防喘振系统范文

防喘振系统范文（精选8篇）

防喘振系统 第1篇

涡轮增压器是广泛应用于各种发动机中的一种增压节能装置,其原理是利用发动机废气的能量驱动增压器的涡轮,同时带动同轴上的压缩机转子旋转,将空气压缩并送入发动机气缸。在涡轮增压系统中,由于涡轮增压系统与发动机之间无任何机械传动,同时涡轮增压系统利用了发动机废气的能量,所以获得了广泛的应用[1]。

在涡轮增压系统的使用中,由于压缩机的存在,压缩机的喘振特性将影响到整个涡轮增压系统和发动机的工作效率。严重时将导致整个系统的瘫痪,甚至发生爆炸等危险情况,可见预防喘振具有非常重要的现实意义[2]。

某汽车的柴油发动机配备的涡轮增压器在实际的运行中,偶尔存在喘振故障的发生,为防止喘振故障的发生,保障发动机和涡轮增压器的安全运行,设计了此自动防喘振装置,对原有的涡轮增压系统进行了优化改进。

1 喘振

1.1 喘振现象

涡轮增压器是由涡轮机和压缩机组成,涡轮增压器的喘振是发生在其离心式压缩机部分。当压缩机在运转过程中,转速一定而流量显著小于设计值时,在叶片扩压器和叶轮进口处,气流的分离现象随流量的减小而迅速扩大。当流量减小到某一最小值时,气流分离现象会扩展到整个叶片扩压器和叶轮通道内,使气流产生强烈的振荡和倒流,产生很大的噪声,压缩机出口压力显著下降,形成压缩机的喘振,从而破坏压缩机的正常工作。一般说来,叶片扩压器叶道内的气流分离是引起压缩机喘振的主要原因,而叶轮进口处的气流分离会使喘振加剧。

1.2 产生喘振的条件

从喘振现象可知,影响喘振的因素有流量、转速以及管网特性。其中流量是导致喘振的先决条件,因为当压缩机越过最小流量值时,就会在流道中产生严重的旋转脱流和脱流区急剧扩大的情况,进而发展到喘振状态。对于不同的转速,压缩机的性能曲线呈现出不同的性能,转速越高,性能曲线向右上方移动,越容易发生喘振,反之亦然。管网的容量愈大,则喘振的振幅愈大,频率愈低。管网的容量愈小,则喘振的振幅愈小,频率愈高。

1.3 容易发生喘振的情况

对于涡轮增压器容易发生喘振的情况如下:发动机突然卸载或紧急停车,发动机过载或载荷波动较大,涡轮机或压缩机气道阻力增大,气温过低或空气密度过大,海拔过高,外界压力低等。

2 喘振控制方法

从分析可知,要避免涡轮增压器出现喘振状态就必须在压缩机流量大于最小流量值的情况下工作。这是从破坏产生喘振先决条件的角度出发的。目前,普遍采用的喘振控制方法归纳起来主要有以下三种。

2.1 固定极限流量法

根据压缩机的运行状态和经验确定一个流量最小值,当流量减小到该值时,流量传感器就会输出启动信号,使与压缩机进出口相连的旁通阀开启工作,从而使压缩机流量不再减小,也就避免了压缩机由于流量过小而进入喘振区域。很明显这种方法的制造成本最低,这也是它最大的优点,但它的缺点也很明显:不能充分使压缩机工作在其设计工况区,往往过早启动防喘振系统,浪费能源,降低了经济效益。

2.2 可变极限流量法

为了减少压缩机能量的消耗,在压缩机负荷可能经常波动且波动不太大的场合,可以采用调节转速或其他办法保证压缩机的负荷,以满足工艺上的要求。因为在不同的转速下,其喘振极限流量是一个变量,它随转速的下降而变小,通过使压缩机在不同的转速下保证压缩机在相同的安全裕度下工作的同时,不造成能量的浪费。所以可变极限流量法是一种较为理想的喘振控制方法。

2.3 通用性能曲线控制法

考虑压缩机在某些特殊场合进气状态变化较大的情况,利用相似原理将压缩机的性能曲线转换成不受进气状态影响的通用性能曲线。根据相似原理,转换后的通用性能曲线形状与原始曲线相似,因此后者喘振点的变化轨迹大致也是一条二次抛物线。因此可以通过考虑安全裕度来确定一条与喘振界线平行的控制线,以此控制防喘振阀的开启,从而保证压缩机流量不小于最小流量点,也就避免了压缩机进入喘振状态[3]。

3 自动防喘振装置设计

3.1 设计原理

发动机与涡轮增压器是配合工作的,配合曲线见图1。在正常工作状态下,增压器与发动机各项参数之间都存在着一定的联系。通过大量的试验数据的整理和分析,可以发现涡轮机的进口压力PR与压气机的出口压力PC成一定的比例关系。这是因为一定量的燃气推动转子旋转,涡轮机与压缩机同轴刚性连接,转速相同,而使叶轮打出一定量的压缩空气。自动防喘振装置用PR和PC之比作为控制信号,这是因为随着柴油机功率的进一步提升,增压器正常工作时PR和PC之间的差是随着发动机功率增加而加大的。对不同类型的增压器,PR与PC之间正常比值是不同的,但都可以通过试验取得。这两个压力信号输入到微处理器中经过运算,如果其比值大于预先调置的比值,则微处理器发出信号,驱动比例电磁阀,控制其开度,从而实现涡轮增压器进气量的调节,进而调节转速,防止喘振事故的发生。

3.2 结构简介

自动防喘振装置的结构框图见图2,图中的压力传感器1,2分别测量压缩机出口空气压力PC和涡轮机进口压力PR,图中的转速传感器测量同轴的涡轮机和压缩机的转速n,控制电路使用51系列微处理器为核心,动作部分为比例电磁阀。转速传感器、压力传感器1,2与比例电磁阀可以有三种形式安装在涡轮增压器中,图3,4,5为三种安装方式,图中的3为控制单元,图中的5为执行机构,也就是采用的比例电磁阀。

本设计采用了比例电磁阀作为执行机构。比例电磁阀与普通的开关电磁阀不同,它可以使阀体开关在任意位置。当控制信号进入控制器放大后,在比例电磁铁线圈的两端加上一定的电压,转换成一定的电流信号,驱动衔铁开启。衔铁上的电磁力和弹簧力平衡后,阀门的开度不变,输入信号变化,阀门的开度也发生变化,从而达到控制流量的目的。

3.3 控制系统介绍

电控系统的控制方式通常有开环和闭环两种形式。本设计为了提高控制精度采用了闭环控制系统,其控制结构框图如图6。

本系统运用增量式PID控制算法,以压缩机出口空气压力PC和涡轮机进口压力PR之比为控制信号,以涡轮机和压缩机的转速n为反馈信号,通过PID运算后输出控制信号,调节比例电磁阀的开度。根据连续性方程,电磁阀开度不同,则进入涡轮增压器的废气流速也不同,进而使得涡轮机和压缩机的转速改变。

4 结语

通过一段时间的实际运行实验,证明本系统能够有效地预防喘振事故的发生,提高了系统的稳定性和可靠性。特别是本系统采用了比例电磁阀为执行机构,可以对流量进行连续的调节,这样能够更充分地利用能量,提高能量利用率。由于本系统采用了增量式PID的控制算法使系统的运算时间得到了一定的降低,减少了系统的迟滞现象,同时也能很好防止涡轮增压器在高速段的超速现象。综合考虑控制精度和成本问题,本系统采用了比例电磁阀为执行机构,在其他一些精度要求更高的系统中可以采用伺服阀为执行机构,这应根据实际情况要求进行分析选择。

参考文献

[1]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

[2]黄少竹.船舶柴油机故障分析及诊断技术[M].大连:大连海事大学出版社,2005.

