离心式压缩机防喘振方法的应用现状

陈浩然，陈 奎，赵 冬，孟 飞，林 凡

(贵州省赤水市赤天化集团正泰化建工程分公司，贵州 赤水 564700)



离心式压缩机防喘振方法的应用现状

陈浩然，陈 奎，赵 冬，孟 飞，林 凡

(贵州省赤水市赤天化集团正泰化建工程分公司，贵州 赤水 564700)

喘振问题一直是困扰离心式压缩机实现安全、经济、平稳运行的难题。喘振现象会造成离心式压缩机出现周期性的物料倒流或者是由于压力变化发生强烈的波动，同时还会产生热应力和很大的振动，严重时可能会缩短设备寿命，造成机组的部件损坏，还可能造成严重的事故。针对以上问题，就离心式压缩机防喘振技术的应用进行了深入的探讨，对传统的固定极限流量法和可变极限流量法，以及新型的模糊控制法、压缩机串并联控制、预估防喘振控制等进行了分析比较。为开发出更好的防喘振技术提供借鉴。

离心式压缩机；防喘振

喘振是使离心式压缩机性能出现反常的一种不稳定的运行状态，会使整个压缩机管网系统的气流出现周期性的振荡现象[1]。喘振不但能使压缩机的性能恶化，如气体压力、流量及温度产生大幅度脉动，还会发生一种呼哧的噪音，并大大加剧整个机组的振动，严重影响机组稳定性[2]。

当离心式压缩机入口流量逐渐减小到一定程度时，整个压缩机扩压器流道内就会产生严重的旋转失速，其出口压力会突然下降，当与其对应的管网压力高于压缩机出口压力时，管网的气流会倒流回压缩机，直到管网的压力下降到比它的出口压力低时，压缩机才重新开始向管网排气，此时压缩机才能恢复到正常工作状态[1]。如果当管网压力恢复到正常压力后，压缩机入口流量依然小于产生喘振工况的最小流量，那么压缩机扩压器流道内将继续产生严重的旋转失速，出口压力将会再次下降，管网压力大于压缩机的排气压力，管网中的气流就会再次倒流回压缩机。这样不断循环，压缩机系统中就产生了一种周期性的气流振荡现象[3]。

离心式压缩机不允许在出现喘振时运行，因为这样会对压缩机的机械结构及其稳定性产生严重的危害，具体表现在:① 喘振会使其内部的转子和定子一直承受交变应力，持续下去会使转子和定子发生断裂；② 喘振会使压缩机的级间压力失常，将会引起强烈振动，从而导致级间密封以及推力轴承的损坏；③ 喘振会使转子和定子之间发生相互碰撞，造成严重的事故[4]。

1 在压缩机组中的防喘振技术

目前，国内外采用的控制方案主要有传统的固定极限流量法、可变极限流量法、压缩机串并联控制、模糊控制法以及新型的预估防喘振控制方法等[5-6]。

1.1 固定极限流量法

这种方法首先假设压缩机在最大的转速下发生喘振的工作点流量为Qp，只要使压缩机入口的流量总是大于该临界流量Qp，就能根据喘振发生的原因避免喘振发生。在实际操作时，一般增加一定程度的余量(5%～10%左右)，如图1所示，那么压缩机的流量将一直大于喘振线，从而保证离心压缩机不发生喘振现象[7]。

图1 固定极限法原理

该方法的优点：控制系统结构简单，现场使用仪表少。缺点：当压缩机的运行转速逐渐降低，也就是处于低负荷运行状态时，因其入口流量很小，会直接处于喘振的发生区，故防喘振控制系统会过早地投入运行，这样就会造成回流量增大，能耗损失也较大[8]。所以只有当在压缩机高速运转时才最有效。

1.2 可变极限流量法

1.2.1 控制方法

在压缩机负荷经常波动或者需采用变转速调节的场合时，可采用可变极限流量法[9]。该方法的优点：在每一转速下的喘振流量会发生改变[10]，且当压缩机的转速较低时，与固定极限流量法相比，所需回流的气体量有很大程度的降低，这样就可以大大节约能源[11]。当离心式压缩机的转速不断发生变化时，其喘振点变化轨迹可以归纳为一条二次抛物曲线，直接将这些喘振点连接起来就是喘振线。所以，为防止喘振发生，可以在各喘振点的基础上增加5%～10%的安全限度，这样就可以直接得到与其平行的防喘振控制线，其作用是控制系统回流阀的开关，根据需要变化进行快开和慢关[12]。

