王銀鎖

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730060)

壓縮機(jī)分為離心式和往復(fù)式兩大類，往復(fù)式壓縮機(jī)由于其材料的剛度、布置及固定方式等設(shè)計(jì)方面的原因而易于產(chǎn)生管道振動(dòng)，這對(duì)安全生產(chǎn)有很大的威脅，強(qiáng)烈的管道振動(dòng)會(huì)使管路附件及管道的連接部位等處發(fā)生松動(dòng)和破裂，輕者造成泄漏，重者由破裂而引起爆炸，造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故[1]。據(jù)文獻(xiàn)[2]記載，管道振動(dòng)是往復(fù)式壓縮機(jī)出口管線常見的故障之一。而離心式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)相比，具有體積小、流量大、重量輕，運(yùn)行率高、易損件少、維修簡(jiǎn)單，壓縮氣流無(wú)脈動(dòng)，氣量控制的變化范圍寬，壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油不會(huì)污染被輸送的氣體，以及較高的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)[3]，因而被廣泛應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)中，如乙烯裝置中的裂解氣、丙烯、乙烯壓縮機(jī)，大型合成氨裝置中的原料天然氣、合成氣、空氣及冷凍系統(tǒng)的氨氣壓縮機(jī)等。

但是離心式壓縮機(jī)還有一些靠自身難以消除的缺點(diǎn)，如喘振和軸向推力，離心壓縮機(jī)對(duì)氣體的壓力、流量和溫度變化較敏感，易發(fā)生喘振。筆者基于離心式壓縮機(jī)的防喘振控制理論，分析喘振產(chǎn)生的具體原因，并將透平/壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)(Integrated Turbine & Compressor Control，ITCC)應(yīng)用于某乙烯裂解氣離心式壓縮機(jī)組的可變極限防喘振控制系統(tǒng)，同時(shí)確定其喘振曲線。

1 離心式壓縮機(jī)喘振原因分析①

當(dāng)離心式壓縮機(jī)的進(jìn)口流量小于極限QB時(shí)(圖1)，壓縮機(jī)的出口壓力突然下降，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力高于壓縮機(jī)的出口壓力，迫使氣流倒回到壓縮機(jī)，一直到管網(wǎng)壓力降到低于壓縮機(jī)的出口壓力時(shí)，壓縮機(jī)又向管網(wǎng)供氣，壓縮機(jī)又恢復(fù)正常工作，工作點(diǎn)由A→B→C→D→A反復(fù)而又迅速地突變，一會(huì)氣流輸送到管網(wǎng)，一會(huì)又倒流到壓縮機(jī)，這就會(huì)引起壓縮機(jī)的強(qiáng)烈氣流波動(dòng)，這種現(xiàn)象就是壓縮機(jī)的喘振，又稱為“飛動(dòng)”。

圖1 離心式壓縮機(jī)固定轉(zhuǎn)速下的特性

喘振發(fā)生時(shí)，壓縮機(jī)的氣體流量出現(xiàn)脈動(dòng)，使機(jī)身劇烈振動(dòng)，并發(fā)生壓縮機(jī)軸位移，還會(huì)波及到相連的管線，甚至損壞設(shè)備[4]。

2 防喘振措施

離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，其特性曲線也不相同。將不同轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)連接起來(lái)就可以得到一條喘振邊界線，即喘振線SL(圖2)。

圖2 離心式壓縮機(jī)的特性曲線

防喘振就是使離心式壓縮機(jī)的工作點(diǎn)大于特性曲線的極值，即在喘振線(SL)的右側(cè)工作。離心式壓縮機(jī)的特性曲線與其吸入氣體的溫度、壓力和平均分子量有關(guān)[5]，所以考慮有一定的裕量，再設(shè)計(jì)一條防喘振控制線(SCL)，即喘振安全線，如圖2所示，離心式壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在SCL線上或SCL線的右側(cè)，即可防止喘振的發(fā)生。