防喘振系统 第2篇

关键词：防喘振原理 气路元件组成 故障分析 改进设计

中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0084-01

喘振是风机的固有特性，喘振会对轴流压缩机造成比离心压缩机更严重的危害。为了防止压缩机进入喘振工况，在机组自控系统中，专门设置了轴流压缩机防喘振控制系统。防喘振阀为事故阀门，正常情况下为关闭状态，当风机发生喘振工况时，逐渐开启克服喘振。该文主要以八钢AV90风机防喘振阀为例，从防喘振阀门应用原理、气路组成和元件功能进行讨论，分析前期发生的故障案例，找出原设计存在的问题并实施改进方案及效果评价。

1 防喘振阀门的应用原理

在防喘振控制系统中，防喘阀是最重要的一环。八钢风机配套的是美国FISHER公司的气动调节蝶阀（气关式），此阀门除了具备调节功能以外，还具有快速打开应用特性。机组正常运行时防喘振阀门电磁阀得电，防喘阀接收4-20mA的模拟信号，控制阀门部分开启或关闭，当机组安全运行信号或联锁停机信号时，电磁阀接收逻辑顺控发出的数字量控制信号，防喘振阀在极短的时间内快速打开，防止压缩机组进入喘振区域，避免了大型設备的损坏。

2 防喘振阀门的气路元件组成

如图1所示。

3 气路控制原理

整个气路的功能在正常情况下实现精确的阀位控制，快开慢关；在紧急情况（失气、失电）下快速打开阀门以保护风机。

正常情况下，两个电磁阀带电，对三通电磁阀，1和2通；两通电磁阀，1和2断开。这时经过过滤减压后的空气分成三路，一路经单向阀到四通，然后到2625、储气罐、377的F口；一路经三通电磁阀后，到377的SUP口，SUP口的气压压缩377内部弹簧，这样在377内部气路中，A口和B口通，D口和E口通；另一路到DVC6020的SUP口，作为DVC的气源。当控制信号（控制系统PLC输出到DVC6020的4-20MA信号）增大时，定位器A口输出增大，B口输出减小；增大的A口气压经377AB口、快排阀后作用在汽缸（1061执行机构）上腔；B口的气压经377DE口作为气路放大器2625的输入信号，控制2625输出到气缸（1061执行机构）下腔的压力，活塞往下运动，阀门开口度减小。反之，控制信号减小，定位器A口输出减小，B口增大，这时由于有快排阀和气路放大器2625的作用，活塞快速往上运动，阀门实现快开。当机组安全运行信号或联锁停机信号时，电磁阀接收逻辑顺控发出的数字量控制信号，防喘振阀在极短的时间内快速打开。

当电磁阀失电，对三通电磁阀，1和3通，两通电磁阀1和2通；这时，377SUP口的压力经三通电磁阀3口卸掉，377在内部弹簧的作用下，气路发生转换，B口和C口通，E口和F口通；储气罐的气加上气源的气经377FE口后作为气路放大器2625的控制信号，由于这时储气罐的气压很高（等于减压阀出口压力），使2625全开，储气罐里的气和气源的气以最大流量经2625进入汽缸下腔，上腔的气经快排阀、两通电磁阀快速排向大气，阀门快速打开。

当失气时，由于有单向阀的存在，使得储气罐的压缩空气不致倒流。整个原理同失电一样，只是使阀门快开的只有储气罐里的压缩空气。

4 防喘阀故障开启的分析

分析阀门故障开启的原因：（1）由于气源管路及控制元件的安装方式较为集中，且控制元件依靠铜管作为连接支持；当防喘阀小角度开启放风时，必然会造成放风管道的振动，振动由阀体传至气源管路及控制元件，从而造成气源铜管与控制元件接头处扭力和摩擦，长期的振动会导致此接头处的铜管断裂，导致防喘阀故障开启；（2）防喘阀的定位器安装在阀门气缸的下部，长期的管路共振对阀门定位器内部元件及反馈杆都有一定程度的损坏，且此类故障不易被维修人员发现，对阀门的控制及调节精度产生的较大影响。

5 针对防喘阀故障的设计改进

对防喘阀气路控制部分改进设计实施后，经过在线调试和运行效果评价，从根本上解决了防喘阀在放风时管路振动对阀体气路及控制元件的损坏，保证了防喘阀的安全可靠运行和快速调节风机工况的需求。

参考文献

丙烯腈装置机组防喘振控制系统 第3篇

中国石油大庆石化公司化工二厂丙烯腈装置的原料为丙烯、氨和硫酸, 主要产品是丙烯腈, 副产品有粗乙腈、氢氰酸及稀硫铵等。在流化床反应器中进行丙烯、氨氧化, 完成化学反应, 将反应气体中的有机物吸收下来, 然后萃取精馏并脱氰脱水, 最后得到高纯度的丙烯腈。C-101空压机和C-401A/B冰机机组是丙烯腈装置的核心设备, 联锁系统的动作将导致装置停工, 危急人身安全。该系统的机组监测仪表采用本特利3500监测系统;联锁逻辑控制回路由继电器组成;温度指示、调节和联锁系统在现场就地控制盘实现;机组振动、位移和转速由现场控制室的3500实现。机组运行期, 由于压缩机的监测系统频繁出现故障, 不能正确反应机组的运行状况, 给设备带来了安全隐患;由继电器实现的联锁系统, 联锁误动作情况时有发生, 严重影响丙烯腈装置的正常生产。由于现场仪表及继电器等元件已不生产, 缺少相应备件, 一旦损坏就无法更换, 因此定期维护只是短期办法, 且继电器为220V供电, 不利仪表维护人员维护。现今, 由于控制系统的故障率逐年提高, 给维护人员带来很大的工作量, 公司组织技术人员将机组的控制系统改为ITCC控制, 减少了中间环节, 增加了防爆性能和稳定性, 为丙烯腈装置的正常生产提供保障, 有效地降低了装置非计划停工的可能性。

ITCC机组控制系统控制器的控制技术采用的是微处理器先进技术, 使用ITCC机组控制系统在防喘振控制中使用各自的控制算法。控制器将过程、转速控制和防喘振保护融合到一起。

1 防喘振控制系统的硬件组成处理器

1.1处理器

TS3000系统的硬件核心是三重模件冗余容错 (TMR) 结构, 可以确保系统有3个完全相同的主处理器, 且每个主处理器的CPU都是32位/50MHz/16MByte RAM, 工作方式是3-2-1-0。丙烯腈机组使用的32位协处理器已经取得TUV 6级安全认证。机组使用的控制系统中的I/O信号都使用三取二联锁控制。

1.2 输入输出电路

丙烯腈机组的DI信号在模件中分成完全独立的三路, 通过各自的通道传送到主处理器中进行三取二表决。计算后的数据使用I/O总线送到DO模件, 在DO模件中由方形表决电路进行二次表决, DI、DO模件与丙烯腈的现场使用光电隔离方法和STUCK ON、STUCK OFF检测方法。

AI信号在AI模件中也分成了各自独立的三路, 由AI模块上的模数转换器将模拟量转换为12位数字量, 之后主处理器用选取中间值的方法在控制器中选用正确值, 主处理器输出的AO信号在模块中的模拟输出选择器中进行计算和选择, 以此来确保输出信号的正确性。丙烯腈机组使用的控制系统使用是非常简单的, 只需将传感器和输出回路的线接在一个接线端子上, 编写一套应用程序, 有利于操作工的日常应用。

1.3 容错控制电路

TRICON系统的最大特点是可靠性和可用性, 能极大程度地确保装置的安全平稳运行, 控制系统可以识别控制系统元件自身的故障, 仪表维护人员可以在机组正常运行时在线更换故障元件。

1.4 I/O BUS结构

TRICON系统是机架扩展式结构, 机架之间采用三冗余的I/O BUS相连, 系统可以根据的I/O点数最多连14个扩展机架。TRICON系统还支持远程机架, 最大距离12km。

TS3000系统通信卡TCM4351B的RS-232/485冗余通信接口与DCS系统进行通信, 执行MODBUS协议, 传输速率115kbit, DCS为主站, SIS为从站;上位机与控制站通信采用通信卡以太网口, 速率100MB, 冗余RJ45网线。每块通信卡有两个以太网口、4个串口和一个并口。

