压缩机控制及保护系统设计探讨

朱岩

摘 要：在石油化工行业发展中，压缩机的应用较为广泛，其中以离心压缩机（简称“压缩机”）为典型代表，存在重量小、装置效率高、油气污染少、经济性能优等显著特点，一定程度上解决了工况操作失误问题。但在部分特定工况下，压缩机的喘振现象较突出，较易造成机器无法正常使用，急需做好压缩机防喘振控制，避免更严重的操作事故。基于此，本研究结合压缩机使用现状，着重分析喘振的现象及原理，并针对具体问题提出压缩机控制及保护系统的设计方案，以期促进喘振问题研究进程。

关键词：离心式压缩机；防喘振控制与保护；喘振点

中图分类号：TH452 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0105-02

Abstract： In the development of petrochemical industry， compressors are widely used， of which centrifugal compressor （short for compressor） is typical representative. Small weight，high efficient， low oil and gas pollution and excellent economic performance are the outstanding features of compressor which could solve operation fault of working condition to some extent. However for part of specific working condition， compressor surge phenomenon is prominent， which could easily caused the machine can not be used normally and compressor anti-surge control should be performed in emergent need to avoid the more serious operation fault. Base on this， this research will combine compressor usage status ， focus on analysis the phenomenon and theory of anti-surge and aim to make design program for compressor control and protection system to promote the progress of anti-surge research.

Keywords： Centrifugal compressor； Anti-surge control and protection； anti-surge point

隨着工业技术的进步，压缩机也在不断地更新换代，最新电子设备管理的压缩机渐渐占据产业发展重要地位，为社会生产工作带来了便利条件。压缩机具有输送量大、排气压力高的优势，但也存在部分不足缺陷，稳定工作的区域相对较狭窄，极其容易发生严重的喘振问题，影响了压缩机的安全运行效益。结合不同工况下的压缩机使用状态，严重喘振现象会直接导致机组流动波动幅度过大，加剧内部零件的磨损程度，甚至可能出现气体爆炸事故；轻微喘振现象不会产生机组损坏问题，长此以往容易形成恶行循环效应。因此，需要做好预防喘振问题的准备工作，配备相应的防喘振控制系统，以提升压缩机的安全性、持久性，具有实际研究意义。

1 压缩机控制及保护系统的发展现状

从安全生产角度考虑，压缩机作为工业部门的关键设备，过程控制系统的配备是其必要构件，设有防喘振控制、变工况工作点调节、压力控制等集成功能，以实现操作便捷、稳定可靠的工况状态。为有效应对喘振问题带来的意外事故，着重分析压缩机失稳现象，用以判断压缩机喘振数值及系统稳定性，定性提出防喘振控制策略。目前，国内关于压缩机防喘振控制的研究，诸多设计方案虽已积极参考先进控制方法，但在具体工业应用方面并不理想，压缩机运行不稳定或轻微喘振现象较明显，防喘振控制系统的设计还存在资金与技术限制，对此仍需进一步深入研究。

2 压缩机控制及保护系统的设计研究

结合压缩机防喘振控制的现状，详细分析喘振原理及预防策略，便于稳定机组安全运行。具体如下所示。

2.1 压缩机的喘振机理及影响因素

在压缩机机组开车、停车或生产负荷调整期间，喘振现象的易发率较高，源于吸入流量、压力比及转速的频繁变化，进而造成原料量的大幅度变动，极易出现压缩机运行工况事故。面对不同工况运行情况，影响压缩机喘振的主要因素有：一是当吸入流量低于警戒线，保持压缩比与转速不变，直接造成机组运行曲线转变位置，使得工况点逐渐移至喘振区域；二是在压缩比与吸入流量稳定不变状态下，压缩机转速越大，接近喘振临界点的概率也就越大，则需及时调整转速及返回线开度；三是压缩机排出口管网压力过高引起的喘振现象，吸入流量与转速不变，气体压缩比不断升高，加快运行工况点进入喘振区速度；四是随着压缩机进气温度的升高，夏季发生喘振现象的概率更大，源于气体密度缩减对其产生的内部机理影响，难以确保压缩机在稳定工况下运行。

2.2 压缩机喘振点判断

为有效应对压缩机喘振现象，需要准确判断喘振点的变化，用以保障压缩机机组运行的安全可靠性。首先，依据压缩机振动检测结果，若检测振幅信号过大，则需做好防喘振控制措施；其次，结合压缩机入出口压力检测情况，判断压力值是否大幅度波动，准确判断喘振问题，并准备相对应的预防办法；最后，当压缩机入口与出口存在异常脉动声频，立即做好打开防喘振阀门的准备。endprint