防喘振控制線(SCL)與喘振線(SL)的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為：

式中HP——壓縮機(jī)的多變壓頭，MPa；

MARGIN——防喘振控制的裕量值[6]，m3/h。

3 ITCC在裂解氣壓縮機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用

ITCC被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模工程中的壓縮機(jī)組的控制。某乙烯裂解氣壓縮機(jī)第1、2、3段采用ITCC防喘振控制的工藝流程如圖3所示。

圖3 裂解氣壓縮機(jī)第1、2、3段的防喘振控制工藝流程

3.1 裂解氣壓縮機(jī)的防喘振控制設(shè)置

裂解氣壓縮機(jī)的防喘振控制的具體設(shè)置為：利用流量變送器130FT103B測(cè)量的流量值，在防喘振控制器130UC103內(nèi)進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償，計(jì)算出實(shí)際流量值，然后與防喘振控制線(SCL)的流量作比較，判斷是否需要打開防喘振控制閥130UV103。

3.2 壓縮機(jī)喘振極點(diǎn)(SL)的確定

壓縮機(jī)氣體流量的檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)在壓縮機(jī)的入口管線上，如果壓縮機(jī)入口壓力較低，流量測(cè)量采用差壓法，壓縮比又較大，在壓縮機(jī)入口安裝節(jié)流裝置需要增加壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)時(shí)，防喘振流量的檢測(cè)點(diǎn)可設(shè)計(jì)在壓縮機(jī)的出口管線上。壓縮機(jī)入口節(jié)流裝置所測(cè)量的流量：

式中MW——?dú)怏w分子量，kg/kmol；

T1——入口氣體絕對(duì)溫度，K；

Z1——入口氣體可壓因子；

Δp0——流量測(cè)量元件前、后壓差，MPa；

α——流量系數(shù)。

壓縮機(jī)的多變壓頭HP的計(jì)算式為：

式中m——多變指數(shù)；

Zav——壓縮過程平均可壓因子。

特性曲線上極點(diǎn)的位置：

依據(jù)壓縮機(jī)的每段流量、入口壓力和出口壓力的模擬量輸入，ITCC控制器可以計(jì)算出壓縮機(jī)的工作點(diǎn)，并測(cè)量或計(jì)算出每段入口與出口的溫度值。這些模擬量輸入可以確定壓縮機(jī)入口流量和多變壓頭。其計(jì)算式為：

式中ps——進(jìn)氣絕對(duì)壓力；

Ts——進(jìn)氣絕對(duì)溫度；

Zs——可壓因子。

壓縮機(jī)的多變壓頭：

式中k——常數(shù)；

ηp——效率因子。

σ值由控制器依據(jù)下式計(jì)算：

ITCC控制器的組態(tài)變量為入口流量的平方與多變壓頭的比值，這樣可以消除分子量和入口溫度的影響。

將不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線上的極點(diǎn)(即喘振點(diǎn))連接起來(lái)，就得到一條喘振邊界線，即喘振線SL。

4 ITCC防喘振控制

ITCC防喘振閉環(huán)控制，包括防喘振PID控制和速率控制。

防喘振PID控制將喘振工藝變量WS_PV和100作比較后進(jìn)行計(jì)算；通過控制器將壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)控制在防喘振控制線的右側(cè)[7]。速率控制執(zhí)行打開防喘振控制閥的動(dòng)作比防喘振PID控制輸出要提前。當(dāng)流量減小時(shí)，速率限制器被調(diào)節(jié)至對(duì)微小變化率也做出響應(yīng)。

而且，ITCC不僅具有防喘振閉環(huán)控制，還包含有喘開環(huán)控制。

4.1 開環(huán)階躍控制

在極端工況下，閉環(huán)防喘振控制不能完全避免工作點(diǎn)的超調(diào)越過防喘振控制線，開環(huán)程序控制的開環(huán)動(dòng)作可以協(xié)助閉環(huán)防喘振控制防止喘振的發(fā)生。

