基于ASME标准的闭式回路试验系统及应用

摘要：介绍了一种基于国际先进标准的闭式回路试验系统及应用，建立和应用此系统的目的是考核该压缩机产品设计、加工制造质量、气动性能指标等是否满足要求，绘制出气动性能曲线和喘振线，为现场配套的控制系统提供防喘振依据及性能参数设定依据。应用基于ASME PTC10-1997标准的试验系统，如采用代气体在闭式回路试验系统进行试验，首先计算出待检测产品马赫数和雷诺数偏差是否符合标准要求，然后取70%Nt、80%Nt、90%Nt、100%Nt和105%Nt转速下进行试验，每个工况点待温度稳定后（大约需30分钟）进行记录。在不超多15分钟内均匀定时读取4组或更多组读数，得出各个转速下的全性能曲线，绘制出最佳性能曲线和喘振线，根据标准考核，得出正确的结果，满足合同要求。

关键词：标准；实验系统；喘振线

1. 标准依据

ASME PTC10-1997标准【1】规定有2种试验型式，Ⅰ型试验通常不使用，因为它需要使用指定气体和指定条件，一般来说压缩机组在用户现场运行的工作介质为原料气多组份混合气体，在制造厂进行的气动性能试验，不具备真实气体的条件，故不能满足ASME PTC-10中Ⅰ类试验的条件，因此选择Ⅱ型试验。

在不能满足ASME PTC-10中Ⅰ类试验的条件下，ASME PTC-10规定了Ⅱ类型试验，Ⅱ型试验采用相当于一个用不同测试气体（二氧化碳、氮气、R134a、空气等）的恒速试验。即试验气体和运转条件都与设计不同的试验，但是必须满足试验条件与设计运转条件之间允许的偏差范围。国内通常会采用价格低廉的氮气作为代用气体。

ASME PTC10-1997标准规定Ⅱ类型试验，试验运转条件与设计运转条件之间参数允许偏差值（表1）

试验条件与设计条件马赫数的偏差范围【1】规定如下：

试验条件与设计条件雷诺数的偏差【1】规定如下：

2. 系统基本结构

2.1主管网系统级辅助系统

主系统由试验压缩机、变速机、液力偶合器、进、出口管路，进口管路上设置有测量流量的孔板，出口管路上设置由调节流量的阀门、冷却器、放空阀等，出口气体经冷却器冷却后回到压缩机进口，进口管路与出口管路相连，形成一个闭式循环系统。

辅助系统包括液氮储罐、液氮泵、蒸发器、气体压缩机、高压储气罐、补加气调节装置等。

监控系统包括PLC控制器（下位机），操作站、工程师站。

2.2测量参数及测点布置

气动性能测量参数：进、出口压力，进、出口温度，流量（孔板压差），上游压力，上游温度，转速和平衡气管流量、上游压力、上游温度测量等。测点位置在ASME-PTC10标准中有规定。进、出气试验管路上应分别设有供测量静压和温度的测量孔。在管路指定的同一截面壁上，沿圆周方向均布钻4个孔。测温孔与测静压的孔等距错开45°。测量时如截面测点出现问题尽可能采取措施进行排除，实在无法排除时每一截面力争保证3个测点。气体温度采用Pt100铂电阻测量。压力可用精密压力表或压力变送器测量。流量由孔板、差压计测定。功率采用热平衡法确定，辐射损失可用机壳表面积计算方法确定，转速可采用磁电脉冲式转速表或便携式数字转速表测量。

2.3监控系统【3】

2.3.1功能模块

下位机功能主要分为四个模块：（1） 装置ESD：包括机组的启车停车、报警联锁、报警记录、油泵的控制。此模块按照机组的不同做了划分，一个机组占一个程序块。（2） 调速模块：压缩机的原动机有汽轮机和电机两种，汽轮机采用调速器调速，电机一般采用变频调速。此模块可用于调速，也可用于恒速使用。（3）SOE模块：能够将装置发生的各种事件按时间顺序记录下来，精确到毫秒级。