1.5 设备

按照自控行业的规范, 一般PLC控制器用作下位机, 操作站和工程师站作为上位机, 它们之间使用以太网线连接, TCP/IP协议通信, 双网冗余。丙烯腈机组控制系统设置一台工程师站, 安装在现场小控制室内, 采用冗余的通信方式连接在控制器的通信接口上, 用于控制器的组态、修改、测试、软件装载和维护。根据丙烯腈机组的现场实际情况和ITCC机组控制系统自身的特点, 选择控制系统的硬件设备。系统硬件使用模块化结构, 主要包括电、处理器模块、通信模块、输入/输出模块及安全栅等附件 (表1) 。

1.6 I/O

所有的I/O卡都是隔离型的, 输入、输出、通道间、电源间都相互隔离, 其隔离方式为点与点之间隔离、DI/DO点与现场之间光电隔离、AI点与现场之间耦合隔离;I/O卡均满足IEC61508 SIL3的安全级别, 并具备识别现场接线断路或短路并发出报警的功能;DI卡输入端和DO卡输出端可承受220V (AC) 、50Hz的过电压;AI卡的各通道有独立的A/D转换器;I/O卡的通道数不多于每卡32通道。

丙烯腈装置三台压缩机组的I/0模块在机架上独立布置, 采用三取二联锁在压缩机控制系统中实现。根据这些要求估算系统的外部I/O数量, 详见表2。

2 防喘振系统软件

2.1 TRISTATION 1131简介

丙烯腈机组采用TRISTATION 1131软件来组态设计其控制系统, 该软件有功能块、梯形图和文本编程语言。可以使用IEC1131-3标准图库, 也有过程控制和火灾可燃气功能块图库, 另外包括了模拟、滤波、PID、超前滞后、中值选择、积分、在线监控、气体检测器、打印和其他功能块。

2.2 HMI

丙烯腈机组采用INTOUCH组态软件对机组的运行情况进行监控, 使用输入输出驱动数据, 组态在操作画面上, 通过画面显示给操作工。另外, 在操作画面上, 可以人工输入给定值和必要的参数, 将一些报警信息和日常动作记录自动存入数据库, 生成报表。

2.3 系统安全

丙烯腈装置机组控制系统使用的Tristation 1131软件支持多种密码保护, 可以通过设置用户名和密码设置访问权限, 并记录具体的访问时间和级别。在该公司的丙烯腈装置机组控制系统中, 主要设置了操作员级别和工程师级别的访问权限。

3 设备运行环境

丙烯腈装置控制系统的设备除需安装防静电地板之外, 其他环境参数如下:

操作温度 0～60℃

装有电池的存储温度 -40～75℃

未装电池的存储温度 -40～85℃

相对湿度 5%～95% 无冷凝

每轴正弦波振动 2G@10/500Hz

冲击 15G 6～11ms在每轴上

静电释放 IEC801-2标准3 (8KV)

传感敏感性 IEC801-4, 3级瞬变/烧脱&IEC 801-5, 3级, 耐冲击

辐射敏感度 IEC801-3, 3级

辐射发射 按每CISPR11测量

接地要求 安全地和信号地均小于4Ω (支持等电位接地)

4 结束语

笔者介绍的中国石油大庆石化公司化工二厂丙烯腈装置机组的防喘振系统, 以TS3000为基本控制单元, 采用Trident控制器, 实现丙烯腈装置压缩机组的防喘振控制以及压缩机一些相关的辅助设备控制, 系统的可靠性高, 设计合理, 能够有效避免因系统单点卡件故障引起的机组停车。而且系统的功能强大, 完全能够对丙烯腈机组进行控制与操作。改造后的防喘振控制系统运行至今, 压缩机组没有发生过非计划、非人为的停工事故, 为企业带来了巨大的间接经济效益, 是丙烯腈装置长周期安全稳定生产的保证。

摘要：对某公司丙烯腈装置机组的防喘振控制系统进行改造, 将三套机组现场指示控制联锁部分和室内监测系统改造为ITCC机组控制系统。优化改进后的丙烯腈装置机组控制系统投产至今, 整个控制过程连续稳定、监控界面生动准确。

空分系统氮压机的防喘振研究与应用 第4篇

莱钢60000m3/h制氧机组采用了英格索兰公司的两台中压氮压机和一台低压氮压机, 正常情况下, 中压氮压机一用一备, 低压氮压机根据需要随时工作。两台中压氮压机采用五级压缩, 低压氮压机采用三级压缩。三台氮压机的自动控制采用美国最先进的FOXBORO I/A Series控制系统, 分别通过三套DCS系统进行控制, 每套DCS控制系统的CPU、光纤耦合器和电源模块均采用冗余模式, 其中某个模块故障时可以实现无扰动切换。其余各类I/O模块通过背板通信与CPU连接, 现场的信号通过总线与对应的I/O模块相连。

冗余的光纤耦合器和上位机接入到同一MESH网络中, 该网络为接入的各个站点提供高速、冗余、对等的通信, 具有优异的性能和安全性。

2 氮压机喘振保护

2.1 喘振的危害及形成原理

喘振是离心式压缩机的固有特性, 指流体机械及其管道中介质的周期性振荡, 使介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动。介质快速地吸入和排出会导致压缩机剧烈震荡, 此时介质的入口流量和出口压力也呈现出周期性波动的趋势, 并且振幅大、频率低。喘振对于离心式压缩机有着很严重的危害, 会破坏机器内部介质的流动规律性, 产生机械噪声, 引起工作部件的强烈振动, 加速轴承和密封的损坏, 甚至对叶轮和转子都会产生破坏, 导致维修费用的提高, 影响机器的寿命。较长时间的喘振还会对机器的安装基础、出口管道造成影响, 甚至会引起厂房振动。

2.2 防喘振控制的功能原理

在试车阶段会绘制出氮压机的喘振曲线, 该曲线反映了机器的物理特性, 在开车的过程中, 如果工况点越过喘振曲线, 氮压机就会发生喘振。考虑到系统的动态特性, 喘振发生得非常快, 控制系统必须要及时预判工况点是否将要越过喘振曲线, 这对控制系统的扫描周期也有较高要求。因此, 为了避免喘振的发生, 保护机器和保证氮气的供应, 将喘振线向右平移10%的裕量得到一条控制线, 该控制线与喘振线的距离为控制距离。该距离越小, 控制系统参与阀门调节的机会就越小, 能量损失也越小, 但需要调节时对控制系统的精度和阀门的响应速度要求也越高, 这种情况下更不容易控制喘振;该距离越大, 控制系统参与阀门调节的机会就越大, 能量损失也越大, 但相对而言对系统和设备的要求较低, 喘振控制也更容易实现。

氮压机的喘振曲线如图1所示, 横坐标为主电机的电流, 纵坐标为氮压机的出口压力。当工况点位于控制线右侧的安全区域时, 机器平稳运行;当工况点越过控制线, 但未到达喘振线时, 控制系统将通过调整入口导叶和回流阀的开度, 使工况点右移, 处于安全区域;当控制系统通过调整入口导叶和回流阀的开度也不足以控制工况点, 让工况点越过喘振线时, 为了防止喘振的发生, 此时紧急连锁放空阀全开, 使工况点处于安全区域。

3 氮压机喘振保护的控制方案

3.1 防喘阀的控制方式

氮压机防喘阀 (放空阀) 的控制采用三个变量高选的方式, 这三个变量分别是氮压机防喘PID控制输出、防喘出口压力PID控制输出和旁通阀最小开度, 被选中的值作为控制防喘阀开度的最终变量。氮压机在加载的情况下, 这三个变量都会输出阀门调节值给高选功能块, 如果氮压机卸载, 则只有后两个变量起调节作用, 由于此时防喘出口压力PID控制输出的值为100 (全开信号) , 高选后, 防喘阀的开度为全开状态。

为了避免喘振的发生, 要求满足喘振发生的条件时, 防喘阀要迅速地动作, 调整完毕, 需要关闭防喘阀时, 则需要慢慢减小阀门的开度, 因此, 防喘阀的开关需要特定的斜坡函数来进行控制。