这种可变极限流量的控制方案可用在不同转速的情况下，其喘振极限流量是一个变数，所以它会随转速下降而变小。可在喘振极限流量处留有适当的安全限度，使得防喘振的控制器沿着该喘振极限流量的二次曲线工作，该方法称为可变极限流量法。可变极限流量的防喘振控制系统主要是依据模型的计算设定值来控制系统[13]。

(1)

式中：Kl代表流量常数；Pd代表入口的流量对应差压；Z代表压缩系数；R代表气体常数；M代表相对分子质量。因此，可以得到喘振模型：

(2)

式中n=M/(ZR)[14]。若压缩介质确定后，则n是常数；如果节流装置确定后Kl确定，则a和b都是与压缩机相关的系数，变量就会更少。

实施该方案时需注意5点：① 因为可变极限流量防喘振控制的整个系统是随动控制系统，为了在发生喘振时能及时打开旁路阀，控制阀流量特性需要采用线性特性或者是快开特性，且控制阀比例度最好能够适当选择较小的。若采用其他方法，则会出现一些问题。例如采用积分控制时，现实条件下控制器的偏差长期存在，需要考虑积分饱和的问题。② 当喘振发生时，为了使防喘振控制系统能及时运作，所采用的气动仪表需要考虑缩短信号传输管线，必要时可以设置继动器或放大器对信号进行相应放大。③ 防喘振控制系统中的控制阀两端需存在较高的压力差，开启时候会造成噪声和汽蚀，因此为了防止以上现象，需要选用具有特殊作用的控制阀。④ 该控制方案中有多种实施方案，例如可以将[n/(bK12)][(P2/P1)-a]作为设定值，将Pd/P1作为测量值，或者是将n/bK12作为设定值，Pd/(P2-aP1)作为测量值。一般情况下需要将计算环节设置在控制回路外，可以避免非线性特性的影响。⑤ 通常情况下可以根据离心式压缩机的特性简化计算[16]。例如，有些离心式压缩机的a=0或a=1，这时模型就可以简化为：

(3)

(4)

综上可知：可变极限流量防喘振控制方案设计是相对比较复杂的，由于使用的仪表较多，适用于转速变化较频繁的场合，而且具有节能的优点。

图2 可变极限流量法的控制系统结构

1.2.2 离心式压缩机串联运行时的防喘振控制

在工业生产中，往往一台压缩机的出口压力满足不了生产要求，这样就需要2台或者2台以上的压缩机进行串联来满足要求。图3为离心压缩机串联运行时采用的可变极限流量的防喘振控制方案。

图3 离心式压缩机串联运行的防喘振控制方案

图3中:P1T，P2T和P3T是压力变送器；PY4，PY5是乘法器；PY1，PY2是加法器；PY3是低选器；Pd1T，Pd2T是测量流量所用的差压变送器；F1C，F2C是防喘振的控制器。该方案的主要特点与单台压缩机的防喘振控制相同，对两台压缩机采用一样的可变极限流量的防喘振控制，可将计算的设定值送到防喘振控制器的一端。为了减少旁路阀的数量，可以增加一台低选器。如果其中任何一台压缩机出现喘振现象，都可以通过这个低选器使旁路阀打开，从而达到后续的要求。相应的防喘振控制器选用正作用，旁路阀选用气关型[17]。

综合以上分析，多台压缩机串联运行时虽然能达到生产要求所需要的出口压力，但此方案只适用于低压力的压缩机。如果考虑到机体的强度，对高压力的压缩机就不宜采用这种方案。同时，使用该方案时，为了确保系统能够稳定运行，要求后级压缩机的稳定工况一定要大于前级的稳定工况[18]。

1.2.3 离心式压缩机并联运行时的防喘振控制

在工业生产中，经常出现一台压缩机的出口压力满足不了生产要求，从而需要2台或者2台以上的压缩机并联来达到进气量的工艺要求[19]。然而，有时并联运行的压缩机特性不一致，会影响到负荷的分配，关键是还会影响防喘振控制系统的正常运行。目前，在离心式压缩机并联运行时，防喘振控制主要采用前面所提到的低选器以及相应的选择开关，这样在整个控制过程中只用一个防喘振的旁路控制阀就可达到要求，如图4所示。

