主风机防喘振控制系统研究

彭上

1.喘振的概述

1.1喘振概念

每一台压缩机都有自己的喘振区。

正常情况下压缩机出口排出压缩气体供至系统管网，但当压缩机入口流量小于此工况下喘振点的入口流量时（即压缩机工作在喘振区域内）将会在压缩机叶片上产生气体脱离，使出口流量很不稳定，机子便会发生喘振，若喘振不及时扼制的话，还很容易产生逆流现象（一般喘振是逆流的前奏），这时对主风机的破坏将会十分严重。

1.2喘振的危害

（1）喘振对主风机的轴封损坏较大，由于密封的损坏，使润滑油窜入流道， 影响冷却器的效率。严重的喘振很容易造成转子轴向窜动，烧坏止推轴瓦，叶轮有可能被打碎。严重时可使风机遭到破坏，此外，还会损坏齿轮箱、电动机以及连接压缩机的管线和设备。

（2）喘振给生产操作带来很大的混乱，如处理不当，会造成各种严重的恶性事故，如催化剂倒流等。

（3）对于大型轴流式风机来说，喘振的危害性更大。

1.3压缩机喘振的预防

压缩机防喘振的措施很多，但催化裂化装置中最简便的防喘方法是主风机出口放空。变速运行的离心式主风机和大型轴流式主风机采用随动（自动）防喘振流量控制系统，因为它们的特性曲线较复杂，且工作中存在一定的客观因素（例如：操作工因出去挂牌或未注意操作等情况下，喘振发生时再等人来给定，就已经迟了）所以不能人为给定，必须根据主风机的不同工况（压缩比、出口压力、转速）沿防喘振线自动改变防喘振流量调节器的给定值，在压缩机还未达到喘振点以前，提前打开出口放空阀，达到及时防止机组出现喘振的目的，防喘振线一般设置在喘振线以下，留有5%～10%防喘振余量。变速运行的离心式主风机和恒速运行的可调静叶轴流式主风机的防喘振线是一条近似的直线。变速运行的可调静叶轴流式主风机的防喘振线是一个面，处理比较复杂。但在一般转速不大的情况下，仍可简化为一条直线或折线。

2.轴流式压缩机的概述

2.1轴流式压缩机的定义

气体在压缩机气缸中沿轴向流动的压缩机称为轴流式压缩机。

2.2轴流式压缩机的组成

由机壳、静叶、转子、轴封和轴承组成。

2.3轴流式压缩机的喘振现象

当轴流式压缩机沿着性能特性曲线减少流量时，压缩机和管路中全部气体流量和压力将出现周期性地低频大振幅的上下波动，这种频率低、振幅大的气流脉动一经产生，则导致流经整个压缩机的连续、稳定的流量被完全破坏，并伴随以强烈的机械振动。

3.1#催化B101主风机防喘控制系统

喘振是压缩机的固有特性，但它的发生却具有极强的破坏性，因此，为防喘振的发生，对压缩机设置防喘振控制系统是很有必要的，而若要使防喘振控制系统切实、有效地工作，关键是准确的确定压缩机的防喘振控制曲线，我厂1#催化1#主风机采用的是轴流式可调静叶压缩机。下面以此压缩机为例，介绍一下轴流式压缩机防喘振曲线的确定及其控制系统的实现。