3.2 氮压机防喘PID的控制

功能块用氮压机主电机电流作为过程输入值, 三组防喘设定值 (U1, V1) 、 (U2, V2) 、 (U3, V3) 连接而成的曲线为喘振线, 如图2所示。 (三个设定点由喘振实验得到, 横坐标为出口压力, 纵坐标为主电机电流) 。用氮压机的出口压力与图2的横坐标比较, 根据相应的逻辑条件关系得到V1, V2或V3的值, 这个值作为外部设定值输入到防喘PID控制系统中。

当U=U1时, V=V1;U=U2时, V=V2;U=U3时, V=V3。如果氮压机运行在这三种情况下, 工况点正好在喘振线上, 防喘PID控制开始调节, 输出调节值给高选功能块进行选择, 通过加大防喘阀的开度, 可以减小氮压机出口压力, 增加主电机电流, 使工况点右移, 远离喘振线。

如果在氮压机运行的过程中, U1<U2<U<U3, 则V=V2;U1<U<U2<U3, 则V=V1;U3<U, 则V=V3;U<U1, 则V=0。这些情况下, 喘振线上的点都在U的左侧, 不会出现喘振。

3.3 防喘出口压力PID控制

该控制方式在氮压机加载的情况下可以自动调节, 在氮压机卸载的情况下, 输出防喘阀固定开度100给高选功能块。

在氮压机加载的情况下, 空压机出口压力作为该功能块的过程变量并在画面上显示, 此时允许防喘压力高设定值在功能块中起作用, 如果氮压机出口压力达到该值, 则该功能块输出调节防喘阀的信号到高选功能块进行选择, 通过调节防喘阀的开度可以降低氮压机的出口压力, 使工况点远离喘振曲线。

3.4 跟踪功能

高选功能块具有数据跟踪功能, 可以将输出到功能块的调节值回传给各自的功能块, 作为输出调节值的下限。

4 结语

三台氮压机自投产以来, 自控程度高, 运行稳定, 氮气供应正常。先进的防喘控制技术的应用, 大大提高了氮压机的使用寿命。

摘要：以莱钢60000m3/h空分系统氮压机为例, 介绍喘振的形成原理、控制方式, 以及防喘振保护功能的实现。

关键词：喘振,DCS,防喘保护,控制

参考文献

[1]刘震.28000Nm3/h空分装置氮压机组DCS自动控制[J].通用机械, 2009, (12)

[2]马春霞.氮压机防喘振控制的研究与应用[J].机械工程与自动化, 2013, (01)

防喘振系统 第5篇

大型机组在生产过程中起到心脏的作用, 主风机和富气压缩机是催化裂化装置的关键设备, 均易受到喘振的危害, 也易造成较大的设备事故, 所以如何控制好轴流风机和离心式压缩机机组成为机组控制和机组保护的重点, 目前在石油、化工、冶金等应用广泛的大型机组综合控制系统, 有ICS?Triplex控制系统TMR、CCC控制系统TMR、Tricon控制系统TMR、Woodward MicroNetTM控制系统TMR、GE GMR控制系统等综合控制系统。各化工企业亦选用较安全的控制系统来达到机组控制的要求, TRICONEX的TS3000以独到的防喘振技术和三重化冗余技术用于机组控制较多, 为避免事故的发生, 多数厂家已经采用三重化冗余综合控制系统。

青海油田格尔木炼油厂100万吨/年催化裂化装置、30万吨甲醇装置合成机组控制选用的都是Tricon的TS3000控制系统。其控制系统包括:机组联锁ESD、SOE事件顺序记录、机组控制PID (例如:防喘振控制及调速控制等) 及常规指示记录功能、故障诊断功能, TS3000的防喘振控制基于三重模件冗余容错结构的控制器, 采用三取二表决提供高度完善、广泛诊断、不间断的过程操作, 不仅可实施对机组的防喘振控制, 还可实施机组的安全保护控制, 在炼化产业同类产品中的市场占有率超过60%。

1 三重冗余容错控制系统的概念及TS 3000

1.1 控制系统的概念

三重冗余控制系统由3个完全相同的系统支路组成 (除电源模件是双重冗余外) , 每一系统支路独立地执行控制程序并与其他两个支路并行工作。TS3000控制系统通过三重模块冗余 (TMR) 结构如图1所示, 而给出其容错能力, 即具有对瞬态和稳态出错情况的探查发现能力, 以及采取硬件表决机制对所有来自现场的数字输入和输出进行考核和验证。

TS3000的每一个数字输入/输出模件都包含3个完全相同的相互隔离的支路。每一个支路含有一个I/O微处理器, 并从它的相应的主处理器上的I/O通信处理器接收其输出表。3个主处理器通过一个适配的高速总线系统, 被称作为TriBUS的系统相互通信。所有的数字输出模件, 除了双重DC模件以外, 都采用四重性的输出电路, 该电路对各单个的输出信号在它们刚要被施加到负载上时进行表决。这个表决电路的基础是并行或串行路径, 3个驱动器中的2个可表决取ON。双重数字输出模件则具有一个单个的并行或串行路径, 而三取二的表决过程单独作用于每一个开关。

如图1所示, 现场信号进入输入模块后, 分成三路, 三路之间彼此光电隔离, 分别送到三个主处理器, 在TRIBUS总线上对数字量信号进行表决, 对模拟量信号进行传输, 这样保证每个主处理器使用同样的数据进行过程控制, 然后把三个处理后的结果分成三路分别输出给输出模块, 在输出模块上再进行数据输出表决, 以保证输出结果的准确性, 有效克服了控制系统硬件原因而造成的系统故障。

TS3000系统每扫描一次、主处理器都通过TriBUS与其邻近的通道进行通信和同步化。TriBUS表决数字式输入数据、比较输出数据、并将模拟输入数据的副本送达每一主处理器。

主处理器执行控制程序并把由控制程序所产生的输出送给输出模件。除对输入数据作表决之外, TS3000也表决输出数据。这是在离现场最近的输出模件上完成的, 以便检测出所有错误并予以补偿, 检测所有可能出现在TriBUS表决与送给现场去的最终输出之间的错误。

1.2 三重化冗余容错系统的特点:

(1) 没有单点故障造成系统失效。

(2) 独特的I/O逻辑槽位设计, 保障故障卡件全部在线更换。

(3) 系统集成度高。

(4) I/O卡件上的光电隔离器全部三重化。

(5) 浮点数协处理器, 经过TǖV六级认证。

(6) 32位芯片, 保证了系统的快速运行。

(7) 按照1131-3国际标准设计的基于WINDOWS的编成软件使用方便。

(8) 高度的系统诊断覆盖率, 诊断功能皆为系统内置, 不需编写应用程序。

(9) 系统的维护和诊断非常方便。

(10) 所有模拟模块卡件精度高, 并可以自动校验。

(11) 应用软件在线修改。

(12) 主处理器的更换与I/O卡件的更换一样方便。

2 TS 3000机组控制系统的防喘振控制功能的实现

防喘振控制系统就是要保证离心式压缩机在任何工况下都工作在安全操作区, 以防止喘振现象的发生。目前采用的方法有固定极限流量和可变极限流量防喘振两类方法, 这两种方法都是用打回流的方法, 使压缩机的出口流量部分回流至入口, 以便使入口流量保持大于喘振点流量。可变极限流量法, 是使入口流量的给定值按一定要求随操作条件而变化, 使离心式压缩机在任何工况下都具有相同的防喘振裕度, 即沿安全操作线工作, 这样在低转速下操作, 回流量也会减少, 提高了压缩机的工作效率, 降低了能量消耗。

到目前为止, 对于不同摩尔质量、温度、压力的压缩气体, 还没有一种切实可行的方法来有效、精确地计算压缩机的喘振线, 通常都是建立一个较大的额外安全空间, 保证机组在可预设的最佳工作状况下安全运行, 但这种方法使得压缩机的工作效率大为降低, 因此有关的专业技术人员一直在寻找更有效的方法来解决防喘振控制过程中的安全与效率问题。TS3000系统的成功应用, 就较好地解决了此问题。