图4 压缩机并联时的防喘振控制方案

图4中:PY1，PY2，PY3分别为加法器、乘法器和低选器；Pd1T，Pd2T为压缩机入口流量测量用的差压变送器；P1T，P2T为入口压力变送器和出口的压力变送器；FC为防喘振控制器；HS为手动开关。当开关切换到A处时，组成压缩机称为“1”的防喘振控制系统；当开关切换到B处时，组成压缩机称为“2”的防喘振控制系统；当开关切换到C处时，由图中可以看出防喘振控制器所需测量的信号是2个压缩机入口流量中较小的值，也就是图中低选器的输出[20]。控制的设定值的计算通过加法器和乘法器来实现的。

值得注意的是：当采用2台以上的压缩机并联运行时，要求每个压缩机的特性一致；为了满足并联的独立工作特性以及使每台压缩机能独立启动，需要单独设置各自的手动旁路阀。

综上所述，虽然离心式压缩机可以并联运行也可以串联运行，但这会使运行操作更加复杂，从而增加能耗。所以，一般情况下只有当压力或者是流量无法满足工艺要求时才采用这种控制方案。

1.3 模糊控制法

由于实际工业过程控制系统中往往存在很多的非线性、不确定、时变影响无规律的因素[21]，会导致PID控制器的参数设定非常困难，且控制效果不是很理想，有时甚至达不到控制的最低要求，因此还需要对以上控制方法做进一步修订。由于现代控制理论和计算机技术的快速发展，在防喘振系统中出现了很多新的控制理论，模糊控制就是其中较热门且研究成果较丰硕的控制理论之一[22-23]。相比之下，模糊控制的优点主要是无需对控制对象建立精确的数学模型，主要根据人工控制的规则来组织其决策表，再根据该控制表最终决定控制量的大小[24]。模糊控制对于存在随机干扰、滞后、部分参数未知的工业控制过程等具有较好的控制效果[25]。

模糊控制的关键是构造模糊控制器，主要是由4部分组成：模糊化、模糊推理控制、知识库和清晰化[26-27]。研究最多的是模糊PID控制系统。该系统主要采用二维结构，对偏差和偏差的导数进行模糊化，再由所形成的模糊参数整定器生成PID的控制参数。当偏差较小时，进行常规的PID控制；当偏差较大时，自动切换到模糊PID控制[28]。模糊控制器的结构见图5。

图5 模糊控制器的结构

目前国内外有很多学者都在研究这项技术，并且取得了一些较大突破。一般的方法是将入口的流量以及它的偏差作为二维模糊控制器输入，再通过模糊控制器的运算生成控制规则，进而控制防喘振系统控制阀的开度。但是模糊控制法的主要技术还不是很成熟，整体而言还没有工业上所要求的成熟可靠的模糊PID控制器。化工行业对控制的安全性要求较高，因此压缩机防喘振模糊PID控制目前还没有大规模投入压缩机控制系统的实际应用中[29]。

1.4 防喘振的新型控制方案

2 结束语

由于在现代石油、化工、冶金等很多工业生产系统中，大多都是将管道中的物料流和能量流连在一起，以完成各种各样的物理化学反应、分离及吸收等过程[31]。为了强化生产，流体常常连续传送，以便连续生产。压缩机是生产过程中十分重要的气体输送设备[32]，而喘振又是压缩机的固有特性，所以必须对防喘振技术进行研究，在已有的技术上进行总结，根据压缩机出厂参数(流量、压力等)确定设计工况下特性曲线和防喘振特性曲线[33-34]。应通过现场实验，测取实际实验数据，结合现场生产情况考虑更多的影响参数，从而得出压缩机防喘振控制系统最佳工作范围。

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(责任编辑 刘 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 基金项目：重庆市科委基金资助项目 (0211002432057)

陈浩然(1981—)，男，助理工程师，主要从事压缩机防喘振技术研究。

陈浩然，陈奎，赵冬，等.离心式压缩机防喘振方法的应用现状[J].重庆理工大学学报：自然科学版，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