán)狀態(tài)，所有功率消耗大部分用于加熱系統(tǒng)內(nèi)的氣體，出口氣體過熱引起壓縮機(jī)的喘振是在啟動(dòng)過程中存在的關(guān)鍵問題。

解決壓縮機(jī)出口氣體過熱通常有3種方法：減少啟動(dòng)時(shí)間以減少氣體的循環(huán)時(shí)間、增大循環(huán)回路中氣體的體積、增加冷卻氣體循環(huán)量。

針對解決出口氣體過熱問題的幾種方法和各種控制流程的優(yōu)缺點(diǎn)，對于小功率壓縮機(jī)，由于其啟動(dòng)時(shí)間要求較短，熱氣循環(huán)工藝流程是較合理的選擇。對于大功率壓縮機(jī)的啟動(dòng)工況，由于啟動(dòng)時(shí)間較長，需要較長時(shí)間密閉循環(huán)氣體以使壓縮機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，為避免在循環(huán)過程中由于出口氣體過熱而引起壓縮機(jī)喘振，進(jìn)而造成停車，冷氣循環(huán)系統(tǒng)是較合理的選擇。

3.2 正常工藝操作工況

正常工藝操作和緊急停車的控制與啟動(dòng)有比較明顯的區(qū)別，正常工藝操作情況下，壓縮機(jī)的喘振主要是由于壓縮機(jī)入口介質(zhì)的組分、流量、壓力等工藝參數(shù)發(fā)生變化引起的，壓縮機(jī)的喘振曲線決定了喘振系統(tǒng)的工作性能。如果喘振曲線較平，說明該喘振系統(tǒng)對揚(yáng)程的變化很敏感；較陡的喘振曲線說明該喘振控制系統(tǒng)對流量變化較敏感。在正常工藝控制過程中，壓縮機(jī)的喘振系統(tǒng)控制應(yīng)該滿足壓縮機(jī)的操作范圍要求。所以喘振系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮所有可能的工藝操作條件，避免壓縮機(jī)在正常要求的工況范圍內(nèi)出現(xiàn)喘振［1］。

正常工藝操作過程中的控制，關(guān)鍵問題是如何正確、合理地避免壓縮機(jī)操作點(diǎn)越過控制喘振設(shè)定的控制點(diǎn)和喘振實(shí)際發(fā)生點(diǎn)之間的安全余量區(qū)域（從S2到S1的區(qū)域，通常為10%左右（圖1），如果壓縮機(jī)喘振控制性能較差，可能達(dá)到15%～20%）。由于壓縮機(jī)喘振發(fā)生非?？欤瑩?jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，喘振一旦發(fā)生，通過壓縮機(jī)的流量會(huì)在0.05s內(nèi)降低，在2s內(nèi)開始出現(xiàn)倒流［2］，喘振控制點(diǎn)和實(shí)際喘振點(diǎn)之間的安全余量是為了保證喘振控制系統(tǒng)有足夠的反應(yīng)時(shí)間，避免實(shí)際的喘振發(fā)生，正常操作過程中的控制喘振調(diào)節(jié)閥獲得的信號(hào)以及閥門的反應(yīng)速度也應(yīng)該和啟動(dòng)、緊急關(guān)斷有所區(qū)別，在正常工藝操作控制中，喘振調(diào)節(jié)閥獲得的應(yīng)是低增益值的信號(hào)［1］，對閥門的反應(yīng)速度并沒有特別嚴(yán)格的要求。

3.3 緊急停車工況（ESD）

當(dāng)因工廠停電或者其他工藝操作安全原因，導(dǎo)致壓縮機(jī)系統(tǒng)在沒有任何控制、調(diào)節(jié)的情況下停車時(shí)，如何快速降低壓縮機(jī)出口系統(tǒng)壓力是緊急停車的關(guān)鍵問題。要求喘振控制系統(tǒng)有更快的反應(yīng)速度，喘振控制調(diào)節(jié)閥快速自動(dòng)全開，提供足夠的回流流量。由于熱氣循環(huán)系統(tǒng)（圖2）出口體積較小，反應(yīng)速度較快，所以針對緊急停車工況而言，熱氣循環(huán)流程是有利的。

綜合上面對啟動(dòng)、正常工藝控制和緊急停車幾種工況下喘振發(fā)生和控制的描述，對于大功率壓縮機(jī)，推薦選用熱氣旁通循環(huán)流程（圖4）；而對于功率較小的壓縮機(jī)，推薦選用熱氣循環(huán)流程（圖2）。