TS3000系统防喘振控制技术利用压缩机入口流量、出口压力、入口压力来定义操作点、喘振曲线和喘振控制曲线, 判断喘振的方生情况, 利用其专用的机组用扩展函数来检测喘振的发生情况并做相应的防喘振控制, 大大提高了喘振检测的准确性, 灵敏度。

TS3000控制系统的喘振控制方法可用功能框图2来形象地表达, 图2中每一个模块都定义了一种具体的控制功能, 各种控制功能之间相互作用, 构成一个完整的防喘振控制系统。

注:ps压缩机入口压力;pd压缩机出口压力;qv压缩机入口流量

(1) Surge Line:利用pd/ps～h/ps喘振算法, 确定机组喘振曲线。

(2) Safety Margin:计算出机组喘振裕度。

(3) Recal:喘振裕度校验。如机组发生喘振, 说明喘振安全裕度设的不太准确, 需自动重新进行调整。

(4) Control Line:生成喘振控制曲线, 即喘振曲线加喘振安全裕度得到喘振控制曲线。

(5) Total Safety Margin:喘振安全裕度与喘振裕度校验之和为总喘振安全裕度。

(6) Surge Detect:监测工作点离喘振控制曲线的远近情况。

(7) SP Hover:计算出喘振控制器的设定值。

喘振控制器的设定值根据工作点的变化而变化, 如工作点位于喘振控制线的右边, 改设定值与工作点的距离为某一设定值, 一般为2%～3%。如工作点位于喘振控制线的左边, 则与喘振控制线进行高选, 来确定控制器的设定值。

(8) Manul:手动控制模块。

(9) Surge PID:喘振控制器, 这是一个快速PID控制器, 根据喘振控制器的设定值机工作点来计算出输出值。一旦工作点向左移动进入控制线左侧, 喘振控制器的PID开始起作用。

(10) Proportional Term:比例控制器, 工作点向左移动进入控制线左侧, 继续向左越过比例控制线就会使得比例控制起作用。

(11) Valve Selector:选择喘振控制程序的输出值, 即在快速PID控制器的输出值、比例控制器的输出值、手动控制模块的输出值三者之间进行高选, 输出控制信号给防喘振控制阀。

3 工艺操作实现

工艺控制方案具体实现应有:

(1) 压缩机防喘振调节画面组成

(1) 防喘振动态示意图, 将压缩机实际工作点在防喘振示意图上相应显示。

(2) 动态数据, 将实际工作点数据在ESD画面相应处显示。

(3) 点击ESD流程图上相应调节阀, 可弹出PID画面, 可在线修改设定值或输出值。

(2) 调节。防喘振电磁阀设定3种状态, 正常运转状态下, 可设定自动调节, 开停工或异常状态下,

可设定手动调节或强制调节。

(3) 报警。利用声光报警及画面报警提示。

(4) 控制要点。

(1) 开压缩机前, 应先将防喘振阀强制打开至100%。

(2) 当压缩机实际工作点靠近防喘振线时, 应提高压缩机转速, 维持正常生产, 若压缩机转速已达最大, 则应打开防喘振阀, 并适当降低装置负荷, 保证压缩机的正常运行。

(3) 当压缩机进入喘振区, ESD声光报警时, 应立即打开防喘振阀, 并相应降低装置生产负荷, 消除喘振, 使压缩机回到正常工作区运转, 避免压缩机损坏或故障。

4 结束语

喘振是离心式压缩机固有的特性, 具有较大危害。影响喘振的因素较多, 为保证离心式压缩机高效、可靠地运行, 必须设置相应的控制系统, 对喘振现象产生的先兆加以快速和准确地预测与判断, 从而加以控制, 以避免喘振现象的发生。

压缩机防喘振控制是通过跟踪防喘振控制线来完成的, 在压缩机正常运行时, 利用TRICONEX防喘振控制器来保证系统稳定, 当流量波动大时, 通过阶跃逻辑、给定值迁移和浮动比例等的算法来快速打开防喘振阀, 从而避免喘振的发生, TRICONEX控制器的防喘振控制过程非常迅速, 它的一个处理周期大约为100ms, Tricon TS3000系统的高市场占有率证明了防喘振控制工作稳定, 性能可靠, 对压缩机调试维护非常方便, 能有力地保证机组的长时间安稳运行。

参考文献

[1]季瞻.Tricon系统控制技术[Z].北京:北京康吉森自动化设备技术有限公司, 2004, 4.

[2]乐嘉谦.集散控制系统原理及应用[M].北京:北京化学工业出版社, 2003, 7.

氮压机防喘振控制的研究与应用 第6篇

氮气压缩机是空分装置的关键后续设备,是提供管网气源压力供应的重要环节。莱钢7#制氧氮压机控制程序主要完成设备本身的启动、停止控制以及与空分系统的停止联锁控制;润滑油系统的顺序控制;振动过高停车控制;系统的温度、压力、阀位联锁控制等。其中防喘振控制是该控制系统的核心,而防喘振控制的关键是通过调节入口导叶和放空阀的开度来控制氮压机的压力和流量。本文主要介绍氮压机入口导叶和放空阀的控制。

1控制系统硬件结构

系统硬件采用SIEMENS公司的S7-300 控制系统,系统应用开发软件为西门子STEP7软件包,操作平台为英文版Windows 2000或Windows XP操作系统。并通过标准TCP/IP协议以太网实现整个流程中的自动控制、数据通讯及上位机管理,上位机的人机界面采用西门子的WinCC监控软件,实现对温度、压力、流量、振动等各种工艺参数的集中监视、记录、归档并报警,可完整地监控整个系统的生产情况。控制系统硬件配置示意图如图1所示。

2防喘振控制

当流经压缩机的气体流量小于一个最小值时,叶轮中的气流将失速,造成部分或全部气体回流,这时机器轴承所承受的应力会变大,温度升高,这种现象称为“喘振”,喘振会损坏设备,甚至造成重大事故。为此,我们对氮压机系统设有防喘振保护,即通过调节入口导叶和放空阀开度,控制通过氮压机气体的流量和压力。

2.1 入口导叶控制

氮压机开车之前,入口导叶ZC1031全关,放空阀ZC1046全开;氮压机启动后,入口导叶ZC1031开度大小受出口压力调节、DCS加载控制调节、电流负载调节等条件的影响,并通过低选对压缩机进行保护。当氮压机从DCS开始加载后,入口导叶马上开到一最小开度,此最小开度与出口设定压力SP有着一一对应关系,并根据防喘振试验得到。出口压力调节有手动、自动两种控制,当防喘振输出(放空阀)小于1%时,出口压力调节投自动;当防喘振输出(放空阀)大于5%时,出口压力调节投手动,且60 s内输出减小到0%。当氮压机出现意外情况卸载时,入口导叶从最小值渐减到0%。入口导叶控制示意图如图2所示。其中,E1为斜坡控制器与最小开度低选后值,E2为压力控制器与手操控制器输出值高选后再与电流控制器低选后值,A2为入口导叶ZC1031最终控制值。

2.2 放空阀控制

根据工艺要求,氮压机设置有最小流量值Fmin,当实际流量FV小于最小值Fmin时,压缩机自动进行防喘振控制,即放空阀流量调节器FIC1046自动调节放空阀ZC1046的开度,使其开度增大,调节实际流量值FV增加;当实际流量FV大于最小值Fmin时,放空阀调节器FIC1046自动调节放空阀ZC1046,使开度关小,直到全关。实际流量值FV计算如下:

undefined。

其中:K为常数,一般取44; dp为流量差压;PV为出口压力; Ts为入口温度;Ps为入口压力。

同时,放空阀调节还受出口压力控制,SP设定值为DCS输出,当压力调节器输出小于1%时,SP设定值增加100 kPa;当压力调节器输出大于5%时,SP设定值增加0 kPa。压力调节器输出和流量调节器输出将通过高选输出控制放空阀开度,以实现防喘振控制。放空阀控制示意图如图3所示。

3结束语

莱钢7#制氧氮压机的防喘振系统工作稳定,安全性和可靠性高,该项目实施后为莱钢热线生产提供了连续、优质的气体产品,保证了热线生产的顺利进行,创造了较为可观的经济效益。

