基于20000m3/h空分增压透平膨胀机防喘振设计与应用

陈正忠

（开封空分集团设计研究院，河南 开封 475000）

基于20000m3/h空分增压透平膨胀机防喘振设计与应用

陈正忠

（开封空分集团设计研究院，河南 开封 475000）

本文以20000m3/h空分设备为背景，介绍了增压透平膨胀机产生喘振的原因，描述了ACD增压透平膨胀机压差与流量双变量防喘振控制方案。详细介绍了防喘振曲线的制作过程，以及防喘振逻辑在DCS上的组态。

增压透平膨胀机；防喘振控制；压差

青海盐湖集团二期化工项目配建1套20000Nm3/h空分设备，采用分子筛吸附预净化、空气增压透平膨胀机提供装置冷量、双塔精馏、无氢制氩、液氧泵内压缩流程，控制系统采用Honeywell Experion PKS系统，由开封空分集团有限公司成套供货。增压透平膨胀机采用美国ACD公司和开封空分集团的产品，一用一备。在调试出氧阶段由于进口膨胀机资料中没有防喘振制作的资料所以需要现场制作防喘振控制。

1　喘振产生的原因

当压缩机运行过程中流量太小，出口压力太高时，流动就成为不稳定状态。流量小，所以流动速度就低，气体前进的动力就小；出口压力高，气体前进的阻力就大；再由于轴向涡流的存在，这样就会出现气体瞬间的倒流（或局部倒流）现象。出现倒流之后，就会减轻出口压力，压缩机便恢复了正流方向的流动。但是如果不设法增加流量需求，又要重复上述过程，再次发生倒流，再次恢复正流，如此反复进行。压缩机的这种不稳定运行状态就称为“喘振”。由于正流和反流交替发生，状态剧烈变化，对机器（特别是对叶轮）产生冲击，因此压缩机发出强烈的声音和振动。

图1　

增压器需要最低体积流量，以便在稳定的范围内运行。当体积流量低于规定的最低体积流量时，增压机将喘振，其机械部件承受的应力过大，因此应加以避免。为了能在稳定的范围内运行增压器，透平膨胀机组的增压侧装备了回流阀，用于补偿当前流量与最低体积流量之间的差值。回流阀的开度由防喘振控制器控制。稳定与非稳定运行之间的分界线被称为喘振线。其线路取决于各种因素（如温度、压力等）。必须在喘振线与喘振控制线之间确定一个安全的限度，以确定稳定的控制特性。安全区域在喘振线的右下侧如下图1。

2　喘振曲线的制作

一般制造商会随机器出厂提供压缩机的性能曲线图，性能曲线可以是由该样机试验得出的，也可以是同类样机的试验基础上总结出换算方法而计算出来的，通常是用压比与流量的关系来表示的，压比为纵坐标，流量为横坐标。在一定的转速下有一条性能曲线，通常流量减小压比增加，流量小到某一值时便会发生喘振，这一点称为喘振点。如果机器转速是可变的，对于不同的转速就有不同的喘振点，将这些点连起来为一条曲线就称为喘振曲线。喘振线将性能曲线图划分成安全区和喘振区，喘振线的右下方为安全区，左上方为喘振区。ACD膨胀机中的压缩机就属于这种情况［1］。

ACD采用MOORE提出的防喘振方法，也是许多压缩机防喘振实际采用的方法，就是用进出口压差（用DP表示）—流量压差（用DP2表示）图来代替压比—流量图并且提供了喘振曲线上DP与DP2的对应数值。用这种方法的优点是只要测量出运行时的两个压差即可，这时喘振线上各点的DP与DP2接近线性关系，并且不受压缩机进口条件如压力，温度和气体组分的影响，显然是十分方便的。喘振线上DP2的每一点代表不同的转速，进口导叶位置或进口压力。

在DCS屏幕上制作一个DP—DP2的坐标图，图上画出喘振曲线，利用运行时测量的两个压差标出工作点位置，这样可以直观地看出工作点离喘振线有多远，以便于实际操作，在避免喘振的同时有效的提高了膨胀机的工作效率。

根据说明书提供的两组压差的对应数据（可以是压差数据，也可以是百分比数据）在坐标图上可以得到若干点（这些点近似于一条直线，但不要作成直线，误差较大），用数学处理方法（例如样条函数）通过这些点连成一条曲线（如有困难，连成一条折线也可）而得到表示两者关系的数学表达式提供给DCS组态人员。这样，只要知道DP，便可算出喘振线上的对应DP2。

将喘振流量安全值设置为喘振流量值的1.1倍。就是说，当流量下降到喘振流量的1.1以下时，回流阀（也称防喘振阀）会自动打开使压缩机流量增大，避免喘振。但是我们用的是压差而不是流量。因为压差与流量的平方成正比，所以喘振压差安全值应该是喘振压差的1.21倍。

在避免喘振的同时，我们更不希望压缩机的运行工况突然产生大幅度的波动。在正常工作时，回流阀应该是全关的。如果DP2下降到喘振值的1.21时将回流阀突然全开，压缩机突然受到冲击，容易损伤机器；而且一旦转速落到共振区，会造成操作上的慌乱；另外，工况遭到大幅度破坏以后，想要恢复也比较费力。因此对于回流阀的动作在设计时设定一个缓冲区，例如设置成喘振压差值的1.15～1.25。这样，喘振曲线就有3条曲线。一条是喘振线；一条是在喘振线的基础上将DP2乘以1.15得到的喘振保护线；另一条是在喘振线的基础上将DP2乘以1.25得到的喘振动作线。

图2　压差与流量对应的两组数据

根据给定的一组参数及上面的计算方法可以得到三条线段，分别是喘振线、防喘振保护线以及动作线。在

DCS画面上取一个基点作为原点，横坐标为DP2，纵坐标为DP，这样就会得到一个矩形区域，在此矩形坐标框中绘制三条线，分别是喘振线、防喘振保护线、动作线。绘制出的坐标图如下图3。

图3　流量压差坐标图

3　防喘振控制逻辑

由绘制出的三条线可以得到动作线的斜率W0和防喘振保护线的斜率W1。膨胀机投入运行时，控制器实时采集动坐标的数值PV制与设定值W0做比较PV＜W0，回流阀处于手动控制状态；PV≧W0，回流阀处于程序控制状态，每秒回流阀打开1%；随着PV值的继续增大，同时动坐标向防喘振保护线移动；动坐标移动到防喘振保护线，即PV=W1时电磁阀失电回流阀全开。这样就能防止增压透平膨胀机进入喘振区而发生喘振。

防喘振控制逻辑如上。

经过现场的静态调试和动态调试发现该喘振的方案和方法都是可靠的。后期该空分装置运行正常且产品都达到了设计值进一步说明该防喘振方案的正确性。

图4　防喘振控制逻辑

4　结语

增压透平膨胀机在一定的进口压力、转速和阀门的开度下，当出口压力达到一定的数值时，机器会发生喘振。发生喘振时其机械部件承受的压力过大，对叶轮有很大的伤害，该防喘振控制方法能有效的避免增压透平膨胀机的喘振，同时也防止了喘振对工况的影响，更好的保护了机器。

［1］钟连山.引进增压透平膨胀机的运行维护［J］.深冷技术，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

陈正忠（1985.10-）男，本科，助理工程师，研究方向：仪表自动化设计工作。