2.3 压缩机防喘振的控制

针对压缩机喘振问题，采用喘振主动控制技术与常规操作方法，明确喘振现象的影响因素，并及时判断喘振点，做好预防应对工作。

2.3.1 喘振主动控制技术

压缩机喘振主动控制以PID模式为主，配备执行机构（节流阀、放气阀、回流阀等），并采用防喘振控制系统，达到协调防喘振回路与机组运行控制的目的，直接抑制喘振引起的气流不稳定状况。在日常生产与操作中，防喘振控制器作为压缩机喘振主动控制技术的重要设备，通过使用规定算式或输入数值来计算操作点，实现增加稳定裕度喘振线比较分析，以此保护压缩机不发生喘振现象。具体内容如下：

一是控制防喘振控制器的设定点。在特定条件下，维持设定点与操作点处于固定数值范围，即裕度不超出5%。设定点的操作主要用于追踪压缩机压力控制输出情况，通过限定喘振控制线的盘旋速率，做出喘振现象发生前预先动作的判断，以缓解喘振问题带来的机组运行故障。

二是保证防喘振控制器的喘振超驰功能。防喘振控制器的喘振超驰功能体现在确保防喘振阀及时打开的作用，也是常规PID模式的补充说明，避免动作过慢引起的喘振问题。当超驰功能作用区间位于喘振线的2%裕度范围内时，或操作点快速向喘振线移动时，及时打开防喘振阀门，起到及时规避喘振发生风险的目的。

2.3.2 喘振常规操作方法

首先，采取“部分同流”办法，降低喘振问题发生概率。在实际操作中，要求压缩机的返同流量大于喘振点流量与流入流量之差，即是满足流量大于喘振点流量的运行需求。这种方法用于判断喘振点可取得良好效果，具有与低负荷生产相互协调的特点。

其次，为避免出现压缩机喘振现象，通过安装温度、压力、流量检测仪表，用于压缩机气体入口流量及出口压力的喘振输出数值判断。此外，在压缩机的入出口位置，设置的温度、压力仪表，可以起到及时检测与报警的作用。该方法可在出现喘振后立即报警，便于直观地检查与监督压缩机运行的安全性。

再者，设置防喘振回路。在压缩机的出口附近，设置防喘振打回流回路，并将其压力值设定为压缩机允许限定条件下的最低工况点，判断入口流量值变化情况。当入口流量值低于设定值时，达到最低工况点限定要求，设置防喘振回路自动打开，从而改变压缩机出口气体流动，使得出口气体流动值与压力值相协调。

最后，注重压缩机各项参数，及时调整压缩机机组运行状态。当压缩机有发生喘振现象的倾向时，对比压缩机系统设备参数，分析防喘振曲线与系统入口流量、压力的变化，准确判断防喘振点，并对此做出适当调整，可起到远离防喘振区域的目的。

3.4 压缩机喘振保护系统的部件选择

在设计压缩机喘振保护系统方案中，首要考虑的是保护系统的主要部件，了解各部件的基本功能与参数设置，用以判断喘振现象的突发情况。具体措施如图2。

一是主要功能型部件的选择。入口流量计、压力传感器、温度传感器等作为喘振保护系统的功能型部件，使用者需要掌握基本用途，并分情况定期使用部件。当压缩机处于快速喘振反应阶段时，可利用入口流量计或出口压力仪表来判断喘振控制系统的工艺信号，应选择响应时间快的仪表，以满足防喘振保护系统的调节速度要求；流量计主要有文丘里、插入式流量计和孔板等几种类型。当压缩机的入口压力较小时，文丘里和插入式流量计的使用可准确指出压缩机入口流量的计量数值，避免了孔板流量计设备的压降失误问题；当入口压力较高时，可使用孔板流量计。当压缩机压力接近0.1MPa时，应选用绝对压力传感器，用于监测压力值的高低情况；另外，压力和温度信号的检测还主要应用于压缩机流量校正，即对流量进行温压补偿，在壓缩机入出口安装温度传感器（推荐智能型温度传感器），了解压缩机工艺系统的温度变化，便于加快喘振现象测量速度。

二是防喘振控制调节阀的选择。在压缩机防喘振的保护过程中，利用线性、等百分比的调节阀来调控喘振状态，判断CV值的大小，确保喘振控制阀门的开度。一般情况下，等百分比调节阀的使用更加广泛，用于喘振控制的概率也更高。

三是止回阀的选择。压缩机的止回阀一般推荐无冲击式类型，为预防喘振现象做好应急准备。

3 结束语

综上所述，压缩机作为工业领域重要机械设备，有效解决喘振问题是其必要措施，具有实际意义。在压缩机应用过程中，明确压缩机的喘振机理及影响因素，做好压缩机喘振点的判断，并利用喘振控制技术与常规操作方法，科学选择压缩机喘振保护系统的主要部件，以完善喘振控制及保护系统的设计方案。为避免压缩机运行安全事件，关于防喘振的研究仍需不断努力，通过更加合理化的控制策略，提升压缩机的使用效率。

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