2.3.2安全系统

三个安全等级：（1） 操作员：只能对下位机的逻辑进行在线监测；（2） 调试工程师：可以对系统内部点进行强制，可以对程序进行部分下装，不能中止系统运行。（3） 系统工程师：具有最高权限，可以对程序进行全部下装，可以停止控制器。上位机也分三个安全等级：（1） 操作员：对系统进行最基本的操作，如开关阀、各种查询、监控。（2） 装置工程师：可以进行联锁切除。（3） 仪表工程师：可以修改报警、联锁参数、PID参数等

2.3.3软件功能【4】

采用组态软件开发监控系统，首先利用I/O驱动取得数据送入PDB中并在画面上显示；能在画面上手工输入一些设定值及控制器参数；报警及操作记录存入数据库已备查询；一些重要的现场数据存入数据库用于历史趋势浏览以及生成报表等。

2.3.4监控画面：

开车条件画面：有开车条件和盘车条件，条件中当各条件的实时值满足设定值时，状态灯变绿。当所有条件的状态灯都变绿时，允许启动灯会变亮，系统允许机组启动。该画面中可以對盘车电磁阀进行控制。画面右上角是登录控件。点击登录按钮后，弹出对话框，输入正确的用户名和密码，会得到权限，显示在按钮下方。注销点击注销按钮。图中是系统开车之前允许启动的界面状态。工艺流程画面：包括压缩机气路画面，油路画面，原动机画面，轴系监测画面，干气密封画面。进入工艺流程画面中可完整地看到机组本体的运行情况，并且显示有测点的数据。在工艺流程各个画面，先点击测点，再点击画面上方页眉中的趋势按钮，就会弹出单点的实时趋势，从实时趋势可以切换到历史趋势。报警、联锁画面：起车后各参数必须保证在设计允许的范围内，一旦超出正常值，就会产生报警或者联锁。为了操作人员能及时了解产生故障的原因，上位机设计了报警、联锁画面。在这两幅画面中可以方便的查找到产生报警或联锁的监测点，并且能够查询到测点的状态信息，包括当前测量值， 报警设定值，联锁设定值。各测点的报警值、联锁值均可进行新的设定。通过点击“联锁画面”中的“联锁记忆”按钮能够进入机组的联锁记忆画面，准确地得到联锁时的数据。（4）调速画面：用于压缩机组启动升速，当系统需要启动时打开“开车条件”画面，再打开“调速画面”，在中控室开车按“启动”按钮（按一下即可），即进入暖机模式，，当按下升速按钮后，转速设定点值为暖机转速，当转速升到临界区内，将自动高速通过，不受手动影响，此时模式为“加速”，转速设定点为最小工作转速。若要做超速试验，应在运行模式下，先按允许超速（一次），再一直按住“超速试验”按钮，当转速达到联锁值时，即发生电子跳闸，超速试验完成。

3.系统应用程序

3.1确定试验方案

3.1.1比较试验条件和设计条件比容比、马赫数和雷诺数，是否符合ASME标准规定的相似条件。比如：

通过标准的规定和机组的设计参数做出试验条件与设计条件下马赫数的差、雷诺数的比范围如表4：

根据以上计算结果分析， 该压缩机以氮气为代用气体的热力性能试验，满足ASME PTC10标准的相似条件；试验压力和温度不超过压缩机最大允许的压力和温度。试验的转速不超过压缩机安全运行转速。在此条件下的性能试验，將会得到可靠的试验结果。