4 喘振控制系統(tǒng)的主要部件及選擇

4.1 喘振控制模型

喘振控制主要包括控制最小流量、控制最大壓力、控制壓縮比與實(shí)際流量的關(guān)系。喘振控制模型通常采用壓縮比與實(shí)際流量的關(guān)系。這個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供準(zhǔn)確的喘振預(yù)測，同時(shí)氣體組分的變換對喘振線的形狀和位置幾乎沒有什么影響，這樣就能維持喘振控制點(diǎn)和實(shí)際喘振點(diǎn)之間的安全余量在一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，避免操作過程中因氣體組分發(fā)生變化使操作越過喘振安全余量區(qū)而導(dǎo)致喘振發(fā)生。

4.2 主要部件

（1）進(jìn)口流量計(jì)、進(jìn)／出口壓力儀表、溫度表。主要用于提供喘振控制系統(tǒng)的工藝信號(hào)。由于現(xiàn)場將根據(jù)儀表系統(tǒng)對壓縮機(jī)實(shí)際喘振線進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和驗(yàn)證，并使喘振控制線與之相適應(yīng)，因此對流量、溫度和壓力儀表的精度并沒有特別嚴(yán)格的要求。但是由于喘振發(fā)生的速度非常快，為使喘振控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度滿足喘振調(diào)節(jié)的要求，所有流量、溫度和壓力儀表需要較高的取樣頻率；另外，喘振信號(hào)采集儀表的重復(fù)性是選擇儀表的一個(gè)重要依據(jù)?；谛盘?hào)采集頻率的要求，不推薦使用智能型流量和壓力儀表（采樣頻率較低）［2］。

入口流量計(jì)。文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì)通常用于壓縮機(jī)入口流量的計(jì)量；由于孔板流量計(jì)壓降較大，當(dāng)壓縮機(jī)吸入壓力較低（小于0.3MPa）時(shí)，通常不采用孔板流量計(jì)。

壓力傳感器。由于表壓傳感器更通用且比絕壓傳感器容易標(biāo)定，在壓力高于0.15MPa時(shí)，推薦選用表壓傳感器；當(dāng)壓力低于0.15MPa，推薦選用絕壓傳感器［2］。

對于高吸入壓力、低壓縮比的壓縮機(jī)，推薦采用壓縮機(jī)進(jìn)、出口差壓作為喘振信號(hào)的輸入，同時(shí)仍然需要安裝入口壓力傳感器。

溫度傳感器。溫度信號(hào)并不是喘振基本信號(hào)，但溫度信號(hào)的輸入可以用于介質(zhì)摩爾質(zhì)量變化時(shí)的流量校正，所以通常要求進(jìn)、出口安裝溫度傳感器，并將信號(hào)送入喘振控制器。由于工藝系統(tǒng)的溫度變化較慢，溫度傳感器的反應(yīng)速度并不是一個(gè)主要因素，因此可以使用智能型溫度傳感器。

（2）喘振控制調(diào)節(jié)閥。線性或者等百分比調(diào)節(jié)閥通常用作喘振控制調(diào)節(jié)閥。但是由于等百分比調(diào)節(jié)閥在低CV值時(shí)比線性調(diào)節(jié)閥有更好的穩(wěn)定性，所以在選擇喘振控制調(diào)節(jié)閥時(shí)，推薦使用等百分比調(diào)節(jié)閥［2］。

（3）止回閥。壓縮機(jī)出口止回閥推薦采用緩閉式止回閥。

5 結(jié)束語

離心式壓縮機(jī)的喘振系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)離心式壓縮機(jī)的功率等自身特點(diǎn)，結(jié)合工藝要求的操作范圍、操作介質(zhì)的特性、管路系統(tǒng)的特點(diǎn)，綜合考慮啟動(dòng)、正常工藝控制和緊急停車等不同工況，選擇合理的喘振工藝控制系統(tǒng)，避免因喘振造成壓縮機(jī)軸承、葉輪、機(jī)械密封等機(jī)械部件的損壞，造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

［1］BRUN K，NORED M G.Application guideline for centrifugal compressor surge control systems［M］.Release Version 4.3.Texas：Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute，2008：9-30.

［2］MCMIUAN G K.Centrifugal and axial compressor control［M］.North Carolina：Instrument Society of America，1983：33-42.