在正常情況下，防喘振控制閥由閉環(huán)喘振控制線和閉環(huán)速率控制，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)即將發(fā)生喘振時(shí)，開環(huán)程序立即將防喘振控制閥預(yù)填充到很大的開度，瞬間流量增加得越大越好。然后將防喘振控制閥的開度關(guān)到需要的位置。預(yù)填充只持續(xù)幾秒鐘,但卻能有效防止喘振并預(yù)防對(duì)氣體回收系統(tǒng)控制穩(wěn)定性的破壞。只有在接近喘振狀態(tài)時(shí)才被啟動(dòng)，而且會(huì)快速恢復(fù)穩(wěn)定閉環(huán)回路控制。這種程序與ITCC的所有軟件一起，在每次實(shí)際應(yīng)用中都被設(shè)定好。

預(yù)填充是指通過打開防喘振控制閥來(lái)縮短系統(tǒng)滯后時(shí)間的方法，預(yù)填充功能的響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 預(yù)填充功能的響應(yīng)曲線

4.2 喘振檢測(cè)——SMP保護(hù)

當(dāng)生產(chǎn)過程的條件發(fā)生變化時(shí)，防喘振控制可能不能防止壓縮機(jī)喘振，這時(shí)控制系統(tǒng)可以提供額外保護(hù)，即喘振檢測(cè)——SMP保護(hù)。 ITCC喘振檢測(cè)控制通過檢測(cè)轉(zhuǎn)速、壓力、流量及溫度等參數(shù)的變化率來(lái)檢測(cè)喘振。程序之一是壓縮機(jī)流量變化率[8]。當(dāng)壓縮機(jī)流量減小時(shí)，用于喘振監(jiān)測(cè)的適用變化率也降低了，用以保證當(dāng)壓縮機(jī)喘振和實(shí)際流量接近于零時(shí)，控制器肯定能夠監(jiān)測(cè)到喘振。

當(dāng)檢測(cè)到喘振發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)可以將輸出值設(shè)置到預(yù)先設(shè)定點(diǎn)或一個(gè)比喘振前開度更大的點(diǎn)，具體視哪種情形下可以達(dá)到最大循環(huán)量而定。這種措施保證了第二個(gè)喘振循環(huán)不會(huì)發(fā)生。為保證回流閥開始關(guān)閉時(shí)不會(huì)再發(fā)生喘振，控制器將回流閥的位置和監(jiān)測(cè)到喘振的時(shí)間記錄下來(lái)，將安全范圍略微擴(kuò)大后，保持閥現(xiàn)有的位置，作為回流閥的極限位置。喘振最小極限位置(SMP)保護(hù)就是保證壓縮機(jī)回流量的正常，喘振檢測(cè)功能的SMP曲線如圖5所示，這也是防止壓縮機(jī)持續(xù)喘振的唯一途徑。

圖5 喘振檢測(cè)功能SMP曲線

喘振檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)記錄壓縮機(jī)喘振時(shí)的閥位，并在此閥位上增加SAM值。在SMP復(fù)位前，防喘振控制閥不允許關(guān)至小于SMP確定的位置。

5 結(jié)束語(yǔ)

離心式壓縮機(jī)的防喘振控制系統(tǒng)，在保證大機(jī)組的安穩(wěn)運(yùn)行方面起著極其重大的作用。防喘振控制閥打開點(diǎn)的設(shè)定很重要，設(shè)定過高，壓縮機(jī)在低負(fù)荷下消耗更大的能量；設(shè)定過低，壓縮機(jī)就可能發(fā)生喘振。在工作過程中，需結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，分析喘振產(chǎn)生的原因，采取有效的防喘振控制措施，就能夠提高離心壓縮機(jī)的抗喘振性能和運(yùn)行可靠性。