3.1.2当量转速【2】的确定：

3.1.3根据标准规定布置测点，选择必测参数。

3.2启车前必要准备

试验用仪器仪表试验之前，经计量部门检定，保证在合格有效期内，从而保证测量数据的真实可靠。所用仪表应编制唯一编号，并且在测试时与采集系统一一对应。

3.2.1向回路充入代用气

液氮由液氮槽车送入液氮储气罐，液氮储气罐中液氮经液氮泵输送到蒸发器中，经蒸发器充入高压储气罐中，再由高压储气罐经自动补加气调节装置送入闭式试验管路中。

3.2.2置换气体：

在气体充入系统前必须去除闭式回路中的空气，将管路中充入试验气体至0.2MPa放掉，进行2次气体置换，以保证试验气体纯度达到98%以上。机组静态时向闭式回路充入氮气，检查各法兰连接处，测试管线等不得有漏气现象。达到试验压力后，启动压缩机，并逐渐缓慢调节机组转速，使转速达到中的试验转速，此时出口阀全开。试验前和试验期间用气相色谱分析仪进行管路取样成分分析。

3.3进入试验状态

确认机组正常平稳运转30分钟后，经检查证明机械运转和测量仪表正常后，进入气动性能试验，整个试验过程通过自动补气装置维持进口压力在试验条件的压力，通过冷却器水量调节进口氮气气体温度满足试验条件。入口压力由补气调节装置根据设定的压力进行自动调节。所有操作过程需非常缓慢进行，并同时观察振动情况，若机组出现喘振现象则立刻停止压力调节，迅速打开出口阀，在性能试验全过程中，注意观察所有机械运转的测试数据保证机组平稳正常运行。

3.3.1调节和记录

在进口压力恒定的条件下，用出口阀来调节工况，工况点包括滞止流量点、设计点和喘振点等五个工况。每个工况点待温度稳定后（大约需30分钟）进行记录。在不超多15分钟内均匀定时读取4组或更多组读数基础上，温度的稳定性是指温度的跳升不超过温升的0.5%。

3.3.2喘振测试取样原则

最小流量工况为喘振工况，要经过至少两次重复验证.在上述测试中，为确定其喘振线，在保证机组安全正常运转情况下，转速调节在70%Nt、80%Nt、90%Nt、100%Nt和105%Nt情况下，进行喘振线的测试。

3.3.3试验完成

试验完毕将出口调节阀门打开，并缓慢打开放空阀，压力降至0.05MPa可停车。喘振流量工况测量是根据转速、进口压力和进口温度等基本保持一定，逐渐减小流量时，所产生的压力不稳定或脉动来确定的。测量的可靠性应由读数的可重复性所证明。

3.4考核

根据标准规定，应满足以下条件

1、在规定的运行点能量头和流量应该为零或非负偏差，而在该点的功率不超过设计预期轴功率的104%。

2、分段能量头-流量特性曲线从额定点到预计喘振点是连续上升的。

此案例考核结果符合标准要求。

4.结束语

基于国际标准的试验系统是考核出口产品设计、加工制造质量、气动性能指标的必要设施。产品越多的走向国际市场，基于国际标准的试验系统就应该越多的建立并应用于出厂前性能测试过程。消化掌握并贯彻应用新标准，建立符合标准要求的试验系统是装备制造行业共同的而且是永恒的任务，在学习、应用、改进、完善中提高，是获得国际先进水平的唯一途径。

参考文献：

[1]ASME PTC10-1997标准，ASME PTC10-1997（R2003）压缩机和排气机的性能测试规范。

[2]沈维道，蒋智敏，童钧耕，工程热力学（第三版），北京：高等教育出版社，2001

[3]曹锋，邢子文，束鹏程.压缩机性能测试及控制系统[J]，流体机械，1998，7（4）：28-29.

[4]戴金龙.离心式压缩机的调节控制系统[J]，风机技术，2002，10（6）：34-35

（作者单位：沈阳鼓风机集团有限公司）

作者简介：毛靓华（1978.02.10），性别：女；籍贯：河北卢龙；民族：汉；学历：本科，学士；职称：高级工程师；职务：仪控设计室主任；研究方向：大中型机械控制及故障诊断技术。