摘要：简述了氮压机控制系统的控制功能和硬件系统结构,并详细阐述了通过对入口导叶和放空阀的控制实现对氮压机防喘振的保护功能及实施效果。

关键词：防喘振,氮压机,入口导叶,放空阀

参考文献

[1]张桂香.电气控制与PLC应用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2]齐从谦.PLC技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

丙烯制冷压缩机的防喘振控制 第7篇

关键词：丙烯制冷压缩机,喘振,变极限,控制

1 引言

辽化烯烃厂裂解装置从120Kt/a扩能到200Kt/a后, 更换了一台丙烯制冷压缩机, 该机是一种单体、垂直分开、三段离心压缩机, 能够提供-40℃、-23℃、+6℃、+15℃四个级别的冷量, 共有15个工艺用户。使用PLC来实现其防喘振控制功能和机组联锁保护, 通过触摸屏来实现监视和操作功能, 直观方便, 事故原因明确。PLC及功能模块、通讯模块、电源模块均宂余设置, 可靠性高。一切生产中的数据均可上传到DCS系统, 实现集中管理。

2 防喘振控制方案

(1) 喘振现象及原因

喘振是离心式压缩机的固有现象, 产生喘振的主要原因是由于负荷降低、排气量小于当前转速下对应最大压缩比的体积流量[1]。喘振时气体周期性倒流和排出, 压力忽高忽低, 产生巨大的震动和噪音。运行极不稳定, 是必须要加以避免的。

(2) 喘振的控制原理

在不同的转速下, 离心式压缩机特性曲线的最高点的轨迹近似一条抛物线。这条抛物线叫做喘振极限线。将其处理成二折线函数。根据喘振产生的原因, 采用放空和打回流的办法防止喘振的发生。将喘振极限线纵坐标下移3%作为放空线。当实际工作点在放空线以下, 放空阀关闭否则打开放空阀。将放空线纵坐标下移5%作为做压缩机的安全响应线[2]。也即防喘振控制线。当实际的工作点进入安全响应线的左侧则防喘振控制系统即打开旁路回流阀, 增加入口流量, 防止喘振的发生。辽化200Kt/a丙烯制冷压缩机有三个段, 每个段均设置防喘振控制系统。防喘振控制器的设定值采用现场实时计算获得, 取入口差压变送器测量量程45%作为喘振线折点, 在其左右分别取两点做直线。如图1所示。在折点两侧各取一点即可获得相应折线的数学表达。

(3) 防喘振控制方案

根据喘振形成的原因, 在一定的压力下只要保证入口流量大于喘振的极限量就可避免喘振的发生, 而一旦失控或控制阀上的工作能源中断只有控制阀保持开着才能确保压缩机有较大的入口流量, 因此防喘振控制阀选择风关阀。控制器用的作用方式为正。

1) 入口流量测量值的修正

采用差压法测量气体流量时, 由于实际工况的温度、压力参数与设计条件的数值不一致, 需要进行一定的修正。

气体体积流量和节流装置压差之间的关系为:

K:节流装置的比例系数

ρ:气体介质的密度

设计条件下表达式:

∆ρn, Ρn为设计条件下的压差和密度

对定质量气体, 如果只考虑温度、压力的影响则有:

将 (1) 、 (2) 代入 (3)

对 (4) 两边平方得:

从 (5) 可以知道只要测得节流装置上游的温度、压力和当时的差压, 按 (5) 换算成设计条件下的压差, 就可获得校正后的真正流量。

2) 给定值的获得

判断经温度压力补偿后的入口差压其值在喘振折线的哪侧, 然后根据折线的数学表达计算出出口压力, 再乘以一定的系数 (8%-10%) 作为防喘振控制器的设定值。

3) 控制策略

采用开环与闭环结合的控制方式, 当实际工作点逼近喘振线时, 控制器直接输出一阶梯式操作信号, 如图2, 快速打开控制阀。其阶梯幅度的大小可根据实际情况现场进行调整。否则控制器根据输入偏差信号按照比例积分的控制规律输出去操纵控制阀。考虑到正常时入口的实际流量总是大于控制器的设置值, 采用积分的控制器很容易输出达上限, 若发生此种情况极易造成喘振时旁路阀打开不及时, 可能造成喘振的发生, 因此对该PI控制器的输出进行了信号上限的限幅。使用PI控制具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高的特点。该控制将开环与闭环进行组合, 能有效地降低循环费用, 又可降低喘振的风险。

控制系统采用可编程控制器PLC实现, 具体的实现过程可用方框图表述如图3所示。

3 系统特点及运行状况

PLC、电源、通讯模块和通讯总线均冗余, 主机、从机可无扰动切换, 系统的可靠性高。上位机与PLC之间通过10Mb/S的高速以太网ETHERNET实现数据的采集和传输, 保证了数据传输的高速、可靠。系统具有强大的通讯功能, 支持多种通讯总线协议, 具有开放的网络结构, 与DCS实现了通讯。具有实时和历史数据处理功能, 操作状态及流程图画面、调速画面、机组喘振控制画面、实时趋势画面、历史趋势画面可随时显示调用。系统具有容错能力和强大的自诊断功能, 系统运行速度高, 能快速执行P I D算法, 并实时刷新计算输出。PLC具有功能强大的梯形图编程软件, 可实现防喘振算法和相关联锁逻辑功能系统。

4 结束语

丙烯制冷压缩机在乙烯装置中具有十分重要的地位, 其稳定、安全运行对整个生产过程的安、稳、优运行具有十分重要的影响, 采用开环与闭环结合的控制方式具有很好的特性, 系统投入至今一直运行比较平稳, 证明控制系统的设置是合理的, 满足了工艺生产的要求。

参考文献

[1]王树青.工业过程控制工程[M].北京:化学工业出版社, 2003.

离心式压缩机的防喘振控制 第8篇

离心式压缩机控制系统, 从70 年代的晶体管电路组成的电子调速器到90 年代的压缩机防喘振控制系统。离心压缩机是工业生产中的关键设备, 它具有排气压力高, 输送流量小的优点。但离心压缩机也存在一些缺陷,如稳定工作区域窄, 容易发生喘振等。喘振对压缩机的危害极大, 为了保证压缩机的正常运行, 必须配备控制系统来防止喘振的发生。随着计算机控制技术的发展,防喘振的控制手段和控制品质都得到了提高, 但是始终存在两方面的问题需要解决。其一, 经济性问题, 防喘振控制导致大量气体回流, 造成能量浪费。其二, 防喘振控制品质问题, 有些控制系统控制回路单一, 没有考虑可能发生的其他因素, 导致控制质量不好, 不能最有效、及时地防喘振。

2 离心式压缩机控制系统的现状

离心压缩机的基本控制要求是在压缩机安全平稳运行的情况下, 充分利用压缩机的工作区域, 在工艺要求的压力和流量范围内, 工况稳定可靠, 操作方便, 自动化程度高。控制系统尽可能地将压缩机系统的工作状态实时展现在操作人员面前, 便于操作人员了解, 并对运行数据进行存贮, 以备查询和分析。

当由于某些原因导致压缩机即将出现不稳定时, 控制系统应该能及时预测到不稳定性的发生, 通知操作人员, 并针对不同情形, 自动采取措施, 做出及时有力的动作, 确保压缩机回到正常的工作轨道上来。因此, 如何设计离心压缩机控制系统是一个非常重要的问题, 从以下三方面来阐述离心压缩机控制系统的设计现状:

1、控制系统硬件平台的选择。目前国内仍有很多企业的压缩机控制系统以经典控制理论为基础, 采用模拟调节器, 对其运行中的有关参数如排气量、排气压力,分别作必要的调节, 构成单回路的并联控制系统, 控制件也多为机械式的双位或比例调节器以及一些保护继电器。这种控制系统模式虽然能对参数进行一定的调节,以保证装置正常安全运行, 实现必要的工艺要求, 但调节器难以适应大的负荷变化和工况变化, 更顾及不到机组总体最佳的节能运行。随着计算机技术的迅猛发展,有可能利用微信号处理机或计算机来完成更高的控制要求, 在许多情况下可以利用可编程控制器PLC来实现。

