RF3BB36压缩机防喘阀频繁波动故障分析及解决措施

魏国富，蔡兴龙，郑吉庆

（中石油西部管道分公司 生产技术服务中心，乌鲁木齐 830000）

0 引言

喘振现象是离心压缩机工作在小流量时的不稳定流动状态，它的出现轻则使压缩机停机，中断生产过程造成经济损失；重则造成压缩机叶片损坏，引起压缩机设备报废甚至造成人员伤害。因此，喘振现象在生产中应严格杜绝[1]。防喘控制系统作为防止离心式天然气压缩机发生喘振的关键设备，在压缩机防喘保护中具有重要作用。当压缩机工作点接近喘振点时，防喘控制系统自动打开防喘振控制阀，使部分天然气从压缩机出口回流至入口，增加入口天然气流量以防止发生喘振。防喘振控制阀是一个流通截面可调的回流阀，开度随工作点转入喘振区而增大[2]。西气东输一线某压气站两台RR RF3BB36 压缩机在管线流量低运行工况下频繁出现开关阀波动问题，该站机组防喘控制程序虽进行过PID 参数优化，但并未解决该问题。当压缩机组工作在低工况并靠近防喘控制线时，防喘阀在防喘控制线左右频繁开关波动，从而引起压缩机转速、进出口流量等工艺参数的波动，低流量下防喘阀动作及相关工艺参数的趋势如图1 所示。

图1 低流量下防喘阀及相关工艺参数波动趋势Fig.1 Trend of anti-surge valve and related process parameters under low flow

图2 PLC中组态2#机组参数趋势Fig.2 Trend of configuration 2# unit parameters in PLC

1 防喘阀波动原因分析

RR 压缩机组自动防喘PID 控制由比例控制器、积分控制器、微分控制器3 部分组成，对根据防喘控制线计算出的流量设定值与实时值的偏差分别进行比例计算、积分计算和微分计算，将3 部分计算出的值相加得出输出控制量，该输出控制量最终控制压缩机工艺管线上的防喘阀[3]。通过在四道班压气站2#机组PCS 程序中组态防喘阀命令输出、阀位反馈、进口流量、压缩机转速等参数趋势（见图2），对运行中的2#防喘阀波动情况与压缩机工作点情况进行检查分析，发现工作点在喘振控制线左右来回波动，防喘阀从83 ～89 关度之间波动，且防喘阀PID 自动控制输出开命令后，开阀时防喘阀延迟近7s，且防喘阀及时开阀非线性开阀，存在5%开度阶跃。防喘阀PID 自动控制输出关命令后，有4s ～5s 的延迟防喘阀才能动作，关阀时动作较为线性，按照0.3%/s 的程序设定速率关阀，但PID 控制器停止关阀命令输出后，防喘阀延时4s ～5s 后才能停止关阀。防喘阀快速打开后，压缩机进口压差能迅速增长，说明防喘回路流量无滞，对PID 控制无影响。通过现场观察防喘阀动作情况，发现防喘阀实际开阀时确实存在阶跃。所以，可以判定由于防喘阀动作不灵敏，造成PID 控制超调，从而造成防喘阀频繁波动，工作点在控制线左右震荡。

2 防喘阀波动问题解决方法

通过在线不断对防喘控制系统的比例P、积分I 和微分D 参数进行调整测试，发现PID 参数对缓解阀门波动影响效果非常小。由于防喘阀在关阀时，延时停阀导致关阀时超调，流量下降越过控制线，从而防喘阀快速打开。因此，通过延长自动关喘阀的时间，可以让PID 能更加精确地检测到流量的变化，从而可减少关阀过程的超调现象。通过修改PID 自动关阀的速度（原控制程序中工作点向右移动越过控制线时，自动关阀的速率为0.3%/s），减小关阀速率，则防喘阀波动的周期会相应地增长。通过多次测试，最终形成设定自动关阀速率为阶梯型值，不同流量偏差下使用不同的关阀速率，在流量偏差大于-0.25 时（靠近控制线右侧）使防喘阀关阀速率设定为0（即设置死区），不让防喘阀继续关阀，则在防喘阀因流量波动而自动打开后，经过缓慢地调节最终能稳定在紧临控制线右侧，使防喘阀实现快开慢关。优化PID 自动关阀速率后，在不同的偏差时，关阀速率值见表1。优化前和优化后的关阀速率设定程序如图3、图4 所示。

表1 优化后阶梯型关阀速率设定值Table 1 Optimized stepped valve closing rate setting

图3 优化前关阀速率设定程序Fig.3 Optimizing the front closing valve rate setting procedure

图5 优化前后2#机组相关参数趋势Fig.5 Trends of related parameters of 2# unit before and after optimization

3 优化结果验证

通过对该站2#机组优化防喘控制程序后经过连续10h运行测试，机组防喘阀运行稳定，期间因工况变化出现过两次小幅度波动，但防喘阀能迅速回到稳定状态。对2#机组进行降速至怠速，降速过程中防喘阀能正常打开。2#机组优化前后防喘阀输出命令、反馈信号、压缩机进口流量、出口压力等参数的波动趋势如图5 所示。

对1#机组防喘控制程序进行相同的优化，并进行启机测试。启机后进行加载提速到3120 转后，防喘阀投入自动控制后防喘阀逐渐关阀，经过7 次提速，转速由3120 转提升至4000 转，期间防喘阀运行平稳，且在4000 转时防喘阀全关，此时工作点离喘振线偏差约为33%。对1#机组投入远程负荷分配控制，转速下降至3879 转，出站压力保持平稳，防喘阀运行平稳。远程提高出站压力设定值，压缩机转速上升至4000 转，期间防喘阀运行平稳。远程降低出站压力设定值，压缩机转速下降，下降过程中防喘阀运行平稳。通过对1#机组进行启机、加载、升速、手动调速、远程调整负荷等压缩机各种工作模式下的测试，优化后的防喘控制程序能保证防喘阀在低流量工况下的运行平稳。

图4 优化后关阀速率阶梯设定程序Fig.4 Optimized valve closing speed step setting procedure

4 总结

经对该压气站2 台压缩机组防喘控制程序优化后，机组运行在小流量工况时，在启机过程、停机过程、转速手动控制、转速调整过程、远程负荷控制等各种控制模式和变工况运行下防喘阀均能稳定工作，在喘振控制线左右频繁开关波动现象不在出现，并通过一定时间的调整后能将压缩机工作点稳定在防喘控制线右侧0.1%～0.3%左右内的安全区域，确保压缩机组安全性的前提下使压缩机运行效率实现最大。