B101主风机采用陕西鼓风机厂引进瑞士SULZER公司技术生产的可调静叶轴流式压缩机（型号：AV56-11），其启动特性如下：

（1）静叶关闭角α关=15°，在此角度下静叶处于全关位置。

（2）最小安全运行α小=22°，是最小可调静叶角度。

（3）最大可调静叶角度α大=79°。

静叶角度正常操作范围为22°-79°，通常称为操作角。该压缩机为电机拖动的可调静叶轴流式压缩机，转速恒定时，流量调节通过静叶角度无级调节来实现。

4.1#催化主风机防喘振控制方案

4.1测量值

压缩机入口流量对应的喉管差压FIT3410。

因为压缩机入口流量对应的喉管差压低于压缩机喘振点对应的入口流量差压时，压缩机会发生喘振，我们控制这个喉管差压使之恒定在压缩机的正常工作范围内，这样就控制了喘振的发生，当压缩机空负荷试车时，但出口防空阀全开，其静叶角度开至最小时，出口流量二分之一所对应的喉管差压值为设计院经验判断点，在B101压缩机首次运行时，测得判断点喉部差压为1067Pa，故将进入ESD的喉部差压下限设定值设定为1067Pa（16.0kpa的6.67%）此设定值是判断机组喘振的重要值。

喉部差压（dpt）若突然下降至设定点以下是ESD（自保器）判断机组发生喘振的关键依据，当喉部差压小于下限设定值，且时间持续3秒以上或在20秒内发生两次持续时间1-3秒的低差压信息，都将判断为机组发生喘振，ESD将自动进入安全运行，机组喘振如再持续10秒（再持续10秒钟的喉部低差压信息），ESD将自动进入紧急停车。

4.2给定值

压缩机喘振点的差压dpt理%+7%的偏置作为给定值。

这个理论值与以下参数有关：静叶角度、入口温度、压缩机出口压力，这三个参数发生变化，正常的工作流量也发生变化。我们可以通过以上三个参数的关系式的综合计算得出这个dpt理%，鉴于在机组运行中不存在人工改变设定值的可能性，本系统在设计过程中，对设定值的系统按照以下原则进行设计，即经调节器内部有关模块计算出机组在静叶角、出口压力和入口温度等条件下，机组喘振点的理论值dPt理%（即喘振流量对应的喉部差压）。dPt理%加上7%的偏置值（即将喘振曲线向安全区平均移动7%，以使压缩机能更安全）就可以作为防喘振调节器的设定值。

4.3通过以上设计可以达到机组正常运行时防喘振的目的，但在设计时，还有两种特殊情况要考虑，即：

（1）压缩机开机时，入口流量是由零慢慢上升到正常值的。

（2）压缩机在倒机退出系统时，入口流量是由正常值慢慢下降为零。

在这两种情况下，必须用手操器人为控制防喘阀的开度，由于有两个防喘阀A（大阀）、B（小阀），所以对应有两个手操器，此时为了防喘控制系统仍起作用，就将两硬手操的输出返回到调节器与其防喘输出进行低选后再送至防喘阀，这样在开机、倒机及运行的情况下，都能实现机组的防喘振作用。

5.方案的实施

由于以前二次表的调节器是PMK，PMR内部模块连接复杂，仪表维护量大，隐患较多，操作不方便，于2013年对主风机进行了改造，直接通过DCS组态、操作，平面直观，维护方便。

DCS实现防喘控制的具体方案：

5.1非喘振时

静叶角度ZT3410、入口温度TI3410、压缩机出口压力PT3410通过DCS内部计算出dpt%，将此值与喉部差压实测值进行比较后输出“0”（因为此时喉部差压实测值大于dpt%理论值）之后分为两路，一路送到输出自动防喘PID值，与软手操器FK3410低选后输出到现场防喘阀A阀的定位器，手操器FK3410B（小阀）与它经过低选后送到现场防喘阀B的定位器，另一路经过逻辑运算后输出“1”的信号到复位键。

5.2当喘振时

因为实测的喉部差压值%≤dpt%的理论值，视为喘振的发生，将此值与喉部差压比较后输出“1”（因为此时dpt%≥喉部差压实际值）之后分为两路，一路经过运算输出一个7%+3%×N的计算结果进行限幅后，送到PV（喉部差压的实际值%）输出自动防喘PID输出值与手操器FK3410A（大阀A）低选后输出到现场控制阀A的定位器，同时与FK3410B（小阀）后送到现场防喘阀B的定位器，另一路经过逻辑运算后输出一个“0”的信号到复位键。

【参考文献】

[1]1#联合装置DCS操作手册.

[2]石油化工自动化.