2、控制系统软件开发平台的选择。很多国外进口的压缩机组, 供货商都会一并提供配套的控制系统, 针对性比较强, 控制效果比较理想。也可以购买第三方厂家的通用工控组态软件来直接进行上位机监控系统的开发, 这样可以缩短开发周期, 但无疑增加了成本。还可以选择自行设计开发专用于离心压缩机组控制的软件平台,这需要开发人员对压缩机组的特性有比较好的了解,需要较长的开发时间, 但是适当降低了成本。

3、控制策略的选择。这是压缩机控制系统设计中最重要的问题。在防喘振数字直接控制中, 最基本的方法仍然是采用最小流量控制, 但是可以针对不同的情形采用不同的对策。近年来发展起来的模糊控制、鲁棒和神经网络控制技术, 为压缩机的智能控制奠定了基。离心压缩机组工艺流程回路复杂, 需要监控的参数众多,涉及到水路、油路、气路的压力、温度和流量控制, 以及机组的防喘振控制, 机组振动和温度监控, 对汽轮机驱动的压缩机机组来说, 更是集汽轮机控制、压缩机性能控制和防喘振控制系统等多个系统于一体, 显然, 传统的控制方法难以满足上述控制要求, 因此采用先进PDI控制技术是离心压缩机控制的必然选择。

3 离心式压缩机喘振的原因及特征

3.1 离心式压缩机产生喘振的原因

首先得从对象特性上找, 离心式压缩机的压缩比P2/P1与流量Q的曲线大体如图1 所示。各种转速下的曲线都有一个P2/P1值的最高点。在此点右侧的曲线上工作, 压缩机是稳定的。在曲线左面低流量范围内, 由于气体的可压缩性产生了一个不稳定状态。当流量逐渐减小到喘振线以下时, 一旦压缩比下降, 使流量进一步减小,由于输出管线中的气体压力高于压缩机出口压力,被压缩了的气体很快倒流入压缩机, 待管线中压力下降后, 气体流动方向又反过来, 周而复始, 产生喘振。喘振时机体发生振动, 并波及到相邻管网, 喘振强烈时,能使压缩机严重损坏[1]。

在不同的转速下, 最高点的轨迹近似一条抛物线。压缩机的实际工作点还应留有一些余地, 因此可写出防喘振保护曲线公式如下:

式中:Q1——入口流量

T1——入口温度

如果P2/P1小于a+b(Q12/T1), 工况是安全的, 如果P2/P1大于a+b(Q12/T1), 工况就危险了。

a和b的数值由压缩机的制造部门提供, 又可分a=0( 曲线通过P2/P1=0 的一点),a>0(Q1=0 时,P2/P1>0), 及a<0(Q1=0 时,P2/P1<0) 三种情况。

喘振是离心式压缩机所固有的特性, 对每台离心式压缩机有它一定的区域。因此只能采取相应的防喘振控制方案以防止喘振发生。另一方面, 喘振与管网特性有关, 管网容量越大, 喘振的振幅越大, 频率越低, 管网容量越小, 喘振的振幅越小, 频率越高[2]。

除了上面所讲的流量变小( 即减负荷时), 使离心式压缩机造成喘振原因外, 被压缩气体吸入状态, 如分子量、温度、压力等的变化, 也是造成压缩机喘振的因素,它们的影响关系如图2、3 所示。

此图表明, 在相同的转速情况下, 若被输送气体的分子量为20 对应于A点的流量为QA时, 压缩机处于正常工作状态; 然而当分子量增至28 时, 那时相应的工作点已变为A/, 已进入不稳定区, 于是压缩机出现喘振。由此可知, 当被输送气体分子量增大时, 则往往会引起喘振, 这就是由于吸入状态参数的改变, 使机器特性曲线变化了, 所以离心压缩机使用时, 规定了按照工艺要求的参数指标, 例如分子量只允许在规定的6~10%范围内波动。

除气体分子量变化外, 当压缩机的吸入气体温度发生变化时, 其特性曲线也将改变, 如图3 所示。这是压缩机在某一恒定转速情况下, 因吸入气体温度变化时的一组特性曲线。曲线表明随着温度的下降, 压缩机易进入喘振区。

3.2 离心式压缩机喘振伴有以下特征

(1) 压缩机出口管道气流发生的噪音时高时低, 产生周期性变化, 当进入喘振工况点时, 噪音还会剧增, 甚至有暴音出现。

(2) 压缩机出口压力和进口流量均比正常工况变化很多, 且发生周期性大幅度波动, 严重时甚至可能出现气体从压缩机进口被倒推出来。

(3) 发生强烈振动, 振幅会比正常工况增大许多, 但振动频率比较低, 一般在1/2 倍频、1/4 倍频以下, 甚至在10HZ左右有较多分量[3]。

压缩机是不允许在喘振条件下运行的, 因为危害很大。它会损坏压缩机部件, 破坏机器的安装质量, 引起机器在以后运行中振动加剧, 使一些仪表失灵或仪表准确性降低。

3.3 影响喘振的因素

实际运行中引起喘振的原因很多。除了内部流动情况因失速区的产生与发展结果引起喘振外, 从外部条件来分析, 即从压缩机与管网的联合运行来分析, 管网流量、阻力的变化与压缩机工作不协调应是引起压缩机喘振的重要原因。影响离心压缩机喘振的因素不是单一的,往往是多种因素综合作用的结果, 主要因素如下:

(1) 转速变化对喘振的影响

离心式压缩机转速变化时, 其性能曲线也将随之改变, 当转速提高时, 压缩机叶轮对气体所做的功将增大,在相同的容积流量下, 气体的压力也增大, 性能曲线上移。反之, 转速降低则使性能曲线下移。对应不同转速,喘振流量也不同, 当转速增大时, 喘振流量也增大, 即随着转速的增大, 喘振线向大流量区移动, 这一结论已被人们所公认。

(2) 进气状态对喘振的影响

在石油化工生产中, 在工艺条件波动的情况下, 压缩机进气温度、压力、气体组分的变化都会引起压缩机性能曲线及喘振点的变化。压缩机提供给气体的能或压缩功可用如下公式来描述:

式中,h为多变压缩能量头,m为多变指数,T1 为进气温度,P1、P2 分别为进、排气压力,R为气体常数且R=8314/M,M为气体分子量。

同一台压缩机压缩同样容积流量的气体, 压缩机给气体提供的能量h不变, 多变指数m不变。那么, 进气温度不增大、进气压力君降低, 分子量M减小, 都会引起排气压力几的降低, 可定性地得出: 进气温度不增大、进气压力只降低、分子量M减小都会使压缩机性能曲线下移。设压缩机入口流量计孔板差为h:, 则入口容积流量为:

式中,K为流量计流量系数, 由孔板尺寸决定,ρ1为压缩机入口气体密度,ρ1=P1/RT1。由此可知, 在相同Hs下, 进气压力P1 的降低, 进气温度T1 的增大和气体分子量M的减小都会引起实际入口流量Qv的增大。所以实测的喘振流量Qmin将随着进气压力P1 的降低,进气温度T1 的增大或气体分子量M的减小而增大。

(3) 管网特性对喘振的影响

离心式压缩机的工作点是压缩机性能曲线与管网特性曲线的交点, 只要其中一条曲线发生变化, 则工作点就会改变。管网阻力增大( 例如压缩机出口阀关小), 其特性曲线将变陡峭, 致使工作点向小流量方向移动, 如图4 所示。当工作点由A移至A’时便进入了喘振工况区。管网容量越大, 喘振的振幅越高, 频率越低, 喘振越严重,破坏性越强。喘振的频率大致与管网容量的0.56次方成反比。另外, 管网的容量对压缩机的喘振流量也有影响, 有些人对一台小型低压离心式压缩机的喘振试验表明: 管网的容量对喘振点的影响很大, 容量大时喘振点流量也增大, 压缩机系统的稳定性变差。

(4) 结构参数对喘振的影响

离心压缩机结构参数的变化直接影响其性能曲线,从而使喘振流量改变。

4 喘振控制技术

由于喘振的危害性, 所以防止喘振和抑制喘振的发生, 一直是长期研究的重要课题, 有许多行之有效的方法。归纳起来分为两类: 一是在压缩机本体设计时采取的, 以扩大稳定工况范围为目的的; 二是针对压缩机运行条件即从压缩机与管网联合运行上采取的。

第一种方法中, 对于离心式压缩机在设计上采取的措施, 一是在气动参数和结构参数的选择上, 如采用后弯式叶轮, 无叶扩压器, 出口宽度变窄的无叶扩压器等。二是在设计时采用导叶可调机构。

第二种方法是普遍采用防喘装置。一方面设法在管网流量减少过多时增加压缩机本身的流量, 始终保持压缩机在大于喘振流量下运行; 另一方面就是控制压缩机的进出口压力, 离心压缩机特性曲线表明, 压缩机稳定运行范围的最小流量极限是喘振线, 因此, 为使压缩机稳定运行, 当管网流量减少到这个限定时就有可能发生喘振, 因而喘振控制的目的就是避免压缩机出现喘振。设定一条喘振控制线, 通常将喘振线右移5% 一10% 流量, 其目的就是当管网流量小于喘振控制线流量时, 还保持压缩机运行点始终在稳定区域内, 将多余的流量放空或回流, 使压缩机稳定运行。早期的防喘振控制系统是模拟量控制系统, 随着数字控制系统的发展, 防喘振控制系统发展为微信号处理机或计算机控制系统和可编程控制器PLC控制系统。在一般情况下, 负荷的减少是压缩机发生喘振的主要原因, 因此, 要确保压缩机不出现喘振, 必须在任何转速下, 通过压缩机的实际流量都不小于喘振流量, 最基本的控制方法是最小流量限控制, 根据不同的应用场合, 这种方法又可以分为2 种:固定极限流量和可变极限流量。

4.1 定极限流量法

如图5 所示, 让压缩机通过的流量总是大于某一定值流量, 为保证在各种转速下压缩机均不会发生喘振,选取最大转速下的喘振极限流量值为的值Qp , 当不能满足工艺负荷需要时, 采取部分回流, 从而防止进入喘振区。

固定极限流量防喘振控制具有实现简单、使用仪表少、可靠性高的优点。但当压缩机低速运行时, 虽然压缩机并未进入喘振区, 而吸气量也可能小于设置的固定极限, 旁路阀打开, 气体回流, 造成能量的浪费。这种防喘振控制适用于固定转速的场合[4]。

4.2 变极限流量法

可变极限流量是防喘振控制在整个压缩机负荷变化范围内, 设置极限流量跟随着转速而变的一种防喘振控制, 如图6 所示。实现可变极限防喘振, 关键是确定压缩机的喘振极限方程[4]。

5 离心式压缩机防喘振控制要点

通过确保任何时候压缩机有足够小的容积流量能够预防喘振的发生。否则必须打开回流阀以补充这个流量差。防喘振保护控制也不能过早地动作, 否则将引起能量的损耗。从控制工艺的观点来看, 最令人感兴趣的方面是系统的动态性能。流体失速能很快的引发喘振。目前还没有在价格上可以接受的工业仪表来直接测量喘振, 因此控制系统必须能识别喘振极限线有否被越过。为此, 通常人为地在喘振线右侧设定一条控制线, 其形状与喘振线一致, 但与喘振线相距5% 一10% 的流量量程值。该距离越小, 打开阀的机会就越小, 能量损失越少, 但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。该距离越大, 打开阀的机会就越大, 越能保证机组的安全, 但能量损失越大[5]。

为了保证有效的防喘振还要非常重视回流阀的动态响应和回流回路的响应时间。回流阀和控制器的性能数据对喘振极限范围内压缩机的整个动态行为有很大的影响。当压缩机紧急停车时, 一般要求回流阀从全关到全开的时间大约在1S一2S, 高性能的阀门大约在0.5S。只要很小的开度就足以保证压缩机恢复至稳定可靠的工作状态。从全开到全关, 由于需要克服流体阻力约需10S, 不能太快, 以求平稳。除设备相关的方面之外, 选择和执行的这些控制规则在可达到的控制质量上有一个决定性的影响[6]。

入口温度和气体成分的波动对喘振极限线的位置有很大的影响。我们应该仔细斟酌这些极限值, 虽然它们能够用一种可靠精确的方式来防止喘振的发生, 但是同时不应该引起工作区域不必要的减少。必须确保影响极限值的不确定参数尽可能的少。而且, 要求采用的算法合理的影响那些影响极限值的参数。

6 防喘振控制系统设计要考虑的几个因素

6.1 压缩机的类型

按照压缩机能否调速, 可分为恒速和可以调速两类。前者如果要实现防喘振控制, 显然不考虑速度的变化,设计一个固定极限流量的防喘振系统方案较为简单。后者可以根据需要设计可变极限流量的防喘振控制系统。

6.2 工况变化的工艺生产的要求

如果压缩机的入口温度、压力以及负荷变化较大时,应结合工艺生产的要求是否要在喘振点附近操作、压缩机组规模的大小等因素综合考虑决定是否采取温度、压力补偿措施的防喘振控制系统。

如果过程要求的控制精度较高时, 防喘振控制系统相应也要复杂些。

6.3 防喘振控制线的设置

防喘振控制线的设置要合理。如果防喘振调节器能严格地控制在喘振线上开始工作, 那当然是最经济的操作。但由于喘振线一般是抛物线, 防喘振控制系统设计变得较为复杂, 而且要求控制精度也很高。否则, 由于控制系统的失误等, 就会导致压缩机进入喘振区工作的危险。当然, 防喘振调节器的工作点离喘振线右边越远越安全, 但因为大量不必要的气体循环会增加不必要的动力消耗。

考虑压缩机的安全、有效和经济操作, 压缩机在低负荷下操作时, 其气量应始终保持在喘振线右边并留有一定的安全余量。一般, 控制线大约大于喘振线极限流量的5~10%。

因而, 正确地设计一个防喘振控制系统必须首先正确地确定压缩机的喘振线。要使防喘振控制系统容易实现, 喘振线最好能用直线拟合。如果喘振线是非线性的,应尽量作线性化处理。随所采用的喘振线不同, 也就有多种防喘振的控制系统。

6.4 防喘振调节器

因为正常时调节器不工作, 所以如果选用比例积分调节器时, 必须考虑防积分饱和, 这样才能使需要它工作时动作及时。

7 结束语

综上所述, 包含了设备工艺的所有规则, 控制器结构, 考虑的关于压缩机特性, 负载的过程特性以及压缩机装置设计的知识对于控制系统的质量来说是决定性的, 因此控制方案必须精心设计。早期的离心式压缩机配备的性能控制及防喘振控制系统都是比较简单的模拟量控系统, 控制性能不好。防喘振控制系统通常采用单参数控制系统,防喘振回路由流量示控制器控制旁通阀,当管网流量小于或等于最低流量限时, 开启旁通阀, 使部分气回流到压缩机入口管线或者放空, 增加通过压缩机的流量, 防止喘振的发生。现在运用数字直接防喘控制系统, 以取代先前的防喘振控制系统。其中包括多个控回路, 较好的考虑了压缩机运行中可能发生的因素,从而提高了防喘振的安全可靠性。

参考文献

[1]历玉明.化工仪表及自动化(第四版)[M].北京.化学工业出版社.2006.233-235

[2]王计栓,苑文改.离心式压缩机喘振问题研究及解决方案[J].风机技术,2005,(3):55-57

[3]梁志伟.浅谈离心式压缩机喘振分析及解决措施[J].内蒙古石油化工,2011,(22):77-78

[4]张成宝.离心式压缩机的喘振分析的喘振分析与控制[J].压缩机技术,2003,(6):4-8.

[5]魏龙.离心式压缩机的防喘振控制.通用机械,2006,